基于无侧限抗压强度试验的路面水泥稳定基层材料特性研究

白立波

（河北平山县交通运输局公路工程队，河北平山 050400）

0 引言

近年来，随着我国公路工程的快速建设，一些老旧公路必然会进行改造，以满足当下新的运输要求。而在公路建设过程中，会产生大量的公路弃渣。目前，公路弃渣的处理技术尚不够成熟，给环境及土地资源造成许多不良影响，因此，将公路弃渣结合低剂量水泥在公路基层中的应用作为研究课题具有非常重要的现实意义。

本文以河北省西部石家庄市境内既有公路改建项目为工程背景，通过试验的方法对公路水泥稳定层中的公路弃渣混合材料的7d抗压强度进行研究，为相关工程提供一定的参考。

1 工程概况

河北省既有公路改建项目位于河北省西部石家庄市境内，路段分为多段，是河北省公路网的重要组成部分，该项目连接国道207和省道正南公路，将革命圣地西柏坡与“石家庄市第一峰”驼梁联系起来。既有公路的改造有利于提高河北省公路网的运输能力，从而促进相邻区域之间的相互交流和经济来往，对沿线的投资环境及经济发展都十分重要。

该项目为改建工程，对老路面平整后，在老路面上加铺路面结构层。道路结构：设计全长25km，设计通行速度110km/h，路基宽度24m。主路宽2m，长7.5m，中段宽2m，长3m，坡面宽2m，长0.85m，中央隔离段宽3m。其中，20cm水泥混凝土面层，C30水泥混凝土（弯拉强度≥4.0MPa），5cm厚级配碎石找平层、20cm厚水泥10%水泥稳定层。由于当地处于平原地区且运输条件较差，砂石短缺且价格较高，为避免耽误工期，在经过项目甲方和设计院同意后，决定对其中的1.2km老旧混凝土路面进行混凝土面板破拆，对破拆后的混凝土块进行加工得到再生粗骨料，并结合低剂量水泥用于路面的施工。

2 低剂量水泥稳定层性能

本文以低剂量水泥及公路弃渣混合料为研究对象，并对低剂量水泥及公路弃渣混合料的性能指标及物理力学特性进行研究。

2.1 低剂量水泥稳定结构组成

水泥稳定层混合料中颗粒大小及颗粒的空间分布均是影响混合料力学性质的主要因素，考虑到施工过程中混合料的拌和比较均匀，因此可以从水泥稳定层混合料中颗粒的含量对混合料的结构进行分类，根据前人研究可知，不同粗颗粒含量下混合料的结构形式大致可分为：悬浮-密实结构、骨架-密实结构、骨架-空隙结构，不同结构形式下混合料的特性如下：

（1）悬浮-密实结构；粗颗粒含量小于30%，大颗粒悬浮在细颗粒之间，接触较少，抗变形能力较差。

（2）骨架-密实结构；粗颗粒量介于30%～70%，填料的力学特性由大颗粒块石和小颗粒土体共同作用，抗剪强度由大颗粒之间的咬合与小颗粒之间的黏聚力共同作用。

（3）骨架-空隙结构；粗颗粒量大于70%，此时，小颗粒土体不能填充大颗粒块石之间的空隙，导致填料颗粒之间的空隙很大，透水性增强，抗变形能力较差。

相较于悬浮-密实结构和骨架-空隙结构，骨架-密实结构混合料具有较高的强度，且细颗粒很好地填充在大颗粒空隙之间，使混合料具有较好的抗收缩性能以及抗冲刷性能，因此，本文所采用的水泥稳定层混合料以骨架-密实结构为主。水泥稳定层混合料的原材料特性如下。

（1）土样

在公路改建现场试验段取土，并通过室内压实试验对现场土体的物理性能进行研究，共对5组土样进行击实试验，得到不同含水量下现场土样的干密度，如图1所示。

图1 不同含水量下土样的干密度

由图1可知，土样的最优含水量为17%，最大干密度为1.75g/cm3；并通过室内试验，得到土样的其他物理指标如表1所示，根据《公路土工试验规程》（JTG E4—2007）中土体的工程分类可知，试验土样为高液限红黏土。

表1 土样物理性能指标

（2）低剂量水泥

水泥采用和现场半刚性基层相同的水泥标号，为普通硅酸盐水泥，具有干缩性小、强度高、耐磨性较好等优点，其性能指标如表2所示。

表2 水泥性能指标

2.2 强度机理

公路弃渣和低剂量水泥混合料的强度来源主要有公路弃渣颗粒之间的摩擦咬合、水泥材料之间的黏聚及弃渣颗粒和水泥材料之间的胶结。

公路弃渣和低剂量水泥混合料的强度机理为：低剂量水泥混合料中主要有粗骨料、细集料和水泥，粗骨料之间相互咬合形成混合料的骨架，而细集料填充在粗骨料颗粒空隙之间，进一步增强颗粒之间的咬合和黏结，从而形成密实骨架结构；同时，水泥作为黏结材料，和水发生水化反应，生成水化铝酸钙等有黏附能力的水化产物，使得粗细填料更好的黏结在一起，成为公路弃渣和低剂量水泥混合料的强度来源之一。

