大溫差荒漠區(qū)水泥穩(wěn)定砂礫材料拱脹的宏-微觀研究

王選倉，朱世煜，張夢媛，宋 亮,2，張瀟月

(1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2. 新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006)

0 引 言

新疆、內蒙、甘肅等內陸戈壁區(qū)高速公路建設近年迎來了蓬勃發(fā)展[1-2]。水泥穩(wěn)定基層作為我國主要基層結構，具有良好的力學性能[3]，但受控于大溫差、路基鹽漬化嚴重等自然因素作用，戈壁地區(qū)多地出現(xiàn)了水泥穩(wěn)定基層瀝青路面拱脹病害，嚴重影響行車舒適性及安全性[4-5]。開展水泥穩(wěn)定基層瀝青路面拱脹的宏-微觀研究，對防治內陸戈壁區(qū)乃至全國范圍類似病害具有實際意義。

國內外關于不同因素對水穩(wěn)砂礫基層拱脹研究主要集中于單因素下基層砂礫材料拱脹特性。宋亮等[6]探究不同條件下水泥穩(wěn)定基層鹽脹規(guī)律，得到了水穩(wěn)砂礫材料中硫酸鹽含量控制范圍；K.MARCI[7]明確指出多孔材料的鹽分遷移是影響其材料變形性能的主要因素之一;王軍偉[8]調研了內蒙古額濟納地區(qū)水文地質資料，對各因素下水穩(wěn)碎石材料的溫脹性能進行了研究；張海龍[9]針對內蒙古阿拉善盟額濟納地區(qū)橫向隆起現(xiàn)象，從力學角度闡述了路面橫向拱起原因；S. GENKINGER等[10]研究了溫度場對硫酸鹽晶體的影響及鹽漬土中硫酸鹽的析出特征；田秋林等[11-12]探討了基層層間結合方式對南疆地區(qū)水穩(wěn)基層拱起開裂的影響。

國內外關于大溫差及鹽漬化嚴重的戈壁內陸地區(qū)拱脹病害研究甚少，已有研究大多也集中于單因素下水泥穩(wěn)定基層鹽脹、溫脹、干縮等特性，對復雜環(huán)境下多因素對水穩(wěn)砂礫材料拱脹特性的宏觀研究相對不足，細、微觀機理更鮮有涉及。綜上，筆者基于室內試驗模擬南疆地區(qū)實際自然環(huán)境，研究設計因素和環(huán)境因素對水穩(wěn)砂礫材料拱脹影響，采用微觀手段研究水穩(wěn)砂礫材料拱脹破壞內部機理，探究影響水穩(wěn)砂礫材料膨脹的主、次要因素。

1 調查分析

拱脹病害頻發(fā)很大程度上是因為南疆獨特的地理環(huán)境，需對南疆地區(qū)氣候環(huán)境進行調查分析。

1.1 大溫差荒漠區(qū)自然環(huán)境

結合南疆地區(qū)近年來的氣象資料及文獻[13]，南疆主要地區(qū)年溫差及降雨量情況如表1，年環(huán)境濕度變化情況如表2。

表1 南疆主要地區(qū)年溫差及降雨量Table 1 Annual temperature difference and rainfall in main areas ofsouth Xinjiang

表2 南疆地區(qū)累年各月份平均濕度Table 2 Monthly average humidity in various years ofsouth Xinjiang

由表1、表2可知：各地區(qū)最低氣溫與年平均最高氣溫相差甚大，最大溫差達到59.7 ℃。各地年降雨量最大為101.8 mm，最低為47.7 mm，屬干旱少雨，且該地區(qū)平均年蒸發(fā)量為3 000 mm左右。地區(qū)濕度變化亦顯著，夏季濕度低秋冬濕度高。調查發(fā)現(xiàn)，南疆等地區(qū)年日溫差極大、光照充足、干旱少雨，這種極端天氣會影響道路使用性能誘發(fā)道路病害。

1.2 半剛性基層拱脹病害現(xiàn)狀

以南疆地區(qū)拱脹病害最為突出的高速公路(麥喀高速公路、阿喀高速公路、三莎高速公路)為依托進行拱脹調查，結果如表3。

表3 部分高速公路病害狀況Table 3 Disease status of some expressways

查閱相關資料并結合表3可知：部分公路已通車多年，除常見的道路病害外，每隔300～400 m就會出現(xiàn)橫穿路面的拱起現(xiàn)象，寬度為10～150 cm不等，高度1～6 cm不等，嚴重處路段不僅拱起，更出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。

