大温差荒漠区水泥稳定砂砾材料拱胀的宏-微观研究

王选仓，朱世煜，张梦媛，宋 亮,2，张潇月

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830006)

0 引 言

新疆、内蒙、甘肃等内陆戈壁区高速公路建设近年迎来了蓬勃发展[1-2]。水泥稳定基层作为我国主要基层结构，具有良好的力学性能[3]，但受控于大温差、路基盐渍化严重等自然因素作用，戈壁地区多地出现了水泥稳定基层沥青路面拱胀病害，严重影响行车舒适性及安全性[4-5]。开展水泥稳定基层沥青路面拱胀的宏-微观研究，对防治内陆戈壁区乃至全国范围类似病害具有实际意义。

国内外关于不同因素对水稳砂砾基层拱胀研究主要集中于单因素下基层砂砾材料拱胀特性。宋亮等[6]探究不同条件下水泥稳定基层盐胀规律，得到了水稳砂砾材料中硫酸盐含量控制范围；K.MARCI[7]明确指出多孔材料的盐分迁移是影响其材料变形性能的主要因素之一;王军伟[8]调研了内蒙古额济纳地区水文地质资料，对各因素下水稳碎石材料的温胀性能进行了研究；张海龙[9]针对内蒙古阿拉善盟额济纳地区横向隆起现象，从力学角度阐述了路面横向拱起原因；S. GENKINGER等[10]研究了温度场对硫酸盐晶体的影响及盐渍土中硫酸盐的析出特征；田秋林等[11-12]探讨了基层层间结合方式对南疆地区水稳基层拱起开裂的影响。

国内外关于大温差及盐渍化严重的戈壁内陆地区拱胀病害研究甚少，已有研究大多也集中于单因素下水泥稳定基层盐胀、温胀、干缩等特性，对复杂环境下多因素对水稳砂砾材料拱胀特性的宏观研究相对不足，细、微观机理更鲜有涉及。综上，笔者基于室内试验模拟南疆地区实际自然环境，研究设计因素和环境因素对水稳砂砾材料拱胀影响，采用微观手段研究水稳砂砾材料拱胀破坏内部机理，探究影响水稳砂砾材料膨胀的主、次要因素。

1 调查分析

拱胀病害频发很大程度上是因为南疆独特的地理环境，需对南疆地区气候环境进行调查分析。

1.1 大温差荒漠区自然环境

结合南疆地区近年来的气象资料及文献[13]，南疆主要地区年温差及降雨量情况如表1，年环境湿度变化情况如表2。

表1 南疆主要地区年温差及降雨量Table 1 Annual temperature difference and rainfall in main areas ofsouth Xinjiang

表2 南疆地区累年各月份平均湿度Table 2 Monthly average humidity in various years ofsouth Xinjiang

由表1、表2可知：各地区最低气温与年平均最高气温相差甚大，最大温差达到59.7 ℃。各地年降雨量最大为101.8 mm，最低为47.7 mm，属干旱少雨，且该地区平均年蒸发量为3 000 mm左右。地区湿度变化亦显著，夏季湿度低秋冬湿度高。调查发现，南疆等地区年日温差极大、光照充足、干旱少雨，这种极端天气会影响道路使用性能诱发道路病害。

1.2 半刚性基层拱胀病害现状

以南疆地区拱胀病害最为突出的高速公路(麦喀高速公路、阿喀高速公路、三莎高速公路)为依托进行拱胀调查，结果如表3。

表3 部分高速公路病害状况Table 3 Disease status of some expressways

查阅相关资料并结合表3可知：部分公路已通车多年，除常见的道路病害外，每隔300～400 m就会出现横穿路面的拱起现象，宽度为10～150 cm不等，高度1～6 cm不等，严重处路段不仅拱起，更出现了开裂现象。

针对统计的3条高速公路的拱胀病害，以模拟南疆自然环境为依托，对影响拱胀的因素进行探究。以期从源头解决拱胀病害，最大程度上保证道路发挥全寿命使用周期。

2 原材料与试验方案

2.1 原材料

2.1.1 水 泥

水泥采用P.C 32.5，按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中相关规定对其进行检测，技术指标见表4。

