不同措施对水泥稳定碎石混合料性能的影响

田小革,于 水,李光耀,闵雪峰,任 全,杨 帆

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410114;2.河北省高速公路京雄筹建处，保定 071700)

0 引 言

水泥稳定碎石混合料具有强度高、板体性好、承载能力高且抗变形能力强等特点，比较适合我国重载交通状况，并且原材料来源广泛，所以我国绝大多数高等级公路的基层都采用水泥稳定碎石混合料[1]。但是这种基层易于产生温缩、干缩裂缝，从而导致沥青面层产生反射裂缝[1-3]，且存在水稳定性差、耐久性不足等缺点[4]，许多道路在大中修时原基层已处于破碎、松散状态。

对于水泥稳定碎石混合料存在的易产生收缩裂缝以及耐久性不足等缺点，国内外学者提出了改善其性能的若干技术措施。吴启一等[5]研究了玄武岩纤维对水泥稳定碎石混合料力学性能的影响，发现当玄武岩纤维掺量为碎石质量的0.1%时，水泥稳定碎石混合料各项力学性能增强效果最优。李明杰等[6]对比研究了骨架密实型、悬浮密实型和骨架空隙型水泥稳定碎石混合料的干缩性能、抗冻性能，发现采用骨架密实结构能显著减小水泥稳定碎石混合料的收缩量。雷蕾等[7]研究了粉煤灰外掺剂对水泥稳定碎石混合料性能的影响，发现粉煤灰可以显著提升水泥稳定碎石混合料的抗压强度和疲劳寿命。赵利军等[8]、薛少青[9]对水泥稳定碎石混合料开展采用振动拌和与普通强制拌和的对比试验，发现振动拌和可提高水泥稳定碎石混合料强度20%左右。杨明[10]、程培峰等[11]将四种不同体积掺量的玄武岩纤维加入到水泥稳定碎石混合料中，发现加入玄武岩纤维后，水泥稳定碎石混合料的抗裂性能得到有效提升。李淑[12]的试验表明在水泥稳定碎石混合料中加入一定量的玄武岩纤维能提高强度，增强抵抗收缩的能力。暴英波[13]研究了不同龄期的玄武岩纤维水泥稳定碎石混合料的收缩、抗冻和疲劳等耐久性，发现掺入玄武岩纤维后，水泥稳定碎石混合料的28 d龄期抗冻系数以及90 d龄期的疲劳寿命明显提高。马士宾等[14]、李欢[15]、应荣华等[16]、Li等[17]研究了不同含量的膨胀剂对水泥稳定碎石混合料抗裂能力的影响，结果表明掺加膨胀剂会使水泥稳定碎石混合料体积产生微膨胀，抵消部分收缩，降低早期干缩裂缝的数量，提高抗裂性能。张显安等[18]对比分析了振动搅拌与传统静力搅拌工艺对水泥稳定碎石混合料力学性能的影响，发现振动搅拌工艺可显著提高水泥稳定碎石混合料的力学性能。陆青清[19]研究了脱硫石膏对水泥稳定碎石混合料的减缩与增强行为机制，发现随着脱硫石膏掺量的增加，水泥稳定碎石混合料的干缩应变逐渐降低。Carret等[20]研究了预裂对水泥稳定碎石混合料后期强度和模量的影响，结果表明养生初期的预裂可以提高水泥稳定碎石混合料的早期强度。可以看出，国内外研究人员对多种改善水泥稳定碎石混合料性能的技术措施的使用效果进行了研究，但是这些研究仅分析了单一措施对水泥稳定碎石混合料性能的影响。由于原材料和试验条件不同，不同技术措施的实施效果缺乏可比性，且不同措施对水泥稳定碎石混合料各项性能的影响程度尚未明确。因此，本文采用相同的原材料和试验条件，通过对比研究采用振动拌和方式、增加水泥用量、掺加玄武岩纤维、掺加膨胀剂四种不同技术手段对水泥稳定碎石混合料多项性能的影响差异，并基于多因素方差分析评价了不同技术措施的影响程度，可为工程实践提供参考。

1 原材料

1.1 水 泥

水泥采用坪塘水泥有限公司生产的P·C 32.5水泥，其性能见表1，满足技术[21]要求。

表1 水泥技术指标Table 1 Technical indexes of cement

1.2 集 料

集料采用宝隆科技发展有限公司提供的石灰岩，各项指标均满足规范[22]要求。

1.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维选用臣启化工科技有限公司生产的长度为12 mm的束状水泥混凝土专用短切玄武岩纤维，其技术指标见表2。

表2 玄武岩纤维技术指标Table 2 Technical indexes of basalt fiber

1.4 膨胀剂

选用U型膨胀剂(U-type expansive agent, UEA)，其成分为硫铝酸钙熟料或硫酸铝熟料，与水泥浆体中的氢氧化钙作用生成钙矾石膨胀组分，产生适量膨胀,物理性能指标见表3。