針對統(tǒng)計的3條高速公路的拱脹病害，以模擬南疆自然環(huán)境為依托，對影響拱脹的因素進行探究。以期從源頭解決拱脹病害，最大程度上保證道路發(fā)揮全壽命使用周期。

2 原材料與試驗方案

2.1 原材料

2.1.1 水 泥

水泥采用P.C 32.5，按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中相關規(guī)定對其進行檢測，技術指標見表4。

表4 水泥技術指標Table 4 Technical index of cement

2.1.2 集 料

集料選用南疆地區(qū)代表性礫石材料，技術標準同2.1.1節(jié)，技術指標如表5。

表5 礫石材料技術指標表Table 5 Technical index of gravel material technology

2.1.3 試驗用水

對病害路段沿線地表水取樣進行易溶鹽檢測，結果如表6。

表6 病害路段沿線地表水檢測結果Table 6 Detection results of surface water along the diseased roadsection

由表6可知：該水樣硫酸鹽的含量為3 526 mg/L,不符合JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》要求，不能直接作為工程用水。試驗用水不采用沿線地表水，采用日常飲用水。

2.2 設計級配

依據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》中水泥穩(wěn)定級配礫石的推薦級配范圍，設計得到骨架密實、懸浮密實的水穩(wěn)砂礫基層合成級配。依據文獻[14]提出的骨架孔隙水穩(wěn)基層級配范圍，設計出骨架空隙型的水泥穩(wěn)定砂礫基層合成級配，所有級配如表7。

表7 合成級配集料通過百分率Table 7 Passing percentage of composite graded aggregate %

2.3 研究方案

根據現(xiàn)有資料對于水穩(wěn)基層材料拱脹性能因素的研究，并結合南疆地區(qū)溫差大，氣候多變，降雨量較少等自然因素。擬進一步探究各因素下水泥穩(wěn)定砂礫材料室內拱脹性能，測量溫度變化情況下試件拱脹量，并結合半剛性基層材料收縮性評價方法，計算試件在各溫度區(qū)間的膨脹系數(shù)。

2.3.1 試件制備

水泥采用P.C 32.5,集料選用南疆地區(qū)代表性礫石材料，采用日常飲用水，級配分別采用骨架密實、骨架空隙、懸浮密實3種類型配制。試件為100 mm×100 mm×400 mm小梁試件，靜壓法成型，壓實度為98%，采用7 d濕法養(yǎng)生。

2.3.2 宏觀試驗

采用控制變量法探究試件級配類型、水泥劑量、硫酸鹽含量、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度等因素對試件拱脹影響。具體試驗設計方案如下：

1)級配類型

選取骨架密實、懸浮密實、骨架空隙3種級配類型成型試件進行拱脹試驗。

2)水泥劑量

為減小級配類型對水穩(wěn)材料拱脹程度的影響，試件制備級配類型采用骨架空隙型。試驗規(guī)程參照JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》，并查閱南疆相關地質資料，綜合考慮，采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%共6個水泥摻量(質量百分比)進行水泥穩(wěn)定基層拱脹試驗。

3)環(huán)境濕度

為減小其他試驗因素對試驗結果的影響，級配采用骨架空隙類型，水泥劑量為4.5%。結合現(xiàn)有研究成果及文獻[4]，研究環(huán)境濕度在20%、40%、60%、80%這4個水平下水泥穩(wěn)定砂礫材料拱脹特性。

4)硫酸鹽含量

為減少級配類型、水泥劑量對混合料膨脹性影響，級配類型采用骨架空隙結構，水泥劑量為4.5%。

結合南疆阿喀和三莎高速公路路面基層芯樣易溶鹽含量檢測情況[15](基層硫酸鹽含量遠超規(guī)范規(guī)要求)，制備硫酸鹽(無水硫酸鈉)含量(質量百分比)分別為0%，0.2%，0.4%，0.8%，1.0%共5個梯度進行水泥穩(wěn)定砂礫混合料拱脹試驗。

環(huán)境模擬采用廣東艾思荔公司的DTH-80DH可編程式恒溫恒濕試驗箱，試驗箱模擬溫度范圍為-20～150 ℃，溫度控制精度為±0.2 ℃，濕度范圍0%～100%，相對濕度誤差±2.5%。試件變形量監(jiān)測采用深圳米諾公司的XHZ-1505電阻式位移計，位移計量程50 mm，分辨率小于0.05 mm。數(shù)據采集采用南京巨航公司的EY214靜態(tài)應變測試系統(tǒng)。

試驗中，通過調節(jié)可程式恒溫恒濕試驗箱溫度值達到模擬要求。查閱相關文獻并考慮南疆地區(qū)日溫差、年溫差較大等自然因素，將試驗溫度區(qū)間暫定為-10 ℃～60 ℃，試驗中溫度變化如圖1。

