公路工程水泥稳定碎石基层抗裂性分析

李慧菊

宁夏路桥工程股份有限公司 宁夏 银川 750004

1 水泥稳定碎石作用原理

水泥稳定碎石属于水硬性材料（偏脆性），其以级配碎石为骨料，利用灰浆与胶凝材料填充骨料空隙，按嵌挤原理摊铺压实，主要以碎石间的嵌挤锁结原理形成强度。该材料初期便可拥有较高强度，同时随着龄期的增加很快结成板体，以此提升整体刚度。

水泥稳定碎石基层施工成型后，其内部会持续较长时间的物理、化学反应，并且随着龄期的增长，强度与刚度会不断增加。水泥稳定碎石对环境因素较为敏感，在温度与湿度变化较大时，易使基层产生温缩和干缩现象，此时在下卧层与其自身之间的磨阻作用下，会因收缩抑制而于基层内部产生拉应力，当该应力超过该阶段水泥稳定碎石抗拉极限时，便会导致裂缝的产生[1]。

2 水泥稳定碎石裂缝产生机理及其危害

温度裂缝与干缩裂缝为水泥稳定碎石基层裂缝的主要形式，其中温度裂缝主要是由结构内部气相、液相、固相在温度变化下所产生的不同收缩而引起的综合效应，一般而言，由于结构内部气相大部分与大气贯通，因此该影响表现较小，甚至可以忽略；对于固体矿物，其收缩性一般较小（但粉性矿物收缩性较大），而反应生成物中的胶结物对温度较为敏感，收缩程度较大。干缩裂缝主要是材料内部因水分丧失而使体积变化所引起的收缩现象，温度裂缝中的液相因素与其原理相同。由此可知：

（1）影响水泥稳定碎石混合料胀缩性能的主要因素为水，收缩系数因水的存在而增长明显；

（2）混合料中各固相成分及其含量为固相收缩系数的决定性因素，在化学反应新生物结晶硬化的作用下，使半刚性材料收缩系数不断增加，但是随着混合料强度的增长，又会对水的作用形成一定的制约。

（3）水泥稳定碎石基层一旦出现裂缝，便会在裂缝处基层与面层之间形成一个薄弱点，运营过程中受温度应力与荷载应力共同作用，沥青面层底部便会于该点处形成应力集中区，此时当沥青面层较薄时，则会导致其出现开裂现象，并且在大气环境与行车荷载的反复作用下，该裂缝最终会发育至将沥青面层贯穿（称为反射裂缝）[2]。

3 水泥稳定碎石基层抗裂因素分析

3.1 结构类型

基于基层材料收缩机理的分析，原材料就矿物组成颗粒而言其胀冷缩性一般较小，而水泥浆液与新生胶结物（如二灰化学反应物）胀冷缩性则表现较大，一般情况下，由于细集料拥有较大的比表面积，新生胶结物大部分会裹覆于其表面，因此可认为细集料与新生胶结物（以下总称为砂浆）为造成基层材料收缩主要因素。对于悬浮密实结构而言，由于混合料所含砂浆较多，因此胀缩性能表现较大，但是又因其为连续级配，故而施工质量相对易于控制；对于骨架空隙结构而言，虽然其胀缩性能因混合料砂浆含量较少而表现最小，但是由于细集料较少，要想达到同等强度，必然会使结交料增加，同时对碾压工艺要求严格，综合经济性表现较差；对于骨架密实结构而言，由于混合料所含砂浆适量且结构密实，粗集料之间结合紧密，嵌挤作用发挥充分，因此力学性能与胀缩性能表现良好，但在施工过程中应注意防止混合料离析。

3.2 粗集料含量

对于水泥稳定碎石混合料而言，其强度主要来源于水泥砂浆黏结力与集料颗粒间摩阻力，二者间用量比例对混合料强度影响过程为：

（1）当集料用量较少时，混合料强度以水泥砂浆黏结力为主要表现，此时粗集料分散于砂浆中形成悬浮密实结构；

（2）在集料用量增加初级阶段，粗集料颗粒间摩阻力逐渐增大，此时由于水泥砂浆含量基本未变，故而混合料强度呈上升趋势。而当集料用量增加到一定程度时，水泥砂浆黏结力与粗集料颗粒间摩阻力均得到了充分发挥，混合料强度达到一个最大值，此时则形成骨架密实结构；

（3）在集料用量继续增加情况下，此时粗集料颗粒空隙不足以被水泥砂浆完全填充，骨架结构稳定性表现较差，混合料强度主要来源于骨架结构的嵌挤作用，形成骨架空隙结构，此时强度反而会降低。

对于不同性质的粗集料，由于在松散堆积状态下其空隙率并不一致，因此最佳用量也并不相同。

3.3 膨胀剂

混合料掺加膨胀剂后，其抗裂机理主要表现为微膨胀作用（补偿收缩）与致密性作用。

（1）微膨胀作用

水泥水化产物Ca(OH)2与膨胀剂反应生成的钙矾石（C3A·3CaSO4·32H20）矿物晶体为膨胀剂膨胀作用的主要来源，由于该晶体具有固相膨胀特征，因此可对混合料因水分蒸发所产生的体积收缩形成有效的补偿效果。

对于水泥水化产物Ca(OH)2的来源，其主要是通过水泥中硅酸二钙(C2S)与硅酸三钙(C3S)与水反应所产生，如下式（1）与（2）所示：

而钙矾石的形成则通过下式（3）由膨胀剂与Ca(OH)2反应生成：

在水泥组成成分中，由于C3S含量约占40%，且其水化反应较快，因此（2）式反应主要发生在水化初期，并且生成Ca(OH)2

较多，与膨胀剂反应生成钙矾石速率较快，对混合料干缩补偿能力较强，干缩系数明显小于普通水泥稳定碎石；而C2S含量约占35%，但其水化反应较慢，故而（1）式反应主要发生在水化后期，并且生成Ca(OH)2较少，与膨胀剂反应生成钙矾石速率较慢，对混合料干缩补偿能力相对较弱，干缩系数减小缓慢。

（2）致密作用

膨胀剂与Ca(OH)2反应生成钙矾石晶体，对材料内部毛细管道进行填充，以此增强材料致密性为膨胀剂致密作用的主要体现。由于毛细管数量减少、张力降低，从而使水泥稳定碎石因毛细管作用引起的干燥收缩减小。

4 结束语

综上所述，对于水泥稳定碎石基层抗裂性能的提升，其过程需做好施工任务的标准化动态控制，以此提升基层路用性能。