張 偉

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

交通運輸作為國民經(jīng)濟發(fā)展之命脈，公路在其中扮演著重要的角色。近年來，交通強國戰(zhàn)略下我國高速公路建設(shè)里程快速增加，而水泥穩(wěn)定類基層材料以其良好的路用性能已經(jīng)成為我國80%以上高等級路面的主要結(jié)構(gòu)類型。我國地域遼闊，不同地區(qū)氣候、地形、地貌等自然條件差異極大。根據(jù)各地氣候、水文等對公路工程影響的不同，我國進行了公路自然區(qū)的劃分，而其中一個重要原則即地表氣候差異性原則，溫度差異大使得我國在不同地區(qū)應(yīng)用水泥穩(wěn)定類材料時，其工程性能差異巨大，溫度作用下水泥穩(wěn)定類材料極易發(fā)生開裂破壞，進而在交通荷載及水的作用下發(fā)生一系列的病害，對高速公路建設(shè)質(zhì)量造成極大影響。當前，在我國的公路建設(shè)中，水泥穩(wěn)定材料的設(shè)計施工依據(jù)室內(nèi)重型擊實試驗來確定最佳含水率和最大干密度，在此基礎(chǔ)上通過靜壓成型試件并測試其強度，以此進行配合比設(shè)計[1]。本文研究水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)強度增長機理及影響因素，研究成果具有工程實際意義。

1 原材料與試驗設(shè)計

1.1 原材料及級配

（1）原材料

所用水泥為普通32.5硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1，所用砂礫性能指標見表2。

表1 物理力學(xué)性能指標

表2 砂礫性能指標

（2）礦料級配

采用《公路路面基層施工技術(shù)細則》（JTG F20-2015）中的C-B-3級配，見表3。

表3 礦料級配

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗方案

（1）水泥劑量

研究水泥劑量對水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)性質(zhì)的影響，水泥劑量擬選取3.0%、4.0%、5.0%。

（2）齡期

研究養(yǎng)生齡期對水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)性質(zhì)的影響，養(yǎng)生齡期擬選取0d、3d、7d、14d、28d、60d、90d、120d。

（3）溫度

當前現(xiàn)場實際施工工藝，混合料從后場拌合、運輸至前場攤鋪，碾壓成型需要約1h完成，因此，為更好模擬現(xiàn)場實際情況，研究不同環(huán)境溫度下水泥穩(wěn)定砂礫的工程性能，溫度擬采用16℃、20℃、24℃、28℃，32℃、36℃；成型時間均采用1h。

1.2.2 試驗方法

試件成型采用《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中的T0804-1994試驗方法進行，力學(xué)強度依據(jù)T0805-1994以及T0806-1994進行測試。

2 力學(xué)強度影響因素及機理分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

2.1.1 齡期

采用靜壓法成型水泥穩(wěn)定砂礫試件，并標準養(yǎng)生至對應(yīng)齡期，其無側(cè)限抗壓強度代表值見表4。

表4 水泥穩(wěn)定砂礫無側(cè)限抗壓強度Rc試驗結(jié)果

養(yǎng)生齡期為0d時，不同水泥劑量水泥穩(wěn)定砂礫存在抗壓強度Rc0。分析認為，在成型初期，雖然混合料內(nèi)的水泥并未完全進行水化反應(yīng)，但其內(nèi)部骨料在壓實作用下相互嵌擠，形成具有一定強度的骨架，因此，其在成型初期具有一定的抗壓強度[2]。

隨齡期增長，經(jīng)過標準養(yǎng)生的水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強度逐漸增大。分析認為，水泥水化反應(yīng)所形成的膠結(jié)物緊密填充了骨架之間的空隙，并將其黏結(jié)為一個整體，隨齡期延長，膠結(jié)物逐漸凝結(jié)硬化，并形成整體強度，使得其強度不斷增長。