表4 水泥技术指标Table 4 Technical index of cement

2.1.2 集 料

集料选用南疆地区代表性砾石材料，技术标准同2.1.1节，技术指标如表5。

表5 砾石材料技术指标表Table 5 Technical index of gravel material technology

2.1.3 试验用水

对病害路段沿线地表水取样进行易溶盐检测，结果如表6。

表6 病害路段沿线地表水检测结果Table 6 Detection results of surface water along the diseased roadsection

由表6可知：该水样硫酸盐的含量为3 526 mg/L,不符合JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》要求，不能直接作为工程用水。试验用水不采用沿线地表水，采用日常饮用水。

2.2 设计级配

依据JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》中水泥稳定级配砾石的推荐级配范围，设计得到骨架密实、悬浮密实的水稳砂砾基层合成级配。依据文献[14]提出的骨架孔隙水稳基层级配范围，设计出骨架空隙型的水泥稳定砂砾基层合成级配，所有级配如表7。

表7 合成级配集料通过百分率Table 7 Passing percentage of composite graded aggregate %

2.3 研究方案

根据现有资料对于水稳基层材料拱胀性能因素的研究，并结合南疆地区温差大，气候多变，降雨量较少等自然因素。拟进一步探究各因素下水泥稳定砂砾材料室内拱胀性能，测量温度变化情况下试件拱胀量，并结合半刚性基层材料收缩性评价方法，计算试件在各温度区间的膨胀系数。

2.3.1 试件制备

水泥采用P.C 32.5,集料选用南疆地区代表性砾石材料，采用日常饮用水，级配分别采用骨架密实、骨架空隙、悬浮密实3种类型配制。试件为100 mm×100 mm×400 mm小梁试件，静压法成型，压实度为98%，采用7 d湿法养生。

2.3.2 宏观试验

采用控制变量法探究试件级配类型、水泥剂量、硫酸盐含量、环境湿度、环境温度等因素对试件拱胀影响。具体试验设计方案如下：

1)级配类型

选取骨架密实、悬浮密实、骨架空隙3种级配类型成型试件进行拱胀试验。

2)水泥剂量

为减小级配类型对水稳材料拱胀程度的影响，试件制备级配类型采用骨架空隙型。试验规程参照JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》，并查阅南疆相关地质资料，综合考虑，采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%共6个水泥掺量(质量百分比)进行水泥稳定基层拱胀试验。

3)环境湿度

为减小其他试验因素对试验结果的影响，级配采用骨架空隙类型，水泥剂量为4.5%。结合现有研究成果及文献[4]，研究环境湿度在20%、40%、60%、80%这4个水平下水泥稳定砂砾材料拱胀特性。

4)硫酸盐含量

为减少级配类型、水泥剂量对混合料膨胀性影响，级配类型采用骨架空隙结构，水泥剂量为4.5%。

结合南疆阿喀和三莎高速公路路面基层芯样易溶盐含量检测情况[15](基层硫酸盐含量远超规范规要求)，制备硫酸盐(无水硫酸钠)含量(质量百分比)分别为0%，0.2%，0.4%，0.8%，1.0%共5个梯度进行水泥稳定砂砾混合料拱胀试验。

环境模拟采用广东艾思荔公司的DTH-80DH可编程式恒温恒湿试验箱，试验箱模拟温度范围为-20～150 ℃，温度控制精度为±0.2 ℃，湿度范围0%～100%，相对湿度误差±2.5%。试件变形量监测采用深圳米诺公司的XHZ-1505电阻式位移计，位移计量程50 mm，分辨率小于0.05 mm。数据采集采用南京巨航公司的EY214静态应变测试系统。

试验中，通过调节可程式恒温恒湿试验箱温度值达到模拟要求。查阅相关文献并考虑南疆地区日温差、年温差较大等自然因素，将试验温度区间暂定为-10 ℃～60 ℃，试验中温度变化如图1。