表3 UEA的物理性能Table 3 Physical properties of UEA

2 采用不同技术措施的水泥稳定碎石混合料设计

2.1 配合比

室内试验采用水泥质量分数为5%的水泥稳定碎石混合料，基准级配范围见表4，与实际工程一致。

表4 水泥稳定碎石混合料级配Table 4 Gradation of cement stabilized macadam mixture

四种不同技术措施的水泥稳定碎石混合料均以此级配为基础，通过简单的调整而制备,具体为：玄武岩纤维加入量为水泥稳定碎石混合料体积掺量的0.05%；膨胀剂加入量为水泥质量的0.5%；提高水泥用量的水泥稳定碎石混合料中水泥的质量分数分别为8%和10%；振动拌和水泥稳定碎石混合料采用DT60ZBW型双卧轴振动搅拌机进行拌和，其余水泥稳定碎石混合料均采用常规强制式双卧轴搅拌机进行拌和。

2.2 最佳含水率

对于设计的不同类型水泥稳定碎石混合料，含水率均初步拟定为3%、4%、5%、6%、7%(质量分数，下同)，根据击实试验结果，绘制含水率-干密度关系曲线，确定各类级配水泥稳定碎石混合料的最佳含水率和最大干密度[22]，见表5。为方便作图，将普通水泥稳定碎石混合料、振动拌和水泥稳定碎石混合料、掺玄武岩纤维水泥稳定碎石混合料、掺膨胀剂水泥稳定碎石混合料、高水泥用量(8%)水泥稳定碎石混合料、高水泥用量(10%)水泥稳定碎石混合料分别记作PT、ZD、XW、PZ、G1、G2。

表5 各类型混合料的最大干密度和最佳含水率Table 5 Maximum dry density and optimal moisture content of each type of mixture

2.3 试件成型与养生

分别按照设计所需的材料用量成型φ150 mm×H150 mm的圆柱体试件和100 mm×100 mm×400 mm的梁形试件，脱模之后，在规范要求环境下进行养生。

3 不同技术措施下水泥稳定碎石混合料性能对比

3.1 抗压回弹模量

在养生室养生至不同龄期(7 d、28 d、60 d)的前一天取出试件样品，饱水1 d后，依照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[23]中T 0808—1994试验方法进行抗压回弹模量测试。各类型水泥稳定碎石混合料在不同龄期时的抗压回弹模量见图1。

从图1可以看出：(1)六种水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量均随龄期的增加而增加。(2)增大水泥用量会明显提高模量值，这是由于随着水泥用量的增加，水泥浆水化后的凝胶状结晶化合物也相应增加，使水泥稳定碎石混合料整体结构更为牢固，刚度更大。(3)采用振动拌和技术、掺加玄武岩纤维或掺加膨胀剂，对水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量的影响都相对较小，掺入玄武岩纤维会在一定程度上降低其抗压回弹模量。

3.2 强 度

将养生至不同龄期(7 d、28 d、60 d)的圆柱体试件依照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[23]进行无侧限抗压强度试验、劈裂试验及抗弯拉强度试验，不同龄期下的试验结果分别见图2～图4。

图1 抗压回弹模量随龄期的变化Fig.1 Variation of compressive rebound modulus with age

图2 无侧限抗压强度随龄期的变化Fig.2 Variation of unconfined compressive strength with age

从图2～图4可以看出：(1)随着龄期的增长，不同类型水泥稳定碎石混合料的强度均逐渐增大，7～28 d龄期强度增长迅速，28～60 d龄期强度增长缓慢。(2)增大水泥用量对水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度提升效果最为明显。(3)掺加玄武岩纤维，7 d龄期水泥稳定碎石混合料的强度低于普通水泥稳定碎石混合料，但随着龄期增长，强度逐渐提高，这是因为随着龄期增长，玄武岩纤维可以充分发挥其联结作用。

图3 劈裂强度随龄期的变化Fig.3 Variation of splitting strength with age

图4 抗弯拉强度随龄期的变化Fig.4 Variation of flexural tensile strength with age

3.3 收缩性能

按《公路无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[23]进行干缩与温缩试验，设置的温度区间为40～30 ℃、30～20 ℃、20～10 ℃、10～0 ℃、0～-10 ℃，试验从高温到低温依次逐级进行。不同类型水泥稳定碎石混合料的干缩系数与温缩系数分别见图5和图6。

