水泥稳定碎石耐久性增强技术

摘要

为了解决高等级公路普遍采用的半刚性基层材料水泥稳定碎石容易出现裂缝、唧浆等病害的问题，基于重型击实法和振动拌合工艺，分别从提升拌合工艺、添加纤维和优化级配设计3个方面对水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和抗冲刷性开展了室内试验对比研究，分析了不同增强技术对混合料耐久性的影响。结果表明：3种增强技术可以有效提高水泥稳定碎石混合料的耐久性，其中振动拌合工艺和骨架密实型结构对抗压强度的提升最为显著；添加纤维可以有效提升混合料的抗裂性能和抗冲刷性能，从而减少裂缝和唧浆等病害的产生。

关键词

道路工程

水泥稳定碎石

振动拌合

耐久性

引言

水泥稳定碎石基层材料在长期服役过程中易出现裂缝和唧浆等病害，这主要是由于干缩和温缩的共同作用造成半刚性基层的开裂，且裂缝逐渐向上扩展反射至路面表层，从而导致雨水进入路面结构内部，在行车荷载和动水压力的反复作用下不断冲刷半刚性基层而产生唧浆，致使基层强度降低。基于此，很多研究团队进行了研究：黄兴等从拌合工艺的角度发现，在水泥剂量和级配一定的情况下采用振动拌合工艺，其抗干缩和温缩性能明显优于静压法[1]；孙杰慧等对加入基层中的水泥稳定碎石的水泥用量进行了研究，测算了不同水泥用量下不同龄期的回弹模量、干缩和温缩性能，发现水泥剂量在5%~5.5%之间最为合适[2]；孙家瑛等研究了在混凝土中加入聚丙纤维后抗压强度和抗折强度的变化，发现纤维掺量在0.2%时，抗折强度提高了30%左右，脆性降低[3]。本文在许多团队研究的基础上，重点通过提升工艺、外掺材料和优化设计等技术手段，改善水泥稳定碎石的抗裂性能和抗冲刷性能，提高耐久性。

耐久性增强技术类型

对于增强水泥稳定碎石的耐久性，可从充分激发水泥作用和优化混合料结构形式入手，并可通过掺加纤维等增强材料实现。

激发水泥作用

传统的强制式搅拌工艺由于搅拌设备的转速和效率低、搅拌存在速度梯度和低效区、搅拌参数与物料间的匹配性不足等原因，导致混合料中有10~30%的水泥颗粒出现团聚现象，水泥颗粒的比表面积下降，造成水泥水化不充分，水泥作用未能全部发挥。振动搅拌工艺是一种通过释放激振力来强化搅拌过程的有效手段，通过在强制式搅拌工艺的基础上加入振动搅拌，使得物料之间发生很好的对流运动和扩散运动，各组分充分弥散，提高了物料的均匀性，水泥水化更充分，激发水泥发生全能作用，提升混合料强度。

优化结构形式

水泥稳定碎石混合料的结构形式主要有悬浮密实、骨架密实和骨架空隙3种。悬浮密实结构根据最大密度理论设计，采用连续级配，混合料中集料粒径从大到小组合排列，细集料较多，粗集料含量较少，无法形成骨架嵌挤结构；骨架密实结构采用嵌挤密实原则设计，粗集料含量增加，形成骨架嵌挤结构，细集料主要用来填充骨架结构中的空隙，由此最大程度地发挥粗集料的骨架嵌挤作用和细集料的填充黏结作用。因此，采用骨架密实结构的水泥稳定碎石混合料具有比悬浮密实结构更优异的性能，可通过级配优化设计、采用骨架密实结构，抵抗干缩和温缩引起的裂缝，提高混合料的抗裂性能。

添加纤维材料

纤维具有优异的断裂拉伸强度[4]，将纤维增强体加入水泥稳定碎石中，利用纤维的桥接、拉拔作用，显著增加基体的抗拉强度，减少结构内部的开裂，提高水泥稳定碎石的抗裂效果。此外，在拉应力作用下，纤维能够有效减弱裂缝尖端的应力集中现象，抑制裂缝的扩展。