粗骨料之间的嵌合力主要与骨料颗粒之间的内摩擦角和黏聚力的大小成正比，同时为了增加粗骨料颗粒之间的咬合力，在粗骨料中添加适量的水泥材料，水泥材料通过发生一系列的化学反应，进一步增加粗骨料之间的黏结力，也增强了细集料之间的胶结力，从而使水泥稳定混合料的强度远大于纯骨料颗粒材料的强度，提高了材料的整体性和水稳定性；与半刚性基层相比，减少了干缩裂缝。

2.3 水泥稳定材料强度特性研究

在粗骨料中添加水泥材料能够有效地增加混合料的力学强度，但由于水泥材料成本较高，因此本文通过室内试验，对处理后的公路弃渣混合料中添加低剂量水泥材料而形成的混合材料的抗压强度进行试验，研究影响低剂量水泥混合料力学特性的因素。

2.3.1 试验方案

不同水泥及再生骨料含量下水泥稳定混合料的设计配合比如表3所示。

表3 水泥稳定混合料配合比 单位：%

不同水泥含量下混合料试样的尺寸为直径×高=150mm×150mm，然后将制备好的试样放置到压力机上，以1mm/min的加载速率加压，直至上下压柱都压入试模为止。静压完毕，将试样取下，并进行养护，然后根据公式（1）得到水泥稳定混合料的抗压强度；

式（1）中：R为无侧限抗压强度（MPa）；P为试样破坏时压力（N）；A为试样的截面积（mm2）。

2.3.2 水泥及粉煤灰含量对水泥稳定混合材料抗压强度的影响

图2 水泥及粉煤灰含量对水泥稳定混合材料抗压强度的影响

由图2可知，在再生骨料水泥混合料中添加粉煤灰能够明显增加水泥稳定混合料的无侧限抗压强度，且当粉煤灰的含量相同时，随着混合料中水泥含量的增加，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度几乎呈线性增加：当水泥含量为2%时，不添加粉煤灰再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为1.8MPa；粉煤灰含量为5%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.1MPa；粉煤灰含量为10%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.25MPa；粉煤灰含量为15%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.28MPa；

当水泥含量为4%时，不添加粉煤灰再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.15MPa；粉煤灰含量为5%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.3MPa；粉煤灰含量为10%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.55MPa；粉煤灰含量为15%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.7MPa；

当水泥含量为6%时，不添加粉煤灰再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.4MPa；粉煤灰含量为5%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.65MPa；粉煤灰含量为10%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.76MPa；粉煤灰含量为15%时，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.9MPa；

在再生混合骨料中，添加水泥的强度加固效果明显高于粉煤灰的加固效果，当粉煤灰添加到一定含量以后，无侧限抗压强度的增强效果逐渐减弱，但整体上粉煤灰对水泥粉煤灰稳定土的7d无侧限抗压强度有积极的作用。这是由于水泥的黏结作用是再生骨料水泥混合料强度的主要来源，水泥发生水化反应后，将混合料中的颗粒包裹起来，使原有混合料的塑性降低，强度增高，同时粉煤灰在再生骨料中的作用主要体现在对原有填料颗粒级配的改善，增强颗粒与颗粒之间的咬合力，从而提高再生骨料水泥稳定混合料的强度。

2.3.3 养护时间对水泥稳定混合材料抗压强度的影响

图3 养护时间对水泥稳定混合材料抗压强度的影响

由图3可知，随着养护时间的增加，再生骨料水泥稳定混合料的无侧限抗压强度先快速增加，然后增加缓慢，最后趋于稳定。且不同粉煤灰含量下，水泥稳定混合料无侧限抗压强度的变化趋势也基本相同：当粉煤灰含量为0%时，养护时间7d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为1.8MPa；养护时间14d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为3.1MPa；养护时间28d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为3.9MPa；养护时间90d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为4.5MPa。

当粉煤灰含量为5%时，养护时间7d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为2.1MPa；养护时间14d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为3.16MPa；养护时间28d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为4.13MPa；养护时间90d时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度为4.8MPa。同样，当粉煤灰含量为10%时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度分别为2.3MPa、3.2MPa、4.2MPa、5.2MPa；当粉煤灰含量为15%时，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度分别为2.4MPa、3.5MPa、4.4MPa、5.4MPa；

在养护前28d，水泥稳定混合料的无侧限抗压强度达到70%以上，强度值增长较快，28d以后，强度缓慢增长，这是由于混合料中的水泥及粉煤灰具有早强的特点，水泥水化反应在28d内几乎完成，因此，在施工过程中可以加快施工速度，应注意前期的养生工作，以保证混合材料的强度持续增长。

3 结语

将水泥应用于公路路面基层中，有利于改善路面基层的力学性能，提高路用效果。考虑到水泥成本较高，为降低施工成本，对公路弃渣进行再处理、再利用，并在处理后的公路弃渣中添加低剂量水泥，能够一定程度上改善路面基层材料相关性能。本文通过室内无侧限抗压强度试验，对再生骨料水泥稳定混合料的路用性能进行研究，为相关工程提供参考。