水泥稳定砂砾力学强度增长机理及影响因素研究

张 伟

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

交通运输作为国民经济发展之命脉，公路在其中扮演着重要的角色。近年来，交通强国战略下我国高速公路建设里程快速增加，而水泥稳定类基层材料以其良好的路用性能已经成为我国80%以上高等级路面的主要结构类型。我国地域辽阔，不同地区气候、地形、地貌等自然条件差异极大。根据各地气候、水文等对公路工程影响的不同，我国进行了公路自然区的划分，而其中一个重要原则即地表气候差异性原则，温度差异大使得我国在不同地区应用水泥稳定类材料时，其工程性能差异巨大，温度作用下水泥稳定类材料极易发生开裂破坏，进而在交通荷载及水的作用下发生一系列的病害，对高速公路建设质量造成极大影响。当前，在我国的公路建设中，水泥稳定材料的设计施工依据室内重型击实试验来确定最佳含水率和最大干密度，在此基础上通过静压成型试件并测试其强度，以此进行配合比设计[1]。本文研究水泥稳定砂砾力学强度增长机理及影响因素，研究成果具有工程实际意义。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料及级配

（1）原材料

所用水泥为普通32.5硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1，所用砂砾性能指标见表2。

表1 物理力学性能指标

表2 砂砾性能指标

（2）矿料级配

采用《公路路面基层施工技术细则》（JTG F20-2015）中的C-B-3级配，见表3。

表3 矿料级配

1.2 试验设计

1.2.1 试验方案

（1）水泥剂量

研究水泥剂量对水泥稳定砂砾力学性质的影响，水泥剂量拟选取3.0%、4.0%、5.0%。

（2）龄期

研究养生龄期对水泥稳定砂砾力学性质的影响，养生龄期拟选取0d、3d、7d、14d、28d、60d、90d、120d。

（3）温度

当前现场实际施工工艺，混合料从后场拌合、运输至前场摊铺，碾压成型需要约1h完成，因此，为更好模拟现场实际情况，研究不同环境温度下水泥稳定砂砾的工程性能，温度拟采用16℃、20℃、24℃、28℃，32℃、36℃；成型时间均采用1h。

1.2.2 试验方法

试件成型采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中的T0804-1994试验方法进行，力学强度依据T0805-1994以及T0806-1994进行测试。

2 力学强度影响因素及机理分析

2.1 无侧限抗压强度

2.1.1 龄期

采用静压法成型水泥稳定砂砾试件，并标准养生至对应龄期，其无侧限抗压强度代表值见表4。

表4 水泥稳定砂砾无侧限抗压强度Rc试验结果

养生龄期为0d时，不同水泥剂量水泥稳定砂砾存在抗压强度Rc0。分析认为，在成型初期，虽然混合料内的水泥并未完全进行水化反应，但其内部骨料在压实作用下相互嵌挤，形成具有一定强度的骨架，因此，其在成型初期具有一定的抗压强度[2]。

随龄期增长，经过标准养生的水泥稳定砂砾抗压强度逐渐增大。分析认为，水泥水化反应所形成的胶结物紧密填充了骨架之间的空隙，并将其黏结为一个整体，随龄期延长，胶结物逐渐凝结硬化，并形成整体强度，使得其强度不断增长。

除此之外，水泥稳定砂砾抗压强度在不同龄期的增长速率不同，0～14d时，其抗压强度增长速率较快，这说明水泥稳定砂砾的抗压强度主要在早期形成。当养生龄期继续增加时，抗压强度增长速率逐渐变小，无侧限抗压强度与龄期之间关系曲线斜率逐渐放缓，这说明随着龄期延长，水泥稳定砂砾抗压强度存在极限抗压强度值。分析认为，抗压强度表现为材料在外力作用下的强度极限，而在龄期增长过程中，水泥稳定砂砾中水泥的不同成分对混合料强度贡献不同，在早期，C3S和C3A含量高，反应速率快，导致其早期强度增长较快，而后期C2S含量较小，反应速率较慢，且大部分水泥已经完成水化反应，因此，其强度增长较为缓慢[3]。

2.1.2 水泥剂量

水泥稳定砂砾无侧限抗压强度随水泥剂量升高基本呈增大趋势，且增长趋势有减小倾向。分析原因可能是，水泥剂量增大，使得水泥稳定砂砾内部水泥水化产物增加，其存在可较好地填充水泥稳定砂砾的内部空隙，并将其胶结成为一个整体，水泥剂量越大，水化产物越多，其内部微空隙越少，试件整体密度有较小提升，其强度因此得到提高。如若水泥剂量继续提高，填充作用及胶结作用逐渐倾向于饱和，使得其强度增长速度下降。

计算不同龄期水泥稳定砂砾的抗压强度增长值，可以发现，在不同的水泥剂量增加区间内表现有所不同。在水泥剂量较低的增加区间内，单位水泥剂量的增加使得其强度得到较大的提升；而随水泥剂量升高，单位水泥剂量的改变对水泥稳定砂砾的抗压强度提升效果下降，表现为在高水泥剂量增加区间内强度增长值下降，且下降速率较快。这说明水泥稳定砂砾材料强度的提升，不能单纯通过增加水泥剂量来实现，其提升效果较为有限。除此之外，较大的水泥剂量会造成工程经济性下降，工程造价升高，也会导致水泥稳定砂砾材料收缩开裂，进而导致其耐久性下降。

