張飛龍，岳光華，尚慶芳，呂 璐

（河南萬里交通科技集團股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層材料具有早期強度高、穩(wěn)定性好、整體性強等優(yōu)點，在中國高等級公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用；但是也同時存在容易出現(xiàn)干溫縮開裂的問題。出現(xiàn)裂縫后道路服務(wù)水平降低、壽命縮短，并會產(chǎn)生其他的早期破壞，如唧泥、網(wǎng)裂、水損害等［1－5］，致使瀝青路面使用年限未達到設(shè)計年限時就已發(fā)生嚴重的損壞，嚴重制約了高速公路乃至全國公路事業(yè)的健康發(fā)展。

作為提高基層抗裂性和耐久性的有效方法之一，振動攪拌技術(shù)［6－7］在水泥混凝土中的應(yīng)用研究較為充分［8－12］，但將振動攪拌技術(shù)應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層材料中的研究較少。因此有必要研究振動攪拌對水泥穩(wěn)定碎石基層材料干溫縮性能的影響。理論上講，振動作用可以使水泥穩(wěn)定碎石混合料的顆粒運動速度增大，顆粒的有效碰撞次數(shù)增加，使水泥、水和細集料充分彌散，并通過對流和擴散運動均勻地包裹于粗集料的表面，形成“膜”［13］，從而增強骨料與水泥界面的黏結(jié)強度，改善水泥穩(wěn)定碎石基層材料的薄弱環(huán)節(jié)，提高水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強度；同時，可以提高水泥的利用率，在一定程度上減少水泥劑量，進而提高水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性和耐久性［14－16］。

1 試驗原材料與混合料級配

試驗用水泥為P·O32．5的普通硅酸鹽水泥，其劑量為4%。

此次試驗所用粗、細集料的技術(shù)指標見表1、2，其性能的檢測按《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的規(guī)定進行。

表1 粗集料密度指標

表2 細集料密度指標

混合料級配按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2006）的有關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，選用規(guī)范中基層骨架密實型級配，級配設(shè)計范圍見表3，級配曲線如圖1所示。為了避免級配不同對試驗結(jié)果造成影響，此次試驗統(tǒng)一采用中值級配。

表3 骨架密實型級配礦料組成

圖2 平均干縮系數(shù)變化趨勢

用振動擊實法得到的水泥穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度為2．412g·m－3，最佳含水量為4．56%。

2 試驗結(jié)果分析

2．1 不同攪拌方式對水泥穩(wěn)定碎石基層材料干縮性能的影響

圖1 級配曲線

通過室內(nèi)自然條件下的干縮試驗可以得到水泥穩(wěn)定碎石混合料失水收縮的程度，并以此來計算干縮系數(shù)。本試驗對振動攪拌與普通攪拌2種不同攪拌方式下水泥穩(wěn)定碎石基層材料的干縮性能進行研究。

試驗采用4%的水泥劑量，靜壓法成型100mm×100mm×400mm中梁，每組6個試件，標準條件下養(yǎng)生3d，飽水后擦干試件表面開始試驗。為了與現(xiàn)實中的環(huán)境條件相同，在自然條件下進行試驗時沒有控制溫度和濕度。試驗中選取的振動攪拌參數(shù)為：振動頻率40Hz，攪拌時間20s。不同攪拌方式下試件的干縮性能試驗結(jié)果如圖2所示。

分析試驗結(jié)果可得出：當干縮量不再增加時，振動攪拌試件的總干縮變形量平均值為46．8×10－3mm，而普通攪拌試件的干縮總變形量為75．4×10－3mm，振動攪拌試件的干縮總變形量相比普通攪拌試件減少了約37．9%；振動攪拌試件的平均總干縮系數(shù)為125．917 3×10－6，而普通攪拌試件的平均總干縮系數(shù)為181．686 0×10－6，振動攪拌試件的總干縮系數(shù)明顯小于普通攪拌試件的總干縮系數(shù)。這說明在自然條件下，相對于普通攪拌，振動攪拌技術(shù)可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗干縮性能。

從圖2還可以看出平均干縮系數(shù)表現(xiàn)出不太穩(wěn)定的現(xiàn)象，這可能是由于外界溫度和濕度的變化造成的。雖然在室內(nèi)自然條件下的試驗沒有恒定的濕度和溫度，但從整體的變化來看，干縮系數(shù)隨水分的耗散有增大趨勢。

分析水泥穩(wěn)定碎石基層材料干燥收縮的原因為：水泥穩(wěn)定碎石混合料毛細管中水的彎液面存在著內(nèi)外壓力差（即毛細管張力），其大小與毛細管半徑、含水量成反比，隨著水分損失量增大，致使毛細管張力增大加速，從而收縮加劇；接著，水泥穩(wěn)定碎石混合料中的吸附水開始損失，使顆粒表面水膜變薄，間距變小，分子力增大，導(dǎo)致其宏觀體積進一步收縮，這一階段的收縮量要比毛細管作用下的收縮量大得多；而當分子距離小到一定程度后，分子間的斥力增大，收縮量逐漸減小，分子斥力與引力達到平衡，收縮終止。水泥穩(wěn)定碎石混合料中的一些層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)（如C－S－H、C－A－H 等）間夾有大量層間水及水化離子，隨著層間水的蒸發(fā)，晶格間距減小，也會引起整體材料收縮［17］。