圖1 試驗溫度變化Fig. 1 Test temperature change chart

2.3.3 微觀試驗

為進一步探究水穩(wěn)砂礫材料內部拱脹變化機理，通過SEM對比不同含鹽量及水泥劑量的材料拱脹微觀結構，并采用工業(yè)CT掃描手段分析溫度大小及不同含鹽量對其影響，以此來探究水穩(wěn)砂礫材料拱脹的內在劣化機理。

3 結果與分析

3.1 宏觀試驗分析

3.1.1 級配類型

根據恒溫恒濕箱設定的升溫曲線，測定不同級配水穩(wěn)砂礫混合料膨脹量，將數(shù)據進行整理分類并計算其膨脹系數(shù)[16]，結果如圖2。

圖2 不同級配類型的試件拱脹量及膨脹系數(shù)Fig. 2 Arch expansion and volume expansion coefficient ofspecimens of different gradation types

由圖2可知：級配類型對水穩(wěn)砂礫混合料膨脹變形影響較為顯著，不同級配類型成型基層試件拱脹量變化具有相似性。不同級配類型的水穩(wěn)砂礫混合料膨脹系數(shù)從小到大依次為: 骨架空隙、骨架密實、懸浮密實。在-10～30 ℃，各試件拱脹量上升趨勢較為緩慢，在30～40 ℃，上升最為劇烈，此時材料膨脹系數(shù)上升也最為迅速。溫度繼續(xù)上升至40 ℃后，試件拱脹量雖有上升，但膨脹系數(shù)下降。

結合表7中懸浮密實級配的細集料含量為40.5%、骨架密實級配的細集料含量為27.3%、骨架空隙級配的細集料含量為12.5%?？烧J為水泥劑量一定時，混合料的膨脹性取決于集料膨脹性，當集料中粗料較多時，原生礦物含量就較高，且原生礦物較其他混合料組成膨脹性小。再結合級配可知，懸浮密實型級配中的細集料含量遠大于骨架性級配，隨著溫度上升，細集料間的嵌擠作用相對較小，其受熱膨脹所受約束減弱，導致混合料體積膨脹，水穩(wěn)砂礫基層發(fā)生拱脹。溫度進一步上升時，膨脹應力雖增大，但混合料中細集料已膨脹到一定程度，混合料對細集料產生更大的約束，抑制了材料膨脹變形速率。

3.1.2 水泥劑量

測定不同水泥劑量的水穩(wěn)砂礫材料膨脹量，并計算其膨脹系數(shù)，結果如圖3。

圖3 不同水泥劑量下試件的拱脹量及膨脹系數(shù)Fig. 3 Arch expansion volume and expansion coefficient of specimensat different cement dosages

由圖3可知：級配類型相同時，水穩(wěn)基層拱脹量及熱膨脹系數(shù)隨溫度的上升呈非線性增加，水泥劑量對水穩(wěn)砂礫混合料膨脹變形影響顯著。在-10～10 ℃時，拱脹量隨溫度上升趨勢較緩，當溫度區(qū)間在30～40 ℃時，材料拱脹量增長最為快速。溫度繼續(xù)上升，各試件拱脹量增加變緩，膨脹系數(shù)降低。

究其原因，當水泥劑量一定，溫度較低時，混合料內部的溫度應力較低，水泥的水化和脫水過程不充分，水泥的熱膨脹系數(shù)增加較緩。水泥穩(wěn)定砂礫材料膨脹性很大程度上取決與水泥和集料的熱膨脹率，且水泥的膨脹率大于集料的膨脹率，集料礦物成分的熱膨脹系數(shù)較水泥小，此時集料對水泥的膨脹有抑制作用，混合料拱脹量較小。當溫度上升時，水泥的熱膨脹系數(shù)增加，水泥水化反應劇烈，水泥膨脹充分，此時水泥對集料的膠結作用減弱，集料作為整體可能會發(fā)生相對位移，混合料整體膨脹量加大。

當溫度一定且水泥穩(wěn)定砂礫混合料體積給定時，漿集比(水泥砂漿和集料之比)一經給定，水泥砂漿及集料的體積含量也一并確定，由于集料的膨脹率小于水泥，集料對水泥膨脹起到抑制作用。當水泥劑量增大(漿集比增大)，集料的相對體積變小，對水泥膨脹性能減弱。故在相同的溫度下，混合料拱脹量和水泥膨脹系數(shù)隨著水泥劑量的增加而增加。

