韓 龍 張兆華 李世軍

(青海省湟源公路工程建設(shè)有限公司 西寧 810000)

0 引言

相較于柔性基層，水泥穩(wěn)定碎石基層具有強(qiáng)度及剛度大、整體性與穩(wěn)定性好、彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，不僅能夠承受較大載荷，且在大載荷作用下的彎沉值也相對(duì)較小。但其受環(huán)境氣候影響較大，特別是高寒地區(qū)的高濕度及低溫度，易使水泥穩(wěn)定基層出現(xiàn)開裂、凍脹、翻漿等病害[3]，造成道路使用壽命的大幅度下降。

我國(guó)高寒地區(qū)分布較為廣泛，主要位于西北、西南及東北等地，高寒地區(qū)的明顯特征為冬季晝夜溫差較大、冬季寒冷且干燥、存在季節(jié)性的凍融作用，造成水泥穩(wěn)定碎石基層易發(fā)生開裂及凍融損害，隨著近幾年極端天氣出現(xiàn)次數(shù)的增加，給水泥穩(wěn)定碎石基層在高寒地區(qū)的應(yīng)用帶來了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4]。

劉超等[5]認(rèn)為水分的存在是導(dǎo)致高寒地區(qū)冬季水泥穩(wěn)定碎石基層損傷的重要原因，并采用覆蓋土工布、塑料薄膜、灑瀝青透層油等措施來改善水泥穩(wěn)定碎石基層的抗凍性。 李強(qiáng)等[6]探討了再生集料用作水泥穩(wěn)定碎石基層集料的可能性，并研究了摻量對(duì)其性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生集料的使用對(duì)其力學(xué)性能有積極影響，但同時(shí)也會(huì)劣化其抗收縮性能。另外，再生集料摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層性能有顯著性影響。陳玉宏等[7-8]嘗試將水鎂石纖維加入水泥穩(wěn)定再生粗集料基層以改善再生基層材料路用性能，其控制水鎂石纖維和水泥的摻量作為關(guān)鍵變量，進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)。結(jié)果表明：4%為水鎂石纖維摻量的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)摻量大于等于4%時(shí),其增長(zhǎng)速度相對(duì)緩慢。而后，他們將水鎂石纖維水泥穩(wěn)定再生粗集料技術(shù)應(yīng)用安高速中，發(fā)現(xiàn)水鎂石纖維能夠大幅提高水泥穩(wěn)定再生集料基層材料抗裂性能，其性能價(jià)格比是普通基層材料的1.7倍，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。梁春雨等[9]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)集料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層的抗凍性能有不利影響。盛燕萍等[10]將水鎂石纖維加入水泥穩(wěn)定類基層，通過調(diào)查其抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、收縮特性以及抗凍性能來研究其在高寒地區(qū)的適用性。發(fā)現(xiàn)復(fù)摻水鎂石纖維與基層早強(qiáng)劑，既能有效保證高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度，又能避免基層在干燥氣候中的收縮開裂和在低溫、變溫環(huán)境中的溫度開裂。Xu等[11]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)性能有顯著影響。上述研究表明：在高寒地區(qū)，水分及凍融循環(huán)的存在顯著劣化了水泥穩(wěn)定碎石基層的性能；同時(shí)，借助摻加纖維、覆蓋土工布等方式可在一定程度上改善水泥穩(wěn)定碎石基層的性能。

基于此，本文分析了水泥穩(wěn)定碎石基層的開裂機(jī)理，介紹了影響抗裂性能的因素，在此基礎(chǔ)上討論了影響抗凍性能的因素及相應(yīng)的防治措施，剖析了現(xiàn)有研究存在的問題，以期為高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層的研究與應(yīng)用提供有益參考。

1 水泥穩(wěn)定碎石基層開裂機(jī)理

1.1 干燥收縮

水泥穩(wěn)定碎石基層在鋪筑時(shí)，由于內(nèi)部發(fā)生水分蒸發(fā)以及水化作用，導(dǎo)致水分含量的不斷降低。隨著水分的不斷減少，漿體內(nèi)會(huì)發(fā)生吸附作用，從而引起基層體積的收縮，由這一現(xiàn)象所造成的裂縫即為干縮裂縫，若這一現(xiàn)象發(fā)生在攤鋪之前，則非常容易引起橫向裂縫[12-13]。

1.1.1 毛細(xì)管張力作用

基層中的水分由于毛細(xì)管現(xiàn)象而存在凹液面，并且液面高度的不同會(huì)產(chǎn)生壓力差。隨著基層內(nèi)水分的不斷減少，液壓差不斷增加。由于毛細(xì)管內(nèi)液面的下降，其彎曲半徑也隨之減小，毛細(xì)管壁所受壓力增加而引起收縮，從而導(dǎo)致基層的干燥收縮，該現(xiàn)象為引起干燥收縮的主要因素。