2.2 劈裂强度

水泥稳定砂砾劈裂强度Ri代表值见表5。

表5 水泥稳定砂砾劈裂强度试验结果

2.2.1 龄期

标准养生条件下，随试件养生龄期增加，不同水泥剂量试件劈裂强度均呈增长趋势，且其增长速率不断变化。试件龄期在14d内时，劈裂强度增长较快，增长速率较大，这说明水泥稳定砂砾劈裂强度主要在开始养生后早期形成，随着龄期增加，劈裂强度增长幅度逐渐变缓，增长速率逐渐变小，且逐渐趋近0，劈裂强度增长曲线也越来越平缓，并无限趋近于水泥稳定砂砾的极限劈裂强度。分析其原因，劈裂强度表现为水泥稳定砂砾试件发生塑性变形直到试件轴向底部或内部出现裂隙时，所能抵抗的最大拉力下的强度，其主要取决于水泥水化反应所生成的胶结物强度及其与集料接触界面强度。试件成型完成后养生初期，混合料中的水泥刚开始进行水化反应，由于C3S的含量较大，且反应速率较快，能够形成较大的强度。因此，在水化产物的黏结作用下，早期试件的强度上升较快。随着龄期增长，水泥水化反应趋近完成，此时混合料内部由C2S所生成的水化产物所主导，但由于其含量较少，劈裂强度增长速率较为缓慢[4]。

2.2.2 水泥剂量

水泥稳定砂砾极限劈裂强度随水泥剂量增加基本呈增大趋势。分析认为，劈裂强度主要来源于混合料中水泥进行水化反应所生成的胶结物强度以及胶结物与集料接触界面的强度，水泥水化反应所生成的水化产物将集料之间空隙进行紧密而充分地填充，不同粒径的集料通过这种黏结作用相互连接，从而让水泥稳定砂砾具有整体性强度，水泥剂量越大，水化产物越多，集料之间的空隙被填充得越密实，粘结力也就越强，其劈裂强度也会越大。

2.3 温度对力学强度影响

水泥稳定砂砾力学性质是评价其作为半刚性基层承载能力的重要指标，也是保障路面质量的基础。为验证不同环境温度对水泥稳定类材料力学性能的影响程度，将混合料拌合后，在不同环境温度下经过1h静置后成型试件并进行标准养生7d。

在静置时间及养生条件相同时，随环境温度升高，水泥稳定砂砾7d无侧限抗压强度及劈裂强度均随着温度的上升呈现下降趋势，且环境温度越高，其下降速率越大，尤其反映在劈裂强度的下降速率上；温度的上升使得在其他条件均相同的情况下，水泥稳定砂砾的力学强度发生改变，温度每上升5℃，水泥稳定砂砾的7d无侧限抗压强度降低0.1MPa，7d劈裂强度降低0.015MPa，且温度越高，水泥稳定砂砾对温度的变化越敏感。

分析认为，水泥稳定类材料的强度主要由其粗骨料的结构强度及其之间的嵌挤力和水泥水化后所生成的水化产物的胶结作用构成；不难发现，粗骨料的结构强度及嵌挤力作用在不同温度下基本保持不变，而温度主要对水泥水化产物的强度有着重要影响，从水泥发生水化反应的整个过程来看，水化会生成较多的晶体型网状结构，如混合料拌合完成后，随机进行压实，则水泥水化产物之间不会发生相对位移，其网状结构不会遭到破坏，从而为水泥稳定类材料提供较大的胶结作用。但在施工现场，水泥稳定类材料在拌合站拌合完成后，需经过一段时间的运输，才能进行摊铺、压实等，这就导致经过一段时间后，压实成型的水泥稳定类材料内部已经形成的水化产物结构遭到破坏，使水泥稳定类材料的力学强度呈下降趋势，除此之外，温度越高，水泥水化反应的速率提升，这就导致在成型试件时遭到破坏的水泥水化产物结构的比例提高，强度损失越大。

因此，在高速公路建设过程中，选择较为合适的环境温度，可缩短混合料从拌合至压实完成的时间，有效提高水泥稳定类材料的强度，提高高速公路建设质量。

3 结束语

（1）基于静压法研究水泥稳定砂砾的力学性质，对水泥稳定砂砾的力学强度形成过程进行分析，结果表明：随龄期增长，水泥稳定砂砾力学强度增长速率呈现先快后慢的趋势，并逐渐趋于其极限值。

（2）分析水泥剂量对水泥稳定砂砾力学强度的影响，结果表明：随水泥剂量增大，水泥稳定砂砾力学强度随之增大，且力学强度增长速率均呈现先快后慢的趋势，为保证工程项目的经济性，应选择合适的水泥剂量。

（3）研究温度对水泥稳定砂砾力学强度的影响。结果显示，随温度上升，经过一段时间静置后成型的水泥稳定砂砾力学强度呈下降趋势，温度越高，水泥稳定砂砾的力学强度损失越大，因此，在高速公路建设过程中，选择较为合适的环境温度，且尽可能缩短混合料从拌合至压实完成的时间，可有效提高水泥稳定类材料的强度，提高高速公路建设质量。