水泥穩(wěn)定碎石底基層長齡期耐久性試驗(yàn)檢測與指標(biāo)評價(jià)

摘要 文章首先針對新型材料生態(tài)水泥展開分析，對復(fù)合水泥、普硅水泥、礦渣水泥的長齡期、耐久性能進(jìn)行比較，通過摻入不同型號水泥，對相同混合料級配與劑量、攪拌設(shè)備、施工工藝鋪筑的水穩(wěn)底基層試驗(yàn)段展開研究，確定摻不同型號水泥的穩(wěn)定混合料長齡期各項(xiàng)性能指標(biāo)，尋找不同結(jié)合料穩(wěn)定碎石的性能變化規(guī)律，通過對比，優(yōu)化生態(tài)水泥生產(chǎn)，最終確定了抗沖刷性能、溫縮、干縮等長齡期耐久性指標(biāo)。

關(guān)鍵詞 水泥穩(wěn)定碎石；底基層；耐久性；試驗(yàn)檢測；指標(biāo)評價(jià)

中圖分類號 U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0173-03

0 引言

目前對于水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層長齡期耐久性能的指標(biāo)還未有明確的描述與定義?，F(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20—2015）中4.1.10條文中用于基層的無機(jī)結(jié)合穩(wěn)定材料，提出當(dāng)強(qiáng)度滿足要求時(shí)尚宜檢驗(yàn)其抗沖刷和抗裂性能。但條文只提到需要檢驗(yàn)，對具體定性或定量的標(biāo)準(zhǔn)并未給出。

1 研究背景

水穩(wěn)底基層耐久性評價(jià)指標(biāo)科研項(xiàng)目依托于山西省昔陽段至榆次段高速公路路面工程，由山西省昔陽段至榆次段高速公路技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)具體組織實(shí)施。山西省昔陽段至榆次段高速公路路面工程水穩(wěn)底基層于2022年8月開始進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑，在后期跟蹤檢查中發(fā)現(xiàn)，部分路段出現(xiàn)平均間距30～50 m的橫向裂縫，縫寬1～5 mm不等。昔榆高速項(xiàng)目組高度重視裂縫問題，聯(lián)合技術(shù)咨詢專家組，對底基層橫縫可能的成因進(jìn)行全面分析，通過施工過程追溯、專家組進(jìn)一步研判，初步分析可能與水泥穩(wěn)定混合料自身特性以及國慶期間晝夜溫差大引起的溫縮有關(guān)。為提升高速公路路面（底）基層整體質(zhì)量，防治裂縫的發(fā)生、發(fā)展，消除后續(xù)運(yùn)營過程中的質(zhì)量隱患，科研機(jī)構(gòu)會同正在建設(shè)的山西省昔陽段至榆次段高速公路施工項(xiàng)目部，通過鋪筑基層試驗(yàn)段及室內(nèi)試驗(yàn)對比，研究水泥穩(wěn)定混合料的長齡期各項(xiàng)性能指標(biāo)，減少和消除水穩(wěn)（底）基層裂縫的有效措施。

2 項(xiàng)目研究的創(chuàng)新點(diǎn)

新型材料生態(tài)水泥目前未制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以暫且執(zhí)行《道路基層用緩凝水泥》（GB/T 35162—2017）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，由于要符合該標(biāo)準(zhǔn)初凝時(shí)間不小于300 min，水泥中參加了較多的硫化物用以調(diào)整凝結(jié)時(shí)間，一是導(dǎo)致早期強(qiáng)度較低，二是硫化物易膨脹，不利于水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層的耐久性，在抗裂性能方面較差，亟須制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用于指導(dǎo)生態(tài)水泥的生產(chǎn)與施工。有鑒于此，通過試驗(yàn)研究對抗沖刷和抗裂性能提出定性或定量的標(biāo)準(zhǔn)，對生態(tài)水泥確定合理的技術(shù)指標(biāo)用以減少和消除水穩(wěn)（底）基層裂縫的有效措施[1-3]。

