低碳抗裂路面基层专用水泥组成设计与性能研究

任中杰，路竣杰，邹 晓，周用山，王稷良

(1.内蒙古经乌高速公路管理有限责任公司，赤峰 025366；2.内蒙古路桥集团有限责任公司，呼和浩特 010051；3.交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

目前，水泥稳定类半刚性基层材料因具有强度高、稳定性好、施工便捷等优点[1]，已经成为我国应用最为普遍的路面基层材料。但是一些学者在研究过程中发现，由于水泥稳定碎石基层材料自身的抗变形能力差[2]，在温度与湿度发生变化时产生的应力极易超过其最大抗拉强度，从而产生收缩裂缝[3]。裂缝在载荷的反复作用下发生扩展，并反射到面层形成反射裂纹，从而严重影响路面的性能以及使用寿命。针对水泥稳定类材料易引起开裂的问题，国内外相关学者开展了大量研究。国内外研究者大都认为沥青面层的温缩裂缝一般都是由其自身的温度收缩所引起的，而反射裂缝则是由水泥稳定类材料的干燥收缩引起的[4,5]。因此，为抑制水泥稳定碎石的收缩开裂需要降低其干燥收缩。徐鸥明[6]研究发现水泥水化会消耗混合料中水，从而导致干燥收缩增大。陆青清[7]研究了脱硫石膏对水泥稳定碎石路用性能的影响，研究发现石膏一方面能够置换出铝酸钙结晶所消耗的氢氧化钙[8]，保证火山灰反应的进行；另一方面，还能够将铝酸钙转换为钙矾石，产生体积膨胀，从而补偿收缩。

论文从水泥材料组成出发，固定碎石级配为骨架密实性结构，以水泥熟料、脱硫石膏、石灰石粉、矿渣、粉煤灰为原料，通过研究石灰石粉掺量、矿渣掺量以及粉煤灰掺量对水泥凝结时间、力学性能以及收缩性能的影响规律，设计出一种低碳抗裂的路面基层专用水泥，并将该水泥用于稳定碎石，研究专用水泥稳定碎石的力学性能与收缩抗裂性能。最后结合实际工程，对专用水泥进行工程应用研究。

1 试 验

1.1 原材料

专用水泥由水泥熟料、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏以及石灰石粉按一定比例混合磨制而成。其中，熟料物理性能如表1所示。

表1 水泥熟料物理力学性能

碎石为4级配连续碎石，分别为20～30 mm碎石(1#)、10～20 mm碎石(2#)、5～10 mm碎石(3#)以及0～5 mm石屑(4#)，碎石集料压碎值为11.4%，石屑的塑性指数为5，均满足相关规范要求。其中碎石比例为1#∶2#∶3#∶4#=22∶27∶30∶21，碎石级配如表2所示。

表2 碎石筛分结果以及合成级配 累计通过率/%

1.2 方法

1)水泥性能测试方法

参照标准JTG 3420—2021《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，测试水泥的细度、标准稠度用水量、凝结时间、胶砂强度等。参照标准GB/T 2938—2008《膨胀水泥膨胀率试验方法》测试水泥的28 d和56 d膨胀率。

2)水泥稳定碎石路用性能测试方法

水泥稳定碎石击实、无侧限抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量和干缩性能等按照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》所述进行测定，其中回弹模量为顶面法。

2 结果与讨论

2.1 低碳抗裂路面基层专用水泥的材料组成设计

对路面基层专用水泥进行组分优化，对粉煤灰、石灰石粉及矿粉进行协调效应研究。其中，熟料掺量为15%，脱硫石膏掺量为9%，粉煤灰掺量变动范围为5%、10%、15%，石灰石粉变动范围为2%、4%、6%，其余为矿粉，以路面基层专用水泥的凝结时间、力学性能以及28 d、56 d膨胀率进行对比，优选出性能最佳、经济性最好的水泥配比。实验方案设计如表3所示。

表3 实验配比 w/%

路面基层专用水泥的凝结时间、微膨胀性能以及力学性能作为其优化匹配的具体指标，路面基层专用水泥的主要实验结果如表4、表5所示。

表4 路面基层专用水泥的主要物理性能

表5 路面基层专用水泥抗压及抗折实验结果

由表4可以看出，J1～J9的凝结时间均能达到施工(初凝>3 h，终凝>6 h)的要求，而PC32.5水泥的凝结时间明显过短。同时可以看出，水泥的膨胀率可以达到补偿收缩的能力。随着水泥中石灰石粉与粉煤灰掺量的提高，水泥的凝结时间呈现逐渐延长的趋势，在石灰石掺量为6%、粉煤灰掺量为15%的情况下，水泥的初凝时间约355 min，终凝时间达到430 min。水泥的需水量也较为稳定，石灰石粉的掺入能够降低粉煤灰带来的需水量高的负面效应；同时随着粉煤灰及石灰石粉掺量的升高，水泥的膨胀率呈现逐渐升高的趋势；而PC32.5水泥的28 d膨胀值较低，在干缩阶段使得水泥的膨胀值为负值。

由表5可以看出，石灰石粉可以降低粉煤灰的掺入带来的水泥早期强度降低的现象，特别在石灰石粉掺量为2%、粉煤灰掺量为5%的情况下，水泥3 d抗压强度达到16.8 MPa， 28 d的抗压强度能达到43.5 MPa，达到42.5水泥等级要求。