图5 干缩系数随龄期的变化Fig.5 Variation of dry shrinkage coefficient with age

图6 温缩系数随温度的变化Fig.6 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature

由图5和图6可以看出：(1)六种类型水泥稳定碎石混合料的干缩系数均随龄期的增加而增加，前7 d龄期增长较快，后期趋于平缓。(2)温度从40 ℃下降到0 ℃，水泥稳定碎石混合料的温缩系数逐渐下降。从0 ℃到-10 ℃，温缩系数逐渐回升。(3)增大水泥用量会使水泥稳定碎石混合料的干缩系数、温缩系数均明显增大，这说明水泥用量越大，越容易导致收缩开裂。(4)采用振动拌和技术、掺加玄武岩纤维、掺加膨胀剂均能降低水泥稳定碎石混合料的干缩系数和温缩系数，且掺加膨胀剂对降低水泥稳定碎石混合料干缩系数的效果最为明显(与31 d龄期普通水泥稳定碎石混合料相比，干缩系数降低了57.7%)，且其数值是从负数增长到正数。这是因为膨胀剂与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成钙矾石晶体，增大了水泥稳定碎石混合料的体积，由此产生的体积膨胀可抵消部分收缩，因此它能有效降低水泥稳定碎石混合料的干缩系数与温缩系数，提高其体积稳定性。(5)与普通水泥稳定碎石混合料相比，加入玄武岩纤维后，水泥稳定碎石混合料31 d龄期的干缩系数下降了18.8%。这是由于纤维丝分布形成的网状体系与水泥稳定碎石混合料基体之间产生的连接力、机械啮合力以及共同作用有效约束了混合料与凝胶物的收缩变形。

3.4 耐久性

3.4.1 抗冻性能

根据文献[23-24]测定经5次冻融循环后水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度，得到无侧限抗压强度比，见图7。

图7 28 d龄期混合料冻融循环后无侧限抗压强度比Fig.7 Unconfined compressive strength ratio of mixture after freeze-thaw cycles (28 d)

由图7可以发现：经过5次冻融循环后，普通水泥稳定碎石混合料的强度损失最大，采用振动拌和技术、掺加玄武岩纤维、掺加膨胀剂、增加水泥用量四种技术措施均能提升水泥稳定碎石混合料的抗冻性能，其中增大水泥用量对抗冻性能的提升作用最为明显。

3.4.2 抗疲劳性能

将养生28 d后的不同类型水泥稳定碎石混合料进行四点弯曲疲劳试验，采用控制应力加载模式，荷载幅值为2 kN，波形为连续的Havesine波，加载频率为10 Hz。试验结果见表6。

由表6可以看出：采用振动拌和、掺加玄武岩纤维、掺加膨胀剂、增大水泥用量四种措施均能够明显提高水泥稳定碎石混合料的疲劳寿命，相较于普通水泥稳定碎石混合料，疲劳寿命分别提高了约50%、1倍、2.5倍、170倍、230倍，其中增大水泥用量对抗疲劳性能的提升作用最为明显。

表6 不同类型水泥稳定碎石混合料在相同荷载下的疲劳寿命Table 6 Fatigue life of different types of cement stabilized macadam mixture under the same loading

4 基于多因素方差分析的性能影响程度分析

为了进一步明确不同技术措施对各项性能的影响程度，基于多因素方差分析对试验结果进行分析，并提取效应量估算边际平均值作为新的评估体系来判定影响效应。估算边际平均值差值越大，影响程度越大。表7为不同技术措施对水泥稳定碎石混合料各项性能影响的主体间效应检验,图8为不同性能的效应量估算边际平均值结果。

表7 不同技术措施对各项性能影响的主体间效应检验Table 7 Test of intersubjective effect of various performance by different technical measures

从表7主体间效应检验结果可以看出，对于本文所采用的提升水泥稳定碎石混合料性能的四种不同措施，在各项性能下的显著性值均低于0.05，且偏Eta平方的值接近1，说明这四种措施对水泥稳定碎石混合料性能的提升均具有显著影响。从图8不同类型的水泥稳定碎石混合料的模量、强度以及耐久性的估算边际平均值来看，对于PT、ZD、XW、PZ这四种类型，曲线斜率变化较为平缓，而当混合料类型为G1、G2时，其效应量估算边际平均值曲线斜率猛然上升，相较于前四种类型值显著提高，因此可以说明增大水泥用量对提升水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量、强度以及耐久性影响效应最大，能更加简便、高效地提升其性能。但从收缩性能的估算边际平均值来看，增大水泥用量给干缩系数、温缩系数带来不利影响；掺加膨胀剂的水泥稳定碎石混合料的干缩、温缩效应量估算边际平均值显著低于其他类型，说明掺加膨胀剂能更加简便、高效地降低水泥稳定碎石混合料的干燥收缩及温度收缩变形。

图8 不同性能的效应量估算边际平均值Fig.8 Estimated marginal mean of effects of different performances

5 结 论

(1)采用振动拌和技术、增大水泥用量、掺加膨胀剂能够提高水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量，而玄武岩纤维的掺入会降低其抗压回弹模量。四种措施均能提升水泥稳定碎石混合料的强度和耐久性，其中增大水泥用量的提升效果最为明显。

(2)采用振动拌和技术、掺加玄武岩纤维、掺加膨胀剂均能提高水泥稳定碎石混合料抵抗收缩开裂的能力，而掺入膨胀剂对水泥稳定碎石混合料干缩性能的改善效果最佳(干缩系数降低57.7%)，其次是掺加玄武岩纤维(干缩系数降低18.8%)，采用振动拌和技术对干缩系数的降低效果不太显著。而增大水泥用量会使水泥稳定碎石混合料的干缩系数、温缩系数增大，抗裂性能降低。

(3)从多因素方差分析结果来看，这四种措施对水泥稳定碎石混合料性能均具有显著影响，其中增大水泥用量对提升水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量、强度以及耐久性影响效应最高。