3 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)完成情況

3.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

根據(jù)各合同段水泥劑量及工程量進(jìn)行計(jì)算，使用最終確定的42.5級生態(tài)水泥，預(yù)計(jì)比使用42.5級普硅水泥節(jié)約1 628萬元，比42.5級復(fù)合水泥節(jié)約1 329萬元。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

3.2.1 長齡期、耐久性指標(biāo)

（1）抗沖刷性能

試驗(yàn)檢測結(jié)果表明：生態(tài)水泥、復(fù)合水泥、普硅水泥、礦渣水泥在抗沖刷性能上相當(dāng)，各種水泥沖刷質(zhì)量損失見表1。

根據(jù)試驗(yàn)檢測結(jié)果，沖刷質(zhì)量損失技術(shù)指標(biāo)擬定為＜0.15%，當(dāng)沖刷質(zhì)量損失＜0.15%時(shí)，認(rèn)為抗沖刷性能滿足要求。規(guī)范《公路瀝青路面的設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D 50—2017）表5.4.5中，水泥穩(wěn)定粒料抗拉強(qiáng)度-彈性模量對應(yīng)數(shù)值為：1.5～2.0 MPa∶18 000～28 000 MPa，0.9～1.5 MPa∶14 000～20 000 MPa。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，礦渣水泥彈性模量較低，位于14 000～20 000 MPa之間，該彈性模量范圍的材料一般用于底基層。抗拉強(qiáng)度值應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，底基層為0.9～1.5 MPa，基層為1.5～2.0 MPa。根據(jù)以上抗彎拉強(qiáng)度結(jié)果，生態(tài)水泥、普硅水泥、復(fù)合水泥可以用于基層，礦渣水泥只能用于底基層。

（2）劈裂強(qiáng)度

根據(jù)7 d、14 d、28 d、90 d劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果表明早期（14 d）水穩(wěn)劈裂強(qiáng)度試件，水泥相同劑量情況下普硅水泥＞復(fù)合水泥＞礦渣水泥＞生態(tài)水泥。礦渣水泥與生態(tài)水泥后期增長較快，28 d時(shí)抗劈裂強(qiáng)度仍略小于復(fù)合水泥、普硅水泥，但90 d時(shí)，生態(tài)水泥、礦渣水泥、復(fù)合水泥、普硅水泥的劈裂抗拉強(qiáng)度基本持平。四種水泥的7～90 d劈裂抗拉強(qiáng)度值詳見表2。

劈裂強(qiáng)度作為間接反映抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)，在實(shí)踐過程中，普硅水泥有著更優(yōu)異的抗裂性能，說明早期劈裂強(qiáng)度的增長更能有效地抵抗彎拉應(yīng)力，同時(shí)90 d齡期對于工程實(shí)踐指導(dǎo)意義較小，建議采用14 d齡期的劈裂強(qiáng)度平均值作為控制指標(biāo)。

（3）干縮性能

根據(jù)干縮試驗(yàn)干縮應(yīng)變結(jié)果，7 d內(nèi)四種水泥干縮應(yīng)變結(jié)果基本相同，但齡期大于7 d后礦渣水泥和生態(tài)水泥在抵抗失水收縮方面性能更優(yōu)異，優(yōu)于普硅水泥及復(fù)合水泥，檢測結(jié)果表明四種水泥前期養(yǎng)護(hù)要求基本相同，但后期如不及時(shí)覆蓋下一結(jié)構(gòu)層，普硅水泥和生態(tài)水泥的養(yǎng)生期保濕要求更高。但從長齡期角度分析，結(jié)構(gòu)層覆蓋后會逐漸趨于動態(tài)濕平衡飽和狀態(tài)，該指標(biāo)對長齡期性能影響較小。四種水泥干縮應(yīng)變齡期增長變化規(guī)律見圖1。

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，在干旱地區(qū)盡可能使用礦渣水泥，在潮濕、多雨地區(qū)，優(yōu)選生態(tài)水泥，使用普硅水泥和復(fù)合水泥時(shí)，上結(jié)構(gòu)層未覆蓋之前應(yīng)加強(qiáng)保濕養(yǎng)生。該指標(biāo)不適用于表征長齡期耐久性能，干旱地區(qū)在選用水泥時(shí)，應(yīng)發(fā)展規(guī)律與趨勢應(yīng)接近于礦渣水泥。昔榆高速位于晉中市，跨昔陽、和順、壽陽、榆次四個(gè)縣區(qū)，按降雨量屬于濕潤區(qū)（年降雨量500～1 000 ml），對于該區(qū)域，該指標(biāo)對長齡期耐久性的影響可忽略不計(jì)。