除此之外，水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強度在不同齡期的增長速率不同，0～14d時，其抗壓強度增長速率較快，這說明水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強度主要在早期形成。當養(yǎng)生齡期繼續(xù)增加時，抗壓強度增長速率逐漸變小，無側(cè)限抗壓強度與齡期之間關(guān)系曲線斜率逐漸放緩，這說明隨著齡期延長，水泥穩(wěn)定砂礫抗壓強度存在極限抗壓強度值。分析認為，抗壓強度表現(xiàn)為材料在外力作用下的強度極限，而在齡期增長過程中，水泥穩(wěn)定砂礫中水泥的不同成分對混合料強度貢獻不同，在早期，C3S和C3A含量高，反應(yīng)速率快，導(dǎo)致其早期強度增長較快，而后期C2S含量較小，反應(yīng)速率較慢，且大部分水泥已經(jīng)完成水化反應(yīng)，因此，其強度增長較為緩慢[3]。

2.1.2 水泥劑量

水泥穩(wěn)定砂礫無側(cè)限抗壓強度隨水泥劑量升高基本呈增大趨勢，且增長趨勢有減小傾向。分析原因可能是，水泥劑量增大，使得水泥穩(wěn)定砂礫內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物增加，其存在可較好地填充水泥穩(wěn)定砂礫的內(nèi)部空隙，并將其膠結(jié)成為一個整體，水泥劑量越大，水化產(chǎn)物越多，其內(nèi)部微空隙越少，試件整體密度有較小提升，其強度因此得到提高。如若水泥劑量繼續(xù)提高，填充作用及膠結(jié)作用逐漸傾向于飽和，使得其強度增長速度下降。

計算不同齡期水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強度增長值，可以發(fā)現(xiàn)，在不同的水泥劑量增加區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)有所不同。在水泥劑量較低的增加區(qū)間內(nèi)，單位水泥劑量的增加使得其強度得到較大的提升；而隨水泥劑量升高，單位水泥劑量的改變對水泥穩(wěn)定砂礫的抗壓強度提升效果下降，表現(xiàn)為在高水泥劑量增加區(qū)間內(nèi)強度增長值下降，且下降速率較快。這說明水泥穩(wěn)定砂礫材料強度的提升，不能單純通過增加水泥劑量來實現(xiàn)，其提升效果較為有限。除此之外，較大的水泥劑量會造成工程經(jīng)濟性下降，工程造價升高，也會導(dǎo)致水泥穩(wěn)定砂礫材料收縮開裂，進而導(dǎo)致其耐久性下降。

2.2 劈裂強度

水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度Ri代表值見表5。

表5 水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度試驗結(jié)果

2.2.1 齡期

標準養(yǎng)生條件下，隨試件養(yǎng)生齡期增加，不同水泥劑量試件劈裂強度均呈增長趨勢，且其增長速率不斷變化。試件齡期在14d內(nèi)時，劈裂強度增長較快，增長速率較大，這說明水泥穩(wěn)定砂礫劈裂強度主要在開始養(yǎng)生后早期形成，隨著齡期增加，劈裂強度增長幅度逐漸變緩，增長速率逐漸變小，且逐漸趨近0，劈裂強度增長曲線也越來越平緩，并無限趨近于水泥穩(wěn)定砂礫的極限劈裂強度。分析其原因，劈裂強度表現(xiàn)為水泥穩(wěn)定砂礫試件發(fā)生塑性變形直到試件軸向底部或內(nèi)部出現(xiàn)裂隙時，所能抵抗的最大拉力下的強度，其主要取決于水泥水化反應(yīng)所生成的膠結(jié)物強度及其與集料接觸界面強度。試件成型完成后養(yǎng)生初期，混合料中的水泥剛開始進行水化反應(yīng)，由于C3S的含量較大，且反應(yīng)速率較快，能夠形成較大的強度。因此，在水化產(chǎn)物的黏結(jié)作用下，早期試件的強度上升較快。隨著齡期增長，水泥水化反應(yīng)趨近完成，此時混合料內(nèi)部由C2S所生成的水化產(chǎn)物所主導(dǎo)，但由于其含量較少，劈裂強度增長速率較為緩慢[4]。

2.2.2 水泥劑量

水泥穩(wěn)定砂礫極限劈裂強度隨水泥劑量增加基本呈增大趨勢。分析認為，劈裂強度主要來源于混合料中水泥進行水化反應(yīng)所生成的膠結(jié)物強度以及膠結(jié)物與集料接觸界面的強度，水泥水化反應(yīng)所生成的水化產(chǎn)物將集料之間空隙進行緊密而充分地填充，不同粒徑的集料通過這種黏結(jié)作用相互連接，從而讓水泥穩(wěn)定砂礫具有整體性強度，水泥劑量越大，水化產(chǎn)物越多，集料之間的空隙被填充得越密實，粘結(jié)力也就越強，其劈裂強度也會越大。