3.1.3 環(huán)境濕度及含鹽量

設定了5個等級含鹽量，4個水平環(huán)境濕度。不同含鹽量的水穩(wěn)材料試件拱脹量如圖4，不同濕度下的試件拱脹量如圖5。

圖4 不同含鹽量下試件拱脹量Fig. 4 Arch expansion volume of specimen under different salt contents

由圖4可知：

1)不同濕度下水穩(wěn)砂礫材料膨脹量均隨溫度的增長而呈正相關，變化趨勢具有一致性和區(qū)分度。

2)在-10～0 ℃時，各水穩(wěn)試件拱脹量均為負值；在0～40 ℃時，試件拱脹量隨溫度呈非線性增加；溫度繼續(xù)上升時，試件膨脹量增長趨勢減緩，30～40 ℃溫度區(qū)間各試件拱脹量增長最快。

究其原因[17]，當溫度區(qū)間在-10～0 ℃時，Na2SO4的溶解度迅速下降，Na2SO4·10H2O晶體析出體積增大，導致水泥穩(wěn)定材料內部應力增大，引起試件鹽脹變形；當溫度繼續(xù)上升至0 ℃時，水泥穩(wěn)定材料中的Na2SO4·10H2O晶體逐漸溶解，晶體體積減小抵消了溫脹作用，此階段各試件拱脹量出現(xiàn)負值；溫度繼續(xù)升高，溫脹作用持續(xù)增強，硫酸鹽隨溫度上升在水中的溶解度發(fā)生變化，當溫度上升至32.4 ℃時溶解度達到最高，并會以Na2SO4·10H2O 和無水Na2SO4兩種形式結晶析出[18]，故30～40 ℃這一溫度區(qū)間中各試件拱脹最為劇烈。溫度繼續(xù)上升時，硫酸鹽更多以無水Na2SO4的形式析出，對試件體積膨脹作用減弱。

圖5 不同環(huán)境濕度下試件拱脹量變化Fig. 5 Variation of arch expansion of specimens under differenthumidity

由圖5可知：當含鹽量為0%時，環(huán)境濕度為20%時拱脹量為252 μm，環(huán)境濕度為40%時拱脹量為254 μm，兩者相差無幾。當含鹽量為0.2%、環(huán)境濕度為80%時，試件拱脹量較環(huán)境濕度為40%時減少。環(huán)境濕度為80%時，含鹽量為0.8%的試件拱脹量較含鹽量0%及0.2%時試件有大幅度提升。

綜上，當含鹽量達0.8%后，鹽脹作用才較顯著；此外，環(huán)境濕度較高時，其對試件拱脹量的影響才初步體現(xiàn)。

究其原因，環(huán)境濕度較高時，硫酸鹽有充足的自由水與之結合，并形成結晶析出混合料體積膨脹，導致試件產生拱脹。對比含鹽量分別為0%、0.8%的試件拱脹量，后者較前者增幅較為顯著，表明高含鹽量對試件拱脹程度影響較為明顯，鹽脹作用在整個試件拱脹過程不可忽略。

3.2 微觀試驗分析

拱脹病害多為材料內部某部位應力集中體現(xiàn)，需結合細觀及微觀方法進一步分析水穩(wěn)砂礫材料內部拱脹特性。

3.2.1 掃描電鏡(SEM)

通過SEM放大不同試件至1 000、5 000倍，如圖6。

圖6 不同含鹽量的SEM圖Fig. 6 SEM images of different salt contents

1)含鹽量影響

由圖6(a)、(b)可知：放大倍數(shù)為1 000時，區(qū)域內均存在不規(guī)則Na2SO4·10H2O結晶多邊體，相對于0.4%含鹽量的SEM電鏡圖像，0.8%含鹽量的圖像中存在更多結晶多邊體結構。這說明，高含鹽量材料會產生更多的Na2SO4·10H2O結晶體，并依附在集料表面，導致集料局部體積膨脹，此類情況在高含鹽量的水穩(wěn)砂礫材料溫度升高后更為突出。

由圖6(c)、(d)可知：放大倍數(shù)為5 000倍時，圖6(c)中內部基本不存在不規(guī)則多邊體，而圖6(d)中存在較多的不規(guī)則多邊體。這說明當含鹽量小于等于0.2%時，Na2SO4·10H2O結晶對水泥穩(wěn)定基層材料的拱脹性能的影響相對較小。