图1 试验温度变化Fig. 1 Test temperature change chart

2.3.3 微观试验

为进一步探究水稳砂砾材料内部拱胀变化机理，通过SEM对比不同含盐量及水泥剂量的材料拱胀微观结构，并采用工业CT扫描手段分析温度大小及不同含盐量对其影响，以此来探究水稳砂砾材料拱胀的内在劣化机理。

3 结果与分析

3.1 宏观试验分析

3.1.1 级配类型

根据恒温恒湿箱设定的升温曲线，测定不同级配水稳砂砾混合料膨胀量，将数据进行整理分类并计算其膨胀系数[16]，结果如图2。

图2 不同级配类型的试件拱胀量及膨胀系数Fig. 2 Arch expansion and volume expansion coefficient ofspecimens of different gradation types

由图2可知：级配类型对水稳砂砾混合料膨胀变形影响较为显著，不同级配类型成型基层试件拱胀量变化具有相似性。不同级配类型的水稳砂砾混合料膨胀系数从小到大依次为: 骨架空隙、骨架密实、悬浮密实。在-10～30 ℃，各试件拱胀量上升趋势较为缓慢，在30～40 ℃，上升最为剧烈，此时材料膨胀系数上升也最为迅速。温度继续上升至40 ℃后，试件拱胀量虽有上升，但膨胀系数下降。

结合表7中悬浮密实级配的细集料含量为40.5%、骨架密实级配的细集料含量为27.3%、骨架空隙级配的细集料含量为12.5%。可认为水泥剂量一定时，混合料的膨胀性取决于集料膨胀性，当集料中粗料较多时，原生矿物含量就较高，且原生矿物较其他混合料组成膨胀性小。再结合级配可知，悬浮密实型级配中的细集料含量远大于骨架性级配，随着温度上升，细集料间的嵌挤作用相对较小，其受热膨胀所受约束减弱，导致混合料体积膨胀，水稳砂砾基层发生拱胀。温度进一步上升时，膨胀应力虽增大，但混合料中细集料已膨胀到一定程度，混合料对细集料产生更大的约束，抑制了材料膨胀变形速率。

3.1.2 水泥剂量

测定不同水泥剂量的水稳砂砾材料膨胀量，并计算其膨胀系数，结果如图3。

图3 不同水泥剂量下试件的拱胀量及膨胀系数Fig. 3 Arch expansion volume and expansion coefficient of specimensat different cement dosages

由图3可知：级配类型相同时，水稳基层拱胀量及热膨胀系数随温度的上升呈非线性增加，水泥剂量对水稳砂砾混合料膨胀变形影响显著。在-10～10 ℃时，拱胀量随温度上升趋势较缓，当温度区间在30～40 ℃时，材料拱胀量增长最为快速。温度继续上升，各试件拱胀量增加变缓，膨胀系数降低。

究其原因，当水泥剂量一定，温度较低时，混合料内部的温度应力较低，水泥的水化和脱水过程不充分，水泥的热膨胀系数增加较缓。水泥稳定砂砾材料膨胀性很大程度上取决与水泥和集料的热膨胀率，且水泥的膨胀率大于集料的膨胀率，集料矿物成分的热膨胀系数较水泥小，此时集料对水泥的膨胀有抑制作用，混合料拱胀量较小。当温度上升时，水泥的热膨胀系数增加，水泥水化反应剧烈，水泥膨胀充分，此时水泥对集料的胶结作用减弱，集料作为整体可能会发生相对位移，混合料整体膨胀量加大。

当温度一定且水泥稳定砂砾混合料体积给定时，浆集比(水泥砂浆和集料之比)一经给定，水泥砂浆及集料的体积含量也一并确定，由于集料的膨胀率小于水泥，集料对水泥膨胀起到抑制作用。当水泥剂量增大(浆集比增大)，集料的相对体积变小，对水泥膨胀性能减弱。故在相同的温度下，混合料拱胀量和水泥膨胀系数随着水泥剂量的增加而增加。