1.1.2 吸附水及分子間作用力

由于毛細(xì)管作用的持續(xù)進(jìn)行，基層間的吸附水不斷減少，引起分子間的距離也不斷縮小，造成分子間的相互作用力隨之增大，分子表現(xiàn)為相互吸引，宏觀表現(xiàn)為收縮；依據(jù)最小表面能原理，自由水在基層表面運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生“尖劈”作用，基層內(nèi)的膠結(jié)物會(huì)發(fā)生膨脹，隨著自由水的不斷消失，“尖劈”作用也會(huì)不斷減弱，基層發(fā)生收縮現(xiàn)象。

1.1.3 層間水作用

基層內(nèi)的顯微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為非晶體及層狀晶體，層間存在著自由水，由于自由水隨著蒸發(fā)或毛細(xì)管作用而不斷減少，層間距也隨之減少，宏觀表現(xiàn)為收縮。

1.1.4 碳化脫水作用

基層內(nèi)的二氧化碳與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，從而生成水及碳酸鈣，基層隨著水分含量不斷減少而引起收縮的現(xiàn)象為碳化脫水。

1.2 溫度收縮

基層中固、液、氣三相隨溫度降低而產(chǎn)生收縮的現(xiàn)象稱為溫度收縮，溫縮系數(shù)相對(duì)較大的細(xì)顆粒是引起溫度收縮的主要原因。微觀上，基層由晶體及非晶體所構(gòu)成，晶間存在著固定的相互作用力，而溫度的變化會(huì)改變晶間的距離及相互作用力?；旌狭习l(fā)生水化反應(yīng)時(shí)放出大量的熱，內(nèi)部溫度短暫上升，基層內(nèi)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象；隨著反應(yīng)熱的逐漸釋放完成，環(huán)境溫度相對(duì)較低從而基層出現(xiàn)了冷縮，內(nèi)熱外縮使得基層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超出極限強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)[14-15]。

相比于普通地區(qū)，高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層受凍融循環(huán)作用，導(dǎo)致層間水體積膨脹，加劇水泥穩(wěn)定碎石基層開裂。

2 抗裂性能影響因素

影響水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能的因素主要包括材料因素、級(jí)配及成型方式、外加劑、施工及養(yǎng)生原因等。

2.1 材料因素

施工中水泥會(huì)產(chǎn)生水化熱，并造成混合料內(nèi)部溫度的升高。當(dāng)環(huán)境溫度相對(duì)較低時(shí)，外部環(huán)境與混合料之間的溫度差較大，導(dǎo)致溫縮裂縫的產(chǎn)生，使得抗裂性能下降[16]。

2.2 級(jí)配及成型方式

當(dāng)混合料中細(xì)集料過多時(shí)，增大了混合料中顆粒的比表面積，從而引起顆粒吸收的水分增加。導(dǎo)致混合料內(nèi)的水分減少，基層后期非常容易出現(xiàn)裂縫，從而降低基層的抗裂性能[17]。

沙愛民等[18]通過試驗(yàn)對(duì)比得出，相較于懸浮密實(shí)基層，骨架密實(shí)基層具有更優(yōu)異的抗沖刷及抗裂性能；黃會(huì)明[19]研究了不同配合比對(duì)基層抗裂性能的影響，并對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化；王艷等[20]發(fā)現(xiàn)水泥劑量偏低且粗集料較多時(shí)，可降低混合料的溫縮系數(shù)及溫縮應(yīng)變；黃興等[21]發(fā)現(xiàn)，基層的抗收縮能力隨細(xì)集料含量的下降而上升。

李立寒等[22]采用不同成型方法制得試件進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相較于靜壓法成型，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型得到的試件具有更好的力學(xué)性能；李金京等[23]采用GTM法得到基層的力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的振動(dòng)成型的基層；張丙炎[24]研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)成型法可以真實(shí)的反應(yīng)基層的各項(xiàng)性能且試驗(yàn)的結(jié)果非常精確。

2.3 外摻物

熊銳等[25]通過向基層中加入自主研發(fā)的SES-I型超早強(qiáng)劑來提高基層的力學(xué)性能；李飛等[26]通過加入鋼渣使得基層的抗裂性能得到改善;何小兵等[27]通過加入柔性纖維來提高基層的抗裂能力；楊紅輝等[28]借助聚丙烯纖維以提升基層的抗裂性能及力學(xué)性能；李艷春等[29]通過加入聚丙烯纖維及膨脹劑以改善基層的抗裂性能；楊明等[30]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基層中摻入玄武巖纖維量低于1%時(shí)，溫縮抗裂系數(shù)隨纖維摻量增高而提升，且水泥摻量為4%時(shí)，溫縮抗裂系數(shù)最高。