2)水泥劑量影響

含鹽量為0.4%，水泥劑量分別為4.0%、5.0%、6.0%的試件放大10 000倍后如圖7。

圖7 不同水泥劑量的SEM圖Fig. 7 SEM images of different cement dosages

圖7中針棒狀物質為水泥水化產物鈣礬石，團簇狀物質為C-S-H膠凝材料，規(guī)則球體為未水化的水泥顆粒。隨著水泥劑量的上升，鈣礬石和C-S-H膠凝材料數(shù)量不斷增加，未水化的水泥顆粒數(shù)量逐步增加，進而孔隙率逐漸減小，水穩(wěn)砂礫材料試件密實度逐步增大，試件內空氣含量減少?？諝馐菬岬臉O不良導體，空氣含量減少及水泥劑量的增加整體提高了試件的導熱系數(shù)，進一步加劇水穩(wěn)砂礫材料試件在溫度變化過程中縱向變形。

3.2.2 CT掃描

為進一步探究溫度變化對試件拱脹影響，對CT掃描圖像中孔隙率進行精確計算，利用MATLAB軟件對圖像進行預處理，并對圖像進行反相處理，進一步提升空隙和砂漿的對比度，再對其進行閾值分割，通過灰度分布直方圖，發(fā)現(xiàn)空隙相的灰度集中在190～255間，在目標區(qū)域(AOI)范圍內對圖像進行閾值分割，最后利用Imagepro軟件對空隙面積進行統(tǒng)計，分析其孔隙率。計算含鹽量分別為0%、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%時試件的5個斷面在各溫度下孔隙率的變化，如圖8。

由圖8可知：試件溫度從-10 ℃上升至0 ℃時，斷面孔隙面積減少，孔隙率降低。這主要是由于當溫度低于0 ℃時，材料孔隙水結冰，孔隙堵塞導致孔隙面積減小，一定程度上抑制了硫酸根離子的運輸，鹽脹作用較弱，其次結合圖6(d)可知，鹽脹是因析出Na2SO4·10H2O結晶多邊體，依附在集料表面導致集料局部膨脹。

圖8 各溫度下不同含鹽量試件的孔隙Fig. 8 Porosity of specimens with different salt content atdifferent temperatures

溫度從-10 ℃上升至0 ℃時，結晶體受熱逐步溶解，試件拱脹程度降低孔隙減小，且此溫度區(qū)間溫度較低，溫脹作用亦較弱。溫度由0 ℃上升至30 ℃，此溫度區(qū)間斷面孔隙增多，孔隙面積出現(xiàn)增大，拱脹進一步發(fā)展。當試件溫度從30 ℃上升至40 ℃時，孔隙明顯增多，孔隙率增幅亦顯著。溫度進一步上升時，孔隙增長趨勢變緩，孔隙率增長幅度亦減緩。對比不含鹽試件及含鹽量為0.8%的試件，后者試件孔隙率較前者在各階段有一定程度提高，其中30～40 ℃相差最為明顯。一定程度上表明鹽脹作用在試件拱脹發(fā)展的各個階段不可忽略，且鹽含量越高，其作用越明顯。

4 結 論

以探究大溫差荒漠區(qū)水泥穩(wěn)定基層瀝青路面拱脹因素為目的，通過對水穩(wěn)砂礫材料的宏-微觀試驗，進一步明確了綜合因素作用下拱脹發(fā)生機理，得出以下結論：

1)級配類型及水泥劑量對水穩(wěn)砂礫材料拱脹量影響較大。懸浮密實結構的水泥穩(wěn)定砂礫混合料膨脹量最大，骨架密實次之，骨架空隙最小，隨著水泥劑量的提高，材料試件拱脹量增大。故在大溫差荒漠區(qū)等鹽漬嚴重地區(qū)，級配推薦采用骨架空隙結構，水泥劑量在滿足基層強度的情況下，其含量4%為宜。

2)水泥穩(wěn)定砂礫材料拱脹主要發(fā)生在30～40 ℃，此階段拱脹以溫脹為主，鹽脹亦有涉及，且不可忽略。溫度區(qū)間在-10～0 ℃時，水泥穩(wěn)定材料中Na2SO4·10H2O晶體逐漸溶解，抵消了微弱的溫脹作用，故此階段各試件拱脹量出現(xiàn)負值。

3)低含鹽量及環(huán)境濕度對水泥穩(wěn)定基層試件拱脹量影響并不顯著。當含鹽量0.8%時，含鹽量才逐漸影響材料拱脹，且隨著含鹽量增加，試件拱脹程度加劇。

4)CT掃描圖像的斷面孔隙率變化，驗證了在-10～0 ℃這一溫度區(qū)間，Na2SO4·10H2O晶體的溶解作用大于溫脹作用，且進一步說明30～40 ℃是材料拱脹發(fā)生最為劇烈的溫度區(qū)間。