3.1.3 环境湿度及含盐量

设定了5个等级含盐量，4个水平环境湿度。不同含盐量的水稳材料试件拱胀量如图4，不同湿度下的试件拱胀量如图5。

图4 不同含盐量下试件拱胀量Fig. 4 Arch expansion volume of specimen under different salt contents

由图4可知：

1)不同湿度下水稳砂砾材料膨胀量均随温度的增长而呈正相关，变化趋势具有一致性和区分度。

2)在-10～0 ℃时，各水稳试件拱胀量均为负值；在0～40 ℃时，试件拱胀量随温度呈非线性增加；温度继续上升时，试件膨胀量增长趋势减缓，30～40 ℃温度区间各试件拱胀量增长最快。

究其原因[17]，当温度区间在-10～0 ℃时，Na2SO4的溶解度迅速下降，Na2SO4·10H2O晶体析出体积增大，导致水泥稳定材料内部应力增大，引起试件盐胀变形；当温度继续上升至0 ℃时，水泥稳定材料中的Na2SO4·10H2O晶体逐渐溶解，晶体体积减小抵消了温胀作用，此阶段各试件拱胀量出现负值；温度继续升高，温胀作用持续增强，硫酸盐随温度上升在水中的溶解度发生变化，当温度上升至32.4 ℃时溶解度达到最高，并会以Na2SO4·10H2O 和无水Na2SO4两种形式结晶析出[18]，故30～40 ℃这一温度区间中各试件拱胀最为剧烈。温度继续上升时，硫酸盐更多以无水Na2SO4的形式析出，对试件体积膨胀作用减弱。

图5 不同环境湿度下试件拱胀量变化Fig. 5 Variation of arch expansion of specimens under differenthumidity

由图5可知：当含盐量为0%时，环境湿度为20%时拱胀量为252 μm，环境湿度为40%时拱胀量为254 μm，两者相差无几。当含盐量为0.2%、环境湿度为80%时，试件拱胀量较环境湿度为40%时减少。环境湿度为80%时，含盐量为0.8%的试件拱胀量较含盐量0%及0.2%时试件有大幅度提升。

综上，当含盐量达0.8%后，盐胀作用才较显著；此外，环境湿度较高时，其对试件拱胀量的影响才初步体现。

究其原因，环境湿度较高时，硫酸盐有充足的自由水与之结合，并形成结晶析出混合料体积膨胀，导致试件产生拱胀。对比含盐量分别为0%、0.8%的试件拱胀量，后者较前者增幅较为显著，表明高含盐量对试件拱胀程度影响较为明显，盐胀作用在整个试件拱胀过程不可忽略。

3.2 微观试验分析

拱胀病害多为材料内部某部位应力集中体现，需结合细观及微观方法进一步分析水稳砂砾材料内部拱胀特性。

3.2.1 扫描电镜(SEM)

通过SEM放大不同试件至1 000、5 000倍，如图6。

图6 不同含盐量的SEM图Fig. 6 SEM images of different salt contents

1)含盐量影响

由图6(a)、(b)可知：放大倍数为1 000时，区域内均存在不规则Na2SO4·10H2O结晶多边体，相对于0.4%含盐量的SEM电镜图像，0.8%含盐量的图像中存在更多结晶多边体结构。这说明，高含盐量材料会产生更多的Na2SO4·10H2O结晶体，并依附在集料表面，导致集料局部体积膨胀，此类情况在高含盐量的水稳砂砾材料温度升高后更为突出。

由图6(c)、(d)可知：放大倍数为5 000倍时，图6(c)中内部基本不存在不规则多边体，而图6(d)中存在较多的不规则多边体。这说明当含盐量小于等于0.2%时，Na2SO4·10H2O结晶对水泥稳定基层材料的拱胀性能的影响相对较小。

