高寒地区水泥稳定碎石基层性能研究进展

韩 龙 张兆华 李世军

(青海省湟源公路工程建设有限公司 西宁 810000)

0 引言

相较于柔性基层，水泥稳定碎石基层具有强度及刚度大、整体性与稳定性好、弹性模量高等优点[1-2]，不仅能够承受较大载荷，且在大载荷作用下的弯沉值也相对较小。但其受环境气候影响较大，特别是高寒地区的高湿度及低温度，易使水泥稳定基层出现开裂、冻胀、翻浆等病害[3]，造成道路使用寿命的大幅度下降。

我国高寒地区分布较为广泛，主要位于西北、西南及东北等地，高寒地区的明显特征为冬季昼夜温差较大、冬季寒冷且干燥、存在季节性的冻融作用，造成水泥稳定碎石基层易发生开裂及冻融损害，随着近几年极端天气出现次数的增加，给水泥稳定碎石基层在高寒地区的应用带来了更为严峻的挑战[4]。

刘超等[5]认为水分的存在是导致高寒地区冬季水泥稳定碎石基层损伤的重要原因，并采用覆盖土工布、塑料薄膜、洒沥青透层油等措施来改善水泥稳定碎石基层的抗冻性。 李强等[6]探讨了再生集料用作水泥稳定碎石基层集料的可能性，并研究了掺量对其性能的影响，发现再生集料的使用对其力学性能有积极影响，但同时也会劣化其抗收缩性能。另外，再生集料掺量对水泥稳定碎石基层性能有显著性影响。陈玉宏等[7-8]尝试将水镁石纤维加入水泥稳定再生粗集料基层以改善再生基层材料路用性能，其控制水镁石纤维和水泥的掺量作为关键变量，进行了一系列室内试验。结果表明：4%为水镁石纤维掺量的节点，当掺量大于等于4%时,其增长速度相对缓慢。而后，他们将水镁石纤维水泥稳定再生粗集料技术应用安高速中，发现水镁石纤维能够大幅提高水泥稳定再生集料基层材料抗裂性能，其性能价格比是普通基层材料的1.7倍，具有显著的经济和环保效益。梁春雨等[9]研究发现细集料对水泥稳定碎石基层的抗冻性能有不利影响。盛燕萍等[10]将水镁石纤维加入水泥稳定类基层，通过调查其抗压强度、劈裂强度、收缩特性以及抗冻性能来研究其在高寒地区的适用性。发现复掺水镁石纤维与基层早强剂，既能有效保证高寒地区水泥稳定碎石的强度，又能避免基层在干燥气候中的收缩开裂和在低温、变温环境中的温度开裂。Xu等[11]发现冻融循环对多孔水泥稳定碎石材料力学性能有显著影响。上述研究表明：在高寒地区，水分及冻融循环的存在显著劣化了水泥稳定碎石基层的性能；同时，借助掺加纤维、覆盖土工布等方式可在一定程度上改善水泥稳定碎石基层的性能。

基于此，本文分析了水泥稳定碎石基层的开裂机理，介绍了影响抗裂性能的因素，在此基础上讨论了影响抗冻性能的因素及相应的防治措施，剖析了现有研究存在的问题，以期为高寒地区水泥稳定碎石基层的研究与应用提供有益参考。

1 水泥稳定碎石基层开裂机理

1.1 干燥收缩

水泥稳定碎石基层在铺筑时，由于内部发生水分蒸发以及水化作用，导致水分含量的不断降低。随着水分的不断减少，浆体内会发生吸附作用，从而引起基层体积的收缩，由这一现象所造成的裂缝即为干缩裂缝，若这一现象发生在摊铺之前，则非常容易引起横向裂缝[12-13]。

1.1.1 毛细管张力作用

基层中的水分由于毛细管现象而存在凹液面，并且液面高度的不同会产生压力差。随着基层内水分的不断减少，液压差不断增加。由于毛细管内液面的下降，其弯曲半径也随之减小，毛细管壁所受压力增加而引起收缩，从而导致基层的干燥收缩，该现象为引起干燥收缩的主要因素。

1.1.2 吸附水及分子间作用力

由于毛细管作用的持续进行，基层间的吸附水不断减少，引起分子间的距离也不断缩小，造成分子间的相互作用力随之增大，分子表现为相互吸引，宏观表现为收缩；依据最小表面能原理，自由水在基层表面运动会产生“尖劈”作用，基层内的胶结物会发生膨胀，随着自由水的不断消失，“尖劈”作用也会不断减弱，基层发生收缩现象。