2.4 施工

(1)集料參數(shù)在計(jì)算時(shí)不夠精確，導(dǎo)致級(jí)配不穩(wěn)定；

(2)設(shè)備易出現(xiàn)故障或性能較差，導(dǎo)致拌和過程中混合料質(zhì)量的降低；

(3)混合料的運(yùn)輸過程未采取覆蓋措施，導(dǎo)致大量水分蒸發(fā)；

(4)碾壓時(shí)間大于水泥的凝結(jié)時(shí)間，易導(dǎo)致基層發(fā)生開裂。

2.5 養(yǎng)生

施工結(jié)束之后，沒有立即對(duì)基層養(yǎng)生或沒有進(jìn)行頂起養(yǎng)生，使得基層長(zhǎng)期處于寒冷條件下，混合料水分易流失，造成路面開裂[16]。

3 凍融損傷機(jī)理

3.1 靜水壓理論

1949年,Powers教授提出靜水壓理論，其主要內(nèi)容為：①隨溫度降低，混凝土試件中的自由水會(huì)發(fā)生凍結(jié)，試件處于負(fù)溫度環(huán)境內(nèi)從而導(dǎo)致凍結(jié)作用的產(chǎn)生。②表層水凝固成冰后，體積快速膨脹，內(nèi)部未凝固成冰的自由水通過毛細(xì)孔進(jìn)入到飽和度相對(duì)較小的試件內(nèi)部。③冰的體積隨溫度繼續(xù)降低持續(xù)增大，留給自由水的空間逐漸減小，毛細(xì)孔內(nèi)的壓力不斷增大，從而轉(zhuǎn)變成為試件內(nèi)的拉應(yīng)力。④壓力值達(dá)一定程度時(shí)，試件內(nèi)部拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度的值域時(shí)，試件內(nèi)的毛細(xì)孔會(huì)遭到破壞，從而產(chǎn)生細(xì)小裂紋，發(fā)生凍融破壞[31-33]。

3.2 滲透壓理論

Powers及Helmuth就凍融破壞的機(jī)理提出了滲透壓理論。該理論內(nèi)容為：負(fù)溫度環(huán)境下，孔隙內(nèi)的部分溶液隨溫度下降凝固成冰，這一現(xiàn)象使得溶液自身濃度上升，孔徑不同的孔隙之間存在濃度差；隨著溫度持續(xù)下降冰的體積持續(xù)膨脹，未凝固成冰的溶液擠壓毛細(xì)孔壁，在壓力及濃度差的相互作用下，試件內(nèi)部出現(xiàn)滲透壓，導(dǎo)致未凝固的溶液趨于向孔徑較大的毛細(xì)孔內(nèi)移動(dòng)，試件發(fā)生凍融破壞[34-35]。

3.3 Litvan G.G.的補(bǔ)充理論

Litvanl G.G.教授于1972年提出了自己的看法，其主要內(nèi)容為：當(dāng)自由水吸附于多孔物質(zhì)的表面且未發(fā)生壓力的重新分時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)，從而不發(fā)生破壞。但實(shí)際上，試件內(nèi)部自由水會(huì)產(chǎn)生的蒸氣壓，內(nèi)部壓力不均使得蒸氣壓發(fā)生遷移，蒸氣壓的移動(dòng)趨向于自由水凝固成冰的地方并會(huì)在裂縫中聚集，致使裂縫逐漸增大，試件發(fā)生破壞[36]。

3.4 溫度應(yīng)力理論

Mihta P.K.于1992年提出該理論，主要內(nèi)容為：骨料的熱膨脹系數(shù)及膠凝材料的差異會(huì)導(dǎo)致高性能混凝土試件出現(xiàn)凍融破壞現(xiàn)象。負(fù)溫度環(huán)境下，兩種材料發(fā)生了非協(xié)同變形，導(dǎo)致試件內(nèi)部的膠凝材料與骨料檢出面出現(xiàn)了溫度應(yīng)力及裂縫，從而使得試件性質(zhì)劣化，產(chǎn)生凍融破壞現(xiàn)象[37]。