2)水泥剂量影响

含盐量为0.4%，水泥剂量分别为4.0%、5.0%、6.0%的试件放大10 000倍后如图7。

图7 不同水泥剂量的SEM图Fig. 7 SEM images of different cement dosages

图7中针棒状物质为水泥水化产物钙矾石，团簇状物质为C-S-H胶凝材料，规则球体为未水化的水泥颗粒。随着水泥剂量的上升，钙矾石和C-S-H胶凝材料数量不断增加，未水化的水泥颗粒数量逐步增加，进而孔隙率逐渐减小，水稳砂砾材料试件密实度逐步增大，试件内空气含量减少。空气是热的极不良导体，空气含量减少及水泥剂量的增加整体提高了试件的导热系数，进一步加剧水稳砂砾材料试件在温度变化过程中纵向变形。

3.2.2 CT扫描

为进一步探究温度变化对试件拱胀影响，对CT扫描图像中孔隙率进行精确计算，利用MATLAB软件对图像进行预处理，并对图像进行反相处理，进一步提升空隙和砂浆的对比度，再对其进行阈值分割，通过灰度分布直方图，发现空隙相的灰度集中在190～255间，在目标区域(AOI)范围内对图像进行阈值分割，最后利用Imagepro软件对空隙面积进行统计，分析其孔隙率。计算含盐量分别为0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%时试件的5个断面在各温度下孔隙率的变化，如图8。

由图8可知：试件温度从-10 ℃上升至0 ℃时，断面孔隙面积减少，孔隙率降低。这主要是由于当温度低于0 ℃时，材料孔隙水结冰，孔隙堵塞导致孔隙面积减小，一定程度上抑制了硫酸根离子的运输，盐胀作用较弱，其次结合图6(d)可知，盐胀是因析出Na2SO4·10H2O结晶多边体，依附在集料表面导致集料局部膨胀。

图8 各温度下不同含盐量试件的孔隙Fig. 8 Porosity of specimens with different salt content atdifferent temperatures

温度从-10 ℃上升至0 ℃时，结晶体受热逐步溶解，试件拱胀程度降低孔隙减小，且此温度区间温度较低，温胀作用亦较弱。温度由0 ℃上升至30 ℃，此温度区间断面孔隙增多，孔隙面积出现增大，拱胀进一步发展。当试件温度从30 ℃上升至40 ℃时，孔隙明显增多，孔隙率增幅亦显著。温度进一步上升时，孔隙增长趋势变缓，孔隙率增长幅度亦减缓。对比不含盐试件及含盐量为0.8%的试件，后者试件孔隙率较前者在各阶段有一定程度提高，其中30～40 ℃相差最为明显。一定程度上表明盐胀作用在试件拱胀发展的各个阶段不可忽略，且盐含量越高，其作用越明显。

4 结 论

以探究大温差荒漠区水泥稳定基层沥青路面拱胀因素为目的，通过对水稳砂砾材料的宏-微观试验，进一步明确了综合因素作用下拱胀发生机理，得出以下结论：

1)级配类型及水泥剂量对水稳砂砾材料拱胀量影响较大。悬浮密实结构的水泥稳定砂砾混合料膨胀量最大，骨架密实次之，骨架空隙最小，随着水泥剂量的提高，材料试件拱胀量增大。故在大温差荒漠区等盐渍严重地区，级配推荐采用骨架空隙结构，水泥剂量在满足基层强度的情况下，其含量4%为宜。

2)水泥稳定砂砾材料拱胀主要发生在30～40 ℃，此阶段拱胀以温胀为主，盐胀亦有涉及，且不可忽略。温度区间在-10～0 ℃时，水泥稳定材料中Na2SO4·10H2O晶体逐渐溶解，抵消了微弱的温胀作用，故此阶段各试件拱胀量出现负值。

3)低含盐量及环境湿度对水泥稳定基层试件拱胀量影响并不显著。当含盐量0.8%时，含盐量才逐渐影响材料拱胀，且随着含盐量增加，试件拱胀程度加剧。

4)CT扫描图像的断面孔隙率变化，验证了在-10～0 ℃这一温度区间，Na2SO4·10H2O晶体的溶解作用大于温胀作用，且进一步说明30～40 ℃是材料拱胀发生最为剧烈的温度区间。