试验方案

基于重型击实法开展水泥稳定碎石混合料配合比设计，矿料合成级配和目标配合比设计结果分别如表1、2所示。

为了分析以上3种技术对水泥稳定碎石混合料耐久性的增强作用，分别开展了不同搅拌工艺、不同级配类型和不同纤维掺量[5-7]对水泥稳定碎石无侧限抗压强度、间接拉伸强度和抗冲刷性能的影响。由此制定的试验方案如表3所示，其中纤维种类为聚酯纤维。

耐久性影响因素分析

拌合工艺的影响

对比分析了采用振动搅拌工艺和普通强制式搅工艺[8-10]对水泥稳定碎石混合料耐久性的影响，结果如图1所示。从图1可以看出以下几点。

(1)随着水泥用量的增加，水泥稳定碎石混合料的7d无侧限抗压强度、7d劈裂强度逐渐增加，28d、30min冲刷质量损失率逐渐减小，表明随着强度的逐渐形成，混合料的抗冲刷性能不断提高。

(2)相对普通拌合工艺，振动拌合水泥稳定碎石混合料的抗压强度和劈裂强度分别提高30.5%和10.6%，而冲刷质量损失率降低13.7%，说明在振动拌合条件下，混合料分散更均匀，整体强度和抗冲刷性能得到一定提高，耐久性增强，其中提高最为明显的是抗压强度，其次为抗冲刷性能，劈裂强度的提升相对较小。

添加纤维材料的影响

对比分析了添加0.05%聚酯纤维与未添加纤维对水泥稳定碎石混合料耐久性的影响，结果如图2所示。结果表明，相比未添加纤维，添加聚酯纤维的水泥稳定碎石混合料的抗压强度和劈裂强度分别提高6.8%和11.9%，而冲刷质量损失率降低23.6%，说明在聚酯纤维的桥接和拉拔作用下，混合料的整体耐久性得到提升，其中最为显著的是抗冲刷性能，其次是抗裂性能，添加纤维对抗压强度的提升相对较小。

级配类型的影响

对比分析了骨架密实结构与悬浮密实结构对水泥稳定碎石混合料耐久性的影响，如图3所示。结果表明，相比悬浮密实型结构，骨架密实型结构的水泥稳定碎石混合料的抗压强度和劈裂强度分别提高11.6%和4.6%，而冲刷质量损失率降低19.5%，说明骨架密实型结构具有更优异的耐久性，其中抗冲刷性[11]能提升最为显著，其次为抗压强度[12-14]，劈裂强度的提升效果相对一般。

耐久性增强效果分析

基于以上试验结果，对比分析不同影响因素对水泥稳定碎石混合料耐久性的影响程度，如图4所示。结果表明以下几点。

(1)3种耐久性增强技术中，拌合工艺和级配类型对混合料无侧限抗压强度的提升最为显著，添加纤维对混合料抗冲刷性能的提升最为显著。

(2)对于水泥稳定碎石无侧限抗压强度提升最为显著的是拌合工艺，对于抗裂性能[15]和抗冲刷性能提升最为显著的是添加纤维。

结语

本文通过提升拌合工艺、添加纤维和优化级配设计，对水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和抗冲刷性开展了室内试验对比研究，分析了不同因素对混合料耐久性的影响，主要结论如下。

(1)水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度、劈裂强度和抗冲刷性能随着水泥用量的增加得到明显提高，添加水泥有利于提升水泥稳定碎石的耐久性。

(2)采用振动拌合工艺、添加纤维和优化级配设计均可一定程度地提高水泥稳定碎石混合料的耐久性。

(3)采用振动拌合工艺和骨架密实型结构可以有效提高水泥稳定碎石混合料的无侧限抗压强度，添加纤维有利于提高水泥稳定碎石混合料的抗裂性能和抗冲刷性能，从而减少裂缝和唧浆等病害的产生。

对3种耐久性增强技术对水泥稳定碎石力学性能的影响进行了研究分析，建议后续开展对弹性模量、疲劳性能等方面的研究。