3.5 微冰晶抽吸理論

Setzer M.J.于2001年提出該理論，主要內(nèi)容為：凍融循環(huán)可視為泵，凍結(jié)作用使得漿體內(nèi)部發(fā)生了抽吸運(yùn)動(dòng)。在負(fù)溫度環(huán)境下，存在于凝膠體內(nèi)的自由水被擠出膠體內(nèi)部，于表層形成冰晶且不可逆，從而導(dǎo)致試件發(fā)生破壞[38]。

4 抗凍性能影響因素

4.1 水泥用量

在成型方式及級(jí)配均相同的情況下，隨水泥用量的提升，基層內(nèi)部的孔隙得到填充，增大了膠凝材料與砂礫的有效接觸面積，可有效阻止水的侵蝕，從而減少水分導(dǎo)致的膨脹損傷，進(jìn)而降低基層的凍融損傷，推薦水泥最佳用量為4%～6%。

4.2 配合比

在水泥用量及成型方式相同的條件下，隨著細(xì)集料的增加，基層內(nèi)部的孔隙被有效填充，以控制微裂紋的產(chǎn)生，從而降低水分對(duì)基層的侵蝕，使基層的抗凍融性能得以提升，因此偏細(xì)級(jí)配的基層具有更好的抗凍融破壞的性能。

4.3 成型方式

靜壓成型方式的缺點(diǎn)為：在機(jī)械作用下，粗細(xì)集料之間的互相堆積，混合并不均勻，且易造成大骨料的損傷，導(dǎo)致基層原始損傷增多，凍融環(huán)境下強(qiáng)度衰減較快。相較于靜壓成型，振動(dòng)成型的成型方式為：在機(jī)械振動(dòng)作用下，砂礫受迫運(yùn)動(dòng)使得大骨料互相嵌擠，小骨料填充孔隙，使得整體更加密實(shí)，從而有效提高基層的抗凍性能[2]。

4.4 外加劑

熊銳等[25]通過加入超早強(qiáng)劑，以改善基層微觀結(jié)構(gòu)，從而提升其在負(fù)溫度環(huán)境下的耐久性；馬士賓等[39]研究發(fā)現(xiàn)基層的凍融質(zhì)量損失率隨早強(qiáng)劑摻量的增加不斷下降；盛燕萍等[10]通過在基層中加入水鎂石礦物纖維及早強(qiáng)劑，改善了水泥穩(wěn)定碎石基層的耐久性及物理力學(xué)性能，且水鎂石纖維摻量為4%時(shí)，基層的抗凍性能最佳；林敏等[40]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥含量為5%時(shí)，基層中以早強(qiáng)劑替代水泥可有效降低其吸水率，從而使得抗凍性能得到改善，且早強(qiáng)劑為16%時(shí)抗凍性能最佳。

這是因?yàn)樵鐝?qiáng)劑的加入有利于水泥水化產(chǎn)物的形成，進(jìn)而壓縮水泥穩(wěn)定碎石體系中的空隙，從而提高其抗凍性能；同時(shí)，水鎂石纖維的加入可在水泥穩(wěn)定碎石體系中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其抗凍性能并阻止裂縫擴(kuò)展，如圖1所示[41]。

4.5 級(jí)配方式

劉昌忠[42]發(fā)現(xiàn)水泥含量越低水泥穩(wěn)定碎石凍融穩(wěn)定性越差。彭波等[43]發(fā)現(xiàn)，相較于中值級(jí)配，推薦級(jí)配的抗凍性能更為優(yōu)異，且水泥摻量為3%時(shí)，基層的路用性能最佳。路文琴[44]研究發(fā)現(xiàn)，骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的基層具有較好的抗凍及抗裂性能，并指出寒冷地區(qū)最佳水泥用量應(yīng)控制在4%～6%。

圖1 水鎂石纖維與早強(qiáng)劑增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石機(jī)理

5 結(jié)論與展望

本文分析了水泥穩(wěn)定碎石基層的開裂機(jī)理，介紹了抗裂性能的影響因素，在此基礎(chǔ)上討論了影響抗凍性能的因素及防治措施，剖析了現(xiàn)有研究存在的問題，以期為高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層研究與應(yīng)用提供有益參考，所得結(jié)論如下：

(1)相較于普通地區(qū)，高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層受凍融循環(huán)作用，導(dǎo)致層間水體積膨脹，加劇水泥穩(wěn)定碎石基層開裂。

(2)摻加纖維是改善高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層性能的有效措施之一。

(3)高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層在多變環(huán)境因素與交通荷載共同作用下，耐久性隨時(shí)空演化而不斷劣化。如何提出適用性良好的評(píng)價(jià)方法，并從材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化等方面提升其耐久性，則是下一步值得深入探究的問題。