程力

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

一、病害調(diào)查

（一）調(diào)查原則及范圍

基于自然地理條件差異性、溫差差異性、時間差異性和材料及工藝差異性原則，本文選取北疆地區(qū)G30連霍高速公路小草湖至烏魯木齊段、塔里木盆地西北緣G3012吐和高速公路阿克蘇至喀什段、S16麥蓋提至喀什高速公路、S13三岔口至莎車高速公路、塔里木盆地南緣G3012墨玉至和田高速公路的路面拱脹病害調(diào)查。

（二）病害特征

調(diào)查結(jié)果表明，路面拱脹有以下幾點特征：

從地域分布來看，拱脹主要發(fā)生在環(huán)塔里木盆地沿線；從公路等級來看，拱脹主要發(fā)生在整體式的高速公路和一級公路；從工程建成年代來看，拱脹主要發(fā)生在近幾年建設(shè)的水穩(wěn)基層厚度在30cm以上的、基層強度較高的高等級道路上。此外，在早期建成的水穩(wěn)基層厚度薄、強度低的各等級公路，未發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定基層拱脹的情況。

經(jīng)過調(diào)查分析拱脹發(fā)生路段路面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，拱脹路段主要有以下特點：

從易溶鹽含量來看，發(fā)生拱脹的基層Na2SO4含量較未發(fā)生拱脹的基層平均高出14%、總含鹽量平均高出18%；從混合料級配來看，拱脹主要發(fā)生在《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2006）中表格6.1和6.2所規(guī)定的級配范圍內(nèi)基層；從施工期間檢測數(shù)據(jù)看，拱脹段基層混合料級配普遍偏細；從施工工藝來看，拱脹主要發(fā)生在采用分層攤鋪或分層連續(xù)攤鋪的路段，上下基層層間結(jié)合差，拱脹破壞時會導(dǎo)致上下基層分離。

二、SEM試驗

本文采用掃描電鏡技術(shù)（SEM）對比不同水泥用量、含鹽量和含水量條件下水泥穩(wěn)定材料試件的微觀結(jié)構(gòu)，研究不同因素和水平影響下水泥穩(wěn)定材料拱脹發(fā)展的規(guī)律，試驗方案如表1所示。

表1 SEM試驗方案

表1 SEM試驗方案

（一）含鹽量影響

如圖1所示，（a）和（b）是水泥用量為3%、含鹽量分別為0.4%和0.8%的水泥穩(wěn)定基層材料試件的電鏡掃描圖像。（c）和（d）是水泥用量為4.5%、含鹽量分別為0.8%和0.2%的水泥穩(wěn)定基層材料試件電鏡掃描圖像，圖中不規(guī)則多邊體為Na2SO4·10H2O結(jié)晶結(jié)構(gòu)，主背景為集料表面。

圖1 水泥穩(wěn)定基層材料試件的SEM圖像

對比圖1中SEM圖像可見，含鹽量為0.8%的試件中Na2SO4·10H2O結(jié)晶結(jié)構(gòu)的數(shù)量顯著多于含鹽量為0.4%的試件，這使得含鹽量較高的水泥穩(wěn)定基層材料試件在溫度升高后析出的Na2SO4·10H2O更多，晶體間擠壓更為劇烈，使得試件體積膨脹，宏觀上導(dǎo)致含鹽量高的試件拱脹變形更為顯著。對比（c）和（d）的SEM微觀圖像可以看出，當含鹽量小于等于0.2%時，集料表面Na2SO4·10H2O結(jié)晶較少，水泥穩(wěn)定基層材料的拱脹也不顯著，因此基本可以斷定在0%～0.2%的含鹽量范圍內(nèi)，含鹽量對水泥穩(wěn)定基層材料拱脹幾乎沒有影響。當含鹽量超過0.4%后，水泥穩(wěn)定基層材料拱脹變形愈發(fā)明顯，因此選用水泥穩(wěn)定基層材料時必須要嚴格控制含鹽量指標。

（二）水泥用量影響

含鹽量為0.4%，水泥用量分別為3%、4.5%和6%的水泥穩(wěn)定基層材料試件放大1萬倍的電鏡掃描圖像如圖2所示。

圖2 不同水泥用量條件下水泥穩(wěn)定基層材料試件的SEM圖像

對比上圖中SEM圖像可見，隨著水泥用量的增加，試件的孔隙區(qū)域面積不斷減少；當水泥用量達到6%時，試件的圖像中基本不存在孔隙。隨著水泥用量的增加，水泥填充試件內(nèi)部空隙，水泥穩(wěn)定材料試件的密實度也不斷增加。隨著水泥穩(wěn)定基層材料試件密實度的增加，試件在溫度上升過程中Na2SO4·10H2O結(jié)晶結(jié)構(gòu)間擠壓作用與試件體積膨脹更為劇烈，導(dǎo)致試件的拱脹變形顯著增大。

（三）硫酸鹽腐蝕分析

硫酸鹽腐蝕是影響水泥穩(wěn)定基層材料物理力學(xué)性能的重要因素，本文分析了不同硫酸鹽含量水泥穩(wěn)定基層材料試件的微觀結(jié)構(gòu)。含鹽量分別為0.2%和0.8%的水泥穩(wěn)定材料試件不同放大倍率的SEM圖像如圖3所示，圖中六邊形長條板為Ca(OH)2的交錯排列。

圖3 不同含鹽量水泥穩(wěn)定基層材料試件的硫酸鹽腐蝕SEM圖像

如圖3中（a）（b）所示，含鹽量為0.8%的試件圖像中Ca(OH)2存在不規(guī)則的現(xiàn)象。這主要是由于圖（a）試件的Na2SO4含量較高，Na2SO4會和Ca(OH)2反應(yīng)生成易溶于水的CaSO4，導(dǎo)致Ca(OH)2的交錯排列發(fā)生破壞，從而使得試件發(fā)生硫酸鹽腐蝕。

如圖3所示，（c）和（d）中的球體為未水化完全的水泥顆粒。對比可見，含鹽量為0.2%的試件水泥顆粒表面比較光滑，含鹽量為0.8%的試件中水泥顆粒表面存在附著物和不規(guī)則的破壞。這些附著物主要是Na2SO4·10H2O結(jié)晶，結(jié)晶一方面覆蓋在水泥顆粒表面減緩了水泥的水化，抑制了水泥穩(wěn)定基層材料的強度增長；另一方面腐蝕了水泥顆粒，破壞了水泥水化的進程，降低了水泥穩(wěn)定基層材料的整體結(jié)構(gòu)強度。

三、結(jié)語

本文采用掃描電鏡技術(shù)對比分析了不同因素與水平作用下水泥穩(wěn)定基層的拱脹規(guī)律。通過室內(nèi)電鏡掃描試驗，最終得出以下結(jié)論：

隨著含鹽量的增大，水泥穩(wěn)定基層材料的集料表面Na2SO4·10H2O結(jié)晶結(jié)構(gòu)越密集，集料間的擠壓與體積膨脹愈發(fā)顯著。隨著水泥用量的增多，水泥穩(wěn)定基層材料內(nèi)部孔隙率減少、密實度增加，進而導(dǎo)致試件在溫度變化過程中的變形顯著增大。