2.3 溫度對力學(xué)強度影響

水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)性質(zhì)是評價其作為半剛性基層承載能力的重要指標，也是保障路面質(zhì)量的基礎(chǔ)。為驗證不同環(huán)境溫度對水泥穩(wěn)定類材料力學(xué)性能的影響程度，將混合料拌合后，在不同環(huán)境溫度下經(jīng)過1h靜置后成型試件并進行標準養(yǎng)生7d。

在靜置時間及養(yǎng)生條件相同時，隨環(huán)境溫度升高，水泥穩(wěn)定砂礫7d無側(cè)限抗壓強度及劈裂強度均隨著溫度的上升呈現(xiàn)下降趨勢，且環(huán)境溫度越高，其下降速率越大，尤其反映在劈裂強度的下降速率上；溫度的上升使得在其他條件均相同的情況下，水泥穩(wěn)定砂礫的力學(xué)強度發(fā)生改變，溫度每上升5℃，水泥穩(wěn)定砂礫的7d無側(cè)限抗壓強度降低0.1MPa，7d劈裂強度降低0.015MPa，且溫度越高，水泥穩(wěn)定砂礫對溫度的變化越敏感。

分析認為，水泥穩(wěn)定類材料的強度主要由其粗骨料的結(jié)構(gòu)強度及其之間的嵌擠力和水泥水化后所生成的水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用構(gòu)成；不難發(fā)現(xiàn)，粗骨料的結(jié)構(gòu)強度及嵌擠力作用在不同溫度下基本保持不變，而溫度主要對水泥水化產(chǎn)物的強度有著重要影響，從水泥發(fā)生水化反應(yīng)的整個過程來看，水化會生成較多的晶體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如混合料拌合完成后，隨機進行壓實，則水泥水化產(chǎn)物之間不會發(fā)生相對位移，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不會遭到破壞，從而為水泥穩(wěn)定類材料提供較大的膠結(jié)作用。但在施工現(xiàn)場，水泥穩(wěn)定類材料在拌合站拌合完成后，需經(jīng)過一段時間的運輸，才能進行攤鋪、壓實等，這就導(dǎo)致經(jīng)過一段時間后，壓實成型的水泥穩(wěn)定類材料內(nèi)部已經(jīng)形成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)遭到破壞，使水泥穩(wěn)定類材料的力學(xué)強度呈下降趨勢，除此之外，溫度越高，水泥水化反應(yīng)的速率提升，這就導(dǎo)致在成型試件時遭到破壞的水泥水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的比例提高，強度損失越大。

因此，在高速公路建設(shè)過程中，選擇較為合適的環(huán)境溫度，可縮短混合料從拌合至壓實完成的時間，有效提高水泥穩(wěn)定類材料的強度，提高高速公路建設(shè)質(zhì)量。

3 結(jié)束語

（1）基于靜壓法研究水泥穩(wěn)定砂礫的力學(xué)性質(zhì)，對水泥穩(wěn)定砂礫的力學(xué)強度形成過程進行分析，結(jié)果表明：隨齡期增長，水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)強度增長速率呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，并逐漸趨于其極限值。

（2）分析水泥劑量對水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)強度的影響，結(jié)果表明：隨水泥劑量增大，水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)強度隨之增大，且力學(xué)強度增長速率均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，為保證工程項目的經(jīng)濟性，應(yīng)選擇合適的水泥劑量。

（3）研究溫度對水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)強度的影響。結(jié)果顯示，隨溫度上升，經(jīng)過一段時間靜置后成型的水泥穩(wěn)定砂礫力學(xué)強度呈下降趨勢，溫度越高，水泥穩(wěn)定砂礫的力學(xué)強度損失越大，因此，在高速公路建設(shè)過程中，選擇較為合適的環(huán)境溫度，且盡可能縮短混合料從拌合至壓實完成的時間，可有效提高水泥穩(wěn)定類材料的強度，提高高速公路建設(shè)質(zhì)量。