（4）溫縮性能

四種水泥穩(wěn)定碎石混合料在溫度50℃、35℃、20℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃、-30℃下溫縮變形量情況見表3及圖2（復(fù)合水泥與礦渣水泥幾乎一致，故圖中不予重復(fù)體現(xiàn)）。

試驗(yàn)檢測結(jié)果表明：溫度大于20℃時(shí)，生態(tài)水泥溫度敏感性最小，溫度小于20℃時(shí)，生態(tài)水泥溫度敏感性急劇升高[4-6]；其他水泥隨溫度降低，變形量變化規(guī)律基本相同，且溫度＜20℃時(shí)，變形量小于生態(tài)水泥。說明在低溫抗裂性能方面普硅水泥大于生態(tài)水泥。該指標(biāo)難以量化評價(jià)，建議進(jìn)行定性分析[7-9]，當(dāng)溫縮變化量及發(fā)展趨勢與普硅水泥趨同時(shí)，認(rèn)為該水泥抗溫縮性能良好；如當(dāng)?shù)啬耆掌骄鶜鉁卮笥?0℃時(shí)，溫縮變化量及發(fā)展趨勢與生態(tài)水泥趨同時(shí)，也可認(rèn)為該水泥抗溫縮性能良好[10，11]。

（5）凍融性能

凍融試驗(yàn)考察在潮濕、低溫的情況下，抵抗材料內(nèi)部因結(jié)冰而產(chǎn)生5次循環(huán)凍脹破壞的能力，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

通過試驗(yàn)檢測結(jié)果表明生態(tài)水泥與普硅水泥及礦渣水泥在抗凍融性能上相當(dāng)，建議該指標(biāo)為5次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失率≥95%。該指標(biāo)主要適用于存在凍融循環(huán)的地區(qū)。

3.2.2 生態(tài)水泥技術(shù)指標(biāo)

生態(tài)水泥通過試驗(yàn)研究分析，在按標(biāo)準(zhǔn)《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》（GB/T 35162—2017）生產(chǎn)后，實(shí)際應(yīng)用過程中并不理想，裂縫較多，主要為溫縮裂縫，通過試驗(yàn)結(jié)果也可以看出低溫對生態(tài)水泥的影響非常大，同時(shí)早期抗折強(qiáng)度較低，早期抗折強(qiáng)度不能有效抵抗溫縮應(yīng)力[12，13]。因此改變生產(chǎn)工藝及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況提出以下技術(shù)要求：復(fù)合初凝時(shí)間＞4 h，3 d抗折強(qiáng)度＞4.0 MPa，7 d抗折強(qiáng)度＞5 MPa，7 d抗折強(qiáng)度＞28 d抗壓強(qiáng)度的65%。

4 結(jié)論

文章通過試驗(yàn)研究，總結(jié)了昔榆高速高速公路路面水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層水泥應(yīng)用及技術(shù)狀況。現(xiàn)使用的42.5級別生態(tài)水泥本身抗折強(qiáng)度在早期增長快，后期抗壓強(qiáng)度增長緩慢，強(qiáng)度增長規(guī)律符合水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層路用性能，對抗裂有正面影響作用，生態(tài)水泥降低了穩(wěn)定碎石路面底基層裂縫發(fā)生概率；且在混合料耐久性性能方面趨同于普硅水泥，有著良好的路用性能及經(jīng)濟(jì)性，綜合性能優(yōu)于普硅水泥、礦渣水泥及復(fù)合水泥。

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收稿日期：2024-07-31

作者簡介：牛敏（1994—），女，本科，工程師，主要從事公路試驗(yàn)檢測工作。

通訊作者：申鐵軍（1980—），男，本科，正高級工程師，主要從事混凝土研究工作。