1.1.3 层间水作用

基层内的显微结构表现为非晶体及层状晶体，层间存在着自由水，由于自由水随着蒸发或毛细管作用而不断减少，层间距也随之减少，宏观表现为收缩。

1.1.4 碳化脱水作用

基层内的二氧化碳与氢氧化钙发生反应，从而生成水及碳酸钙，基层随着水分含量不断减少而引起收缩的现象为碳化脱水。

1.2 温度收缩

基层中固、液、气三相随温度降低而产生收缩的现象称为温度收缩，温缩系数相对较大的细颗粒是引起温度收缩的主要原因。微观上，基层由晶体及非晶体所构成，晶间存在着固定的相互作用力，而温度的变化会改变晶间的距离及相互作用力。混合料发生水化反应时放出大量的热，内部温度短暂上升，基层内出现膨胀现象；随着反应热的逐渐释放完成，环境温度相对较低从而基层出现了冷缩，内热外缩使得基层内部产生应力，当应力超出极限强度会导致裂缝的出现[14-15]。

相比于普通地区，高寒地区水泥稳定碎石基层受冻融循环作用，导致层间水体积膨胀，加剧水泥稳定碎石基层开裂。

2 抗裂性能影响因素

影响水泥稳定碎石基层抗裂性能的因素主要包括材料因素、级配及成型方式、外加剂、施工及养生原因等。

2.1 材料因素

施工中水泥会产生水化热，并造成混合料内部温度的升高。当环境温度相对较低时，外部环境与混合料之间的温度差较大，导致温缩裂缝的产生，使得抗裂性能下降[16]。

2.2 级配及成型方式

当混合料中细集料过多时，增大了混合料中颗粒的比表面积，从而引起颗粒吸收的水分增加。导致混合料内的水分减少，基层后期非常容易出现裂缝，从而降低基层的抗裂性能[17]。

沙爱民等[18]通过试验对比得出，相较于悬浮密实基层，骨架密实基层具有更优异的抗冲刷及抗裂性能；黄会明[19]研究了不同配合比对基层抗裂性能的影响，并对配合比进行优化；王艳等[20]发现水泥剂量偏低且粗集料较多时，可降低混合料的温缩系数及温缩应变；黄兴等[21]发现，基层的抗收缩能力随细集料含量的下降而上升。

李立寒等[22]采用不同成型方法制得试件进行试验，发现相较于静压法成型，旋转压实成型得到的试件具有更好的力学性能；李金京等[23]采用GTM法得到基层的力学性能优于传统的振动成型的基层；张丙炎[24]研究发现，振动成型法可以真实的反应基层的各项性能且试验的结果非常精确。

2.3 外掺物

熊锐等[25]通过向基层中加入自主研发的SES-I型超早强剂来提高基层的力学性能；李飞等[26]通过加入钢渣使得基层的抗裂性能得到改善;何小兵等[27]通过加入柔性纤维来提高基层的抗裂能力；杨红辉等[28]借助聚丙烯纤维以提升基层的抗裂性能及力学性能；李艳春等[29]通过加入聚丙烯纤维及膨胀剂以改善基层的抗裂性能；杨明等[30]发现，当基层中掺入玄武岩纤维量低于1%时，温缩抗裂系数随纤维掺量增高而提升，且水泥掺量为4%时，温缩抗裂系数最高。

2.4 施工

(1)集料参数在计算时不够精确，导致级配不稳定；

(2)设备易出现故障或性能较差，导致拌和过程中混合料质量的降低；

(3)混合料的运输过程未采取覆盖措施，导致大量水分蒸发；

(4)碾压时间大于水泥的凝结时间，易导致基层发生开裂。

2.5 养生

施工结束之后，没有立即对基层养生或没有进行顶起养生，使得基层长期处于寒冷条件下，混合料水分易流失，造成路面开裂[16]。

3 冻融损伤机理

3.1 静水压理论

1949年,Powers教授提出静水压理论，其主要内容为：①随温度降低，混凝土试件中的自由水会发生冻结，试件处于负温度环境内从而导致冻结作用的产生。②表层水凝固成冰后，体积快速膨胀，内部未凝固成冰的自由水通过毛细孔进入到饱和度相对较小的试件内部。③冰的体积随温度继续降低持续增大，留给自由水的空间逐渐减小，毛细孔内的压力不断增大，从而转变成为试件内的拉应力。④压力值达一定程度时，试件内部拉应力大于抗拉强度的值域时，试件内的毛细孔会遭到破坏，从而产生细小裂纹，发生冻融破坏[31-33]。

3.2 渗透压理论

Powers及Helmuth就冻融破坏的机理提出了渗透压理论。该理论内容为：负温度环境下，孔隙内的部分溶液随温度下降凝固成冰，这一现象使得溶液自身浓度上升，孔径不同的孔隙之间存在浓度差；随着温度持续下降冰的体积持续膨胀，未凝固成冰的溶液挤压毛细孔壁，在压力及浓度差的相互作用下，试件内部出现渗透压，导致未凝固的溶液趋于向孔径较大的毛细孔内移动，试件发生冻融破坏[34-35]。