当水泥的膨胀值超过0.08%时，水泥的力学性能就会遭到劣化，结合表4及表5的28 d膨胀值及力学性能就可以得出结论，水泥的28 d膨胀值应在其极限值左右为宜。

综合考虑水泥的凝结时间、力学性能以及膨胀特性，优选出基层专用水泥最终配比为J6，即：熟料∶脱硫石膏∶矿粉∶粉煤灰∶石灰石粉=15∶9∶57∶15∶4。

2.2 低碳抗裂路面基层专用水泥稳定粒料的路用性能研究

1)水泥稳定碎石基层的力学性能研究

(1)水泥对无侧限抗压强度的影响

路面基层专用水泥(LS)与PC32.5水泥稳定材料的3 d、7 d、28 d的无侧限抗压强度见图1。水泥稳定材料中，结合料剂量为4%，按最佳含水量及最大干密度测试无侧限抗压强度。

从图1可以看出，随着水化龄期的延长，水泥的无侧限抗压强度逐渐增加，前期增长较快，后期增长较为缓慢；对比路面基层专用水泥与PC32.5两种水泥稳定材料体系，7 d无侧限抗压强度相当，但28 d乃至90 d强度前者明显高于后者，LS的28 d抗压强度增长率达到67.7%，90 d抗压强度增长率达到105.8%，远高于PC32.5水泥稳定基层的抗压强度。这主要是路面基层专用水泥中存在着大掺量的工业废渣，这些工业废渣具有火山灰活性，潜在活性在后期得到充分发挥，因此路面基层专用水泥的力学性能较好。

(2)水泥稳定碎石的回弹模量及劈裂强度

基层专用水泥与PC32.5水泥在28 d、90 d的抗压回弹模量和劈裂强度测试结果如表6所示。

表6 水泥稳定碎石的劈裂强度及抗压回弹模量

从表6可以看出，路面基层专用水泥稳定基层的28 d回弹模量及90 d回弹模量均比PC32.5水泥稳定碎石低，其刚度相对较小，另外从28 d、90 d劈裂强度可以看出，路面基层专用水泥稳定碎石的效果较好。这主要是因为专用水泥稳定碎石在水化早期密实孔隙，提高了水泥稳定材料的抗拉强度。因此可以认为路面基层专用水泥具有良好的综合使用性能。

2)水泥稳定碎石基层的干燥收缩性能研究

基层产生的收缩主要是在基层碾压完成之后，材料中水分的蒸发导致的。对比路面基层专用水泥与PC32.5水泥在4%的掺量下的干燥收缩性能，试验结果如图2、图3所示。

从图2、图3可以看出，随着龄期的延长，水泥稳定材料的失水率增大，累积干缩应变也增大，主要是因为水分的蒸发使水泥稳定材料发生收缩及收缩应变，水分蒸发的快慢直接导致了干缩应变的大小。因此，失水率越高，应力应变越大，而LS稳定材料与PC32.5稳定材料的收缩测试结果可以看出，基层专用水泥水化产生的微膨胀能够有效改善普通水泥存在的干缩问题，使用效果良好。

2.3 低碳抗裂路面基层专用水泥工程应用研究

研制出的低碳抗裂路面基层专用水泥在赤峰某高等级公路的路面基层进行应用验证。现场水泥配比采用J6组设计配合比。对路面基层专用水泥稳定基层进行了配合比设计，确定试验路段的配合比为：水泥∶碎石=4∶100。基层混合料的最大干密度为2.36 g/cm3，最佳含水量为5.2%(考虑到夏季施工，实际用水量控制在6.0%左右)。低碳抗裂路面基层专用水泥稳定基层的施工工艺与通用水泥稳定基层的完全一致。

压实后的缓凝微膨胀水泥稳定粒料基层的外观比较密实平整，基本没有粗集料的窝和条带。养生7 d后可钻取完整芯样。试验段施工完毕后，对其性能作了相关检测，数据如表7所示。

表7 基层试验路段相关检测数据

从工程实验段的钻芯取样情况来看：水稳基层材料表面致密均匀，表现出很好的填充性，能形成密实的骨架结构，芯样外观完整，整体性好。使用缓凝微膨胀水泥后，路面的底基层和基层表面致密，无明显离析现象，水泥表现出良好的填充性能，在铺筑面层前试验路段未发现有害裂缝，表现出良好的抗裂性。缓凝微膨胀水泥路面基层良好的抗裂性源于它和普通的水泥稳定粒料路面基层相比具有如下特点：收缩系数小、水化过程持续稳定、水化物组成的改善、力学特性改善。

在试验段施工后对专用水泥稳定基层试验路段进行了裂缝观测，如表8所示，800 m施工段面上没有发现可见的横向裂缝。在使用一个冬天后，专用水泥稳定基层基本未出现裂缝，和以往采用普通水泥稳定基层使用一个冬天后的开裂情况相比，具有明显的抗裂效果。

表8 反射裂缝平均间距统计表

3 结 论

a.从专用水泥的凝结时间、力学性能以及膨胀性能着手研究，对其各组分进行优化，最终确定低碳抗裂路面基层专用水泥的最佳配比为脱硫石膏∶矿粉∶熟料∶粉煤灰∶石灰石粉=9∶57∶15∶15∶4。

b.通过对比专用水泥与PC32.5水泥稳定基层的力学性能与抗收缩开裂性能发现，两者7 d强度相近，但后期前者的无侧限抗压强度提升更大；专用水泥稳定材料的干缩应变显著低于PC32.5水泥稳定材料，抗开裂能力更强。

c.工程应用结果表明，设计出的专用水泥稳定碎石基层材料性能良好，微膨胀补偿收缩作用表现明显，沥青面层在经过一个冬天后未见反射裂缝，抗裂效果明显。