振動攪拌試件和普通攪拌試件都存在上述的干縮過程，但相較于普通攪拌試件，振動攪拌試件的抗收縮性更好，原因為：振動攪拌使得水泥穩(wěn)定碎石混合料中的水分和水泥分布更加均勻，黏結(jié)部分也更加密實均勻且強度有所提高，抗裂性增強，相應(yīng)的干縮系數(shù)減??；混合料被攪拌均勻后會使得其中的大孔隙減小、小孔隙增多，增強了保水能力，減少了水分蒸發(fā)帶來的開裂，使得干縮系數(shù)相應(yīng)減??；水化產(chǎn)物均勻分布于集料孔隙間，使得混合料試件更均勻密實，提高其整體的協(xié)調(diào)變形能力，從而使整體的干縮應(yīng)變減小。

2．2 不同攪拌方式對水泥穩(wěn)定碎石基層材料溫縮系數(shù)的影響

采用室內(nèi)溫縮試驗法測量靜壓法成型的100mm×100mm×400mm中梁的溫縮變形。中梁試件在標準條件下養(yǎng)生90d，分2種方法進行試驗。第一種是將試件飽水24h后，再放入105℃的烘箱中烘10～12h至恒重，在無水條件下進行溫縮試驗。采用7級溫度，最高溫度選用40℃，最低溫度為－20℃，以30min降10℃的速率降溫，達到恒定溫度時，保持3h。試驗結(jié)果見表4。

表4 干燥條件下試件溫縮試驗結(jié)果

從表4可以看出，不同攪拌方式下試件的溫縮系數(shù)接近，但振動攪拌試件的溫縮系數(shù)比普通攪拌的要小一些。振動攪拌試件的溫縮系數(shù)最大值為10．694×10－6，最小值為4．833×10－6，而普通攪拌試件的溫縮系數(shù)最大值為11．248×10－6，最小值為4．862×10－6。同時，干燥條件下在－10℃～0℃時，混合料中毛細管張力大于水化反應(yīng)微顆粒的黏結(jié)力，試件的收縮量有所上升，溫縮系數(shù)的絕對值增大。

從表4還可以看出，在－10℃～10℃時試件的溫縮系數(shù)變化最明顯，其中溫度在－10℃～0℃變化時試件的溫縮系數(shù)絕對值達到最大，溫度在10℃～0℃變化時試件的溫縮系數(shù)絕對值最小。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因可能是：烘干后的試件在自然環(huán)境中吸收一部分水，所以在0℃時膨脹抵消部分收縮，但含水量很小，抵消不明顯。

第二種試驗方法是：試件養(yǎng)護完成后，均勻噴灑適量的水，使其達到最佳含水量，然后最高溫度選用15℃，最低溫度為－15℃，分為7個溫度等級，30 min降5℃的速率降溫，達到恒定溫度時，保持3h。試驗結(jié)果見表5。

從表5可以得知：在0℃～5℃過程中試件溫縮系數(shù)的絕對值減小，并出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象（溫縮系數(shù)出現(xiàn)正值），其主要原因在于，較多的自由水分在0℃結(jié)冰，抵抗了大部分的收縮；當溫度繼續(xù)下降時，毛細管水的張力可能大于顆粒間的黏結(jié)力，使得混合料急劇收縮，而結(jié)冰的膨脹體積趨于恒定，這就使得試件收縮系數(shù)的絕對值恢復(fù)到以前的狀態(tài)，并不斷增大；直到溫度降到－10℃以下時，毛細孔的水結(jié)冰發(fā)生微膨脹，試件溫縮系數(shù)的絕對值又有所減小。振動攪拌試件的溫縮系數(shù)平均值為－8．155×10－6，而普通攪拌試件的溫縮系數(shù)平均值為－11．081×10－6。

表5 最佳含水量條件下試件溫縮試驗結(jié)果

從水泥穩(wěn)定碎石混合料的溫縮系數(shù)對比中可以發(fā)現(xiàn)，振動攪拌試件的溫度收縮系數(shù)絕對值比普通攪拌試件的更小。從反應(yīng)生成物的角度分析，振動攪拌使水泥穩(wěn)定碎石混合料的均勻性得到很大改善，生成的水化產(chǎn)物的量更多，且水化產(chǎn)物均勻分布于石料表面和混合料孔隙內(nèi)，使得最薄弱的黏結(jié)部分有所增強，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更密實，因此混合料整體的協(xié)調(diào)變形能力增強，使得整體變形減小。

3 結(jié) 語

（1）干縮量不再增加時，振動攪拌試件的干縮總變形量相比普通攪拌試件的減少了約37．9%，且振動攪拌試件的總干縮系數(shù)明顯小于普通攪拌試件的總干縮系數(shù)，說明在自然條件下，相對于普通攪拌，振動攪拌技術(shù)可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗干縮性能。

（2）無論是干燥條件還是最佳含水量條件下，振動攪拌技術(shù)都可以提高水泥穩(wěn)定碎石混合料的抗溫縮性能，但在干燥條件下沒有在最佳含水量條件下的效果顯著。