3.3 Litvan G.G.的补充理论

Litvanl G.G.教授于1972年提出了自己的看法，其主要内容为：当自由水吸附于多孔物质的表面且未发生压力的重新分时，不会产生冻结，从而不发生破坏。但实际上，试件内部自由水会产生的蒸气压，内部压力不均使得蒸气压发生迁移，蒸气压的移动趋向于自由水凝固成冰的地方并会在裂缝中聚集，致使裂缝逐渐增大，试件发生破坏[36]。

3.4 温度应力理论

Mihta P.K.于1992年提出该理论，主要内容为：骨料的热膨胀系数及胶凝材料的差异会导致高性能混凝土试件出现冻融破坏现象。负温度环境下，两种材料发生了非协同变形，导致试件内部的胶凝材料与骨料检出面出现了温度应力及裂缝，从而使得试件性质劣化，产生冻融破坏现象[37]。

3.5 微冰晶抽吸理论

Setzer M.J.于2001年提出该理论，主要内容为：冻融循环可视为泵，冻结作用使得浆体内部发生了抽吸运动。在负温度环境下，存在于凝胶体内的自由水被挤出胶体内部，于表层形成冰晶且不可逆，从而导致试件发生破坏[38]。

4 抗冻性能影响因素

4.1 水泥用量

在成型方式及级配均相同的情况下，随水泥用量的提升，基层内部的孔隙得到填充，增大了胶凝材料与砂砾的有效接触面积，可有效阻止水的侵蚀，从而减少水分导致的膨胀损伤，进而降低基层的冻融损伤，推荐水泥最佳用量为4%～6%。

4.2 配合比

在水泥用量及成型方式相同的条件下，随着细集料的增加，基层内部的孔隙被有效填充，以控制微裂纹的产生，从而降低水分对基层的侵蚀，使基层的抗冻融性能得以提升，因此偏细级配的基层具有更好的抗冻融破坏的性能。

4.3 成型方式

静压成型方式的缺点为：在机械作用下，粗细集料之间的互相堆积，混合并不均匀，且易造成大骨料的损伤，导致基层原始损伤增多，冻融环境下强度衰减较快。相较于静压成型，振动成型的成型方式为：在机械振动作用下，砂砾受迫运动使得大骨料互相嵌挤，小骨料填充孔隙，使得整体更加密实，从而有效提高基层的抗冻性能[2]。

4.4 外加剂

熊锐等[25]通过加入超早强剂，以改善基层微观结构，从而提升其在负温度环境下的耐久性；马士宾等[39]研究发现基层的冻融质量损失率随早强剂掺量的增加不断下降；盛燕萍等[10]通过在基层中加入水镁石矿物纤维及早强剂，改善了水泥稳定碎石基层的耐久性及物理力学性能，且水镁石纤维掺量为4%时，基层的抗冻性能最佳；林敏等[40]研究发现当水泥含量为5%时，基层中以早强剂替代水泥可有效降低其吸水率，从而使得抗冻性能得到改善，且早强剂为16%时抗冻性能最佳。

这是因为早强剂的加入有利于水泥水化产物的形成，进而压缩水泥稳定碎石体系中的空隙，从而提高其抗冻性能；同时，水镁石纤维的加入可在水泥稳定碎石体系中形成三维网状结构，进一步提高其抗冻性能并阻止裂缝扩展，如图1所示[41]。

4.5 级配方式

刘昌忠[42]发现水泥含量越低水泥稳定碎石冻融稳定性越差。彭波等[43]发现，相较于中值级配，推荐级配的抗冻性能更为优异，且水泥掺量为3%时，基层的路用性能最佳。路文琴[44]研究发现，骨架密实结构的基层具有较好的抗冻及抗裂性能，并指出寒冷地区最佳水泥用量应控制在4%～6%。

图1 水镁石纤维与早强剂增强水泥稳定碎石机理

5 结论与展望

本文分析了水泥稳定碎石基层的开裂机理，介绍了抗裂性能的影响因素，在此基础上讨论了影响抗冻性能的因素及防治措施，剖析了现有研究存在的问题，以期为高寒地区水泥稳定碎石基层研究与应用提供有益参考，所得结论如下：

(1)相较于普通地区，高寒地区水泥稳定碎石基层受冻融循环作用，导致层间水体积膨胀，加剧水泥稳定碎石基层开裂。

(2)掺加纤维是改善高寒地区水泥稳定碎石基层性能的有效措施之一。

(3)高寒地区水泥稳定碎石基层在多变环境因素与交通荷载共同作用下，耐久性随时空演化而不断劣化。如何提出适用性良好的评价方法，并从材料设计、工艺优化等方面提升其耐久性，则是下一步值得深入探究的问题。