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1、水泥稳定碎石基层的收缩特性及机理摘要:通过水泥稳定碎石混合料收缩特性的分析，指出了水泥稳定碎石混合 料的收缩机理。关键词：水泥稳定碎石基层收缩特性及机理Abstract: Through the analysis of cement stable macadam mixture, the paper analyses the characteristics of the contract, and points out that the contraction of the mechanism of the cement stable macadam mixture oKeywords: of
2、 the cement stable, macadam, contraction characteristics and mechanism水泥稳定碎石在修建初期，其内部含水量通常较大，并且水泥稳定 碎石基层的表面由于各种原因不可能马上被沥青路面封闭，此时水泥稳定碎石内 部的水分必然要蒸发，使水泥稳定碎石混合料从而发生由表及里的干燥收缩，这 种现象在高温季节施工或养护工作欠缺时表现更为明显。与此同时，环境温度通 常也存在温差，所以水泥稳定碎石基层在修建初期同时受到干燥收缩和温度收缩 的综合作用。1. 水泥稳定碎石混合料的干缩特性水泥稳定碎石基层建成后，在进行面层施工之前在水泥稳定碎石基层的 局
3、部就已经产生了干缩裂缝了。水泥稳定碎石基层在碾压结束后，如果对水泥稳 定碎石基层没有及时进行养生或养生措施不到位或养生结束后未能及时铺筑沥 青面层，只要暴晒23天就可能出现干缩裂缝。水泥稳定碎石基层的干缩裂缝 主要是横向裂缝，大部分的裂缝间距在31 Om；同时也会出现少量的纵向干缩 裂缝，干缩裂缝的顶宽一般为0.53mm。当采用水泥稳定碎石混合料作为沥青路面的基层结构时，如果水泥稳定 碎石混合料的碾压含水量合适，且能够采取措施保护好水泥稳定碎石基层，使其 在铺筑沥青路面前少开裂或不开裂，水泥稳定碎石基层所产生的收缩裂缝就会有 所减少。水泥稳定碎石在失水量为最大失水量的50%时的半风干状态时所产
4、生的 干缩应变小于18x10-6，干缩系数小于8x10-6。这样小的干缩应变通常不会使水 泥稳定碎石基层产生干缩裂缝，在有面层覆盖的情况下，通常水泥稳定碎石基层 要干燥到相当于风干状态也是不可能的。在面层的保护作用下，通常水泥稳定碎 石基层的含水量也不容易超出其在压实成型时的最佳含水量。对于水泥稳定碎石 混合料的干缩性来说，如果碎石中小于0.075mm的颗粒较多且塑性指数大，那 么其干缩性要大于0.075mm颗粒含量少且塑性指数小的水泥稳定碎石混合料。为了得到水泥稳定碎石基层混合料的干缩规律，通过干缩试验来研究水 泥稳定碎石的干缩特性。试验采用的原材料为：P.O32.5水泥和符合公路基层施 工
5、技术规范要求级配的碎石，水泥用量选择5%，各项材料的试验结果如下表（表1、表2）。以此原料制表1水泥力学性能抗压强度（MPa） 抗折强度（MPa）3 天 18.83.628 天 35.67.3表2碎石级配筛孔尺寸（mm） 31.519 9.5 4.752.360.6 0.075通过率（） 100 93.570 39 24 14 4.5备成400mmx100mmx100mm梁式试件，试验中保持养护温度在20C左右。 分别对该水泥稳定碎石混合料进行30天、60天、90天的干缩应变进行测定，发 现水泥稳定碎石的干缩随着时间不断增加，但是后期干缩增加不大。另外，通过 对不同水泥剂量的水泥稳定碎石混合料
6、的干缩试验发现，水泥稳定碎石的干缩随 着水泥剂量的加大而增加。2. 水泥稳定碎石混合料的温缩特性由于外界环境温度的升降变化，使得水泥稳定碎石基层内部相应的产生 温度变化，水泥稳定碎石基层内部的温差存在使其产生了温度应力。当气温降低 时，水泥稳定碎石基层表面温度首先下降，此时在水泥稳定碎石基层的顶部产生 了拉应力。在外界环境温度上升时，相应的在水泥稳定碎石基层底部会产生拉应 力。当产生的拉应力超出了水泥稳定碎石混合料的抗拉强度时，水泥稳定碎石基 层就会产生温缩裂缝。通常情况下，水泥稳定碎石基层在压实后及时养生，且及时铺筑沥青面 层，则在正常温度下水泥稳定碎石产生的温度收缩裂缝通常很少。当面层厚度
7、达 到10cm时，水泥稳定碎石基层中的温度梯度可降低40%左右，这将明显的减少 水泥稳定碎石基层顶部由于温度变化所产生的拉应力。当水泥稳定碎石基层在完 成之后如较长时间未铺筑沥青面层，或者是水泥稳定碎石基层上就仅仅铺筑了一 薄层，那么水泥稳定碎石基层会受到环境温度变化产生的温度应力的反复作用， 就容易引起水泥稳定碎石基层产生收缩裂缝。在冰冻的地区的冬季，如果水泥稳 定碎石基层在暴露的情况下过冬，很容易由于受到负温作用而开裂。铺筑水泥 稳定碎石基层时的温度与冬季温度之间差别越大，水泥稳定碎石基层就越容易产 生温缩裂缝，且温缩裂缝的间距也就越小，温缩裂缝的开口也越宽。观测发现， 水泥稳定碎石基层大
8、部分温度收缩裂缝出现在铺筑后的第一个冬季；第二、第三 年的冬季，会增加少量的温度收缩裂缝，然后开始稳定，不会增加新的温缩裂缝。同样以上节所述的水泥稳定碎石干缩试件为准，制件进行温缩试验。温 度收缩试验的温度范围控制在-5C-25C,以5C为温度间隔，将试件放在恒温恒 湿条件中进行温度收缩试验，温缩结果如下表（表3）,从中可以看到水泥稳定 碎石的温缩随温度变化。表3水泥稳定碎石温度收缩试验结果20 C15 C10C5C 0C -5Cg a g a g ag a g a g a72 14.5150 15.0188 12.5234 11.7260 10.4303 9.03. 水泥稳定碎石混合料的温度
9、收缩机理水泥稳定碎石混合料是由固相、液相和气相组成，即水泥稳定碎石基层的 外观涨缩性是由其基本体的固相、气相和液相的不同温度收缩性的综合效应的结 果。水泥稳定碎石的外观涨缩性主要由其固相涨缩、液相涨缩及两者的综合作用 组成。固相外观涨缩性就组成水泥稳定碎石基层的原材料而言，碎石本身的热涨缩性较小，但在 水泥水化后所形成的胶结物的热涨缩性较大。由于组成水泥稳定碎石的原材料本 身具有不同的热涨缩性，在经水泥的水化后胶结为整体性材料，所以其热涨缩性 是由各组成部分的综合效应决定的。水对水泥稳定碎石热涨缩性的影响水对水泥稳定碎石的热涨缩性的影响较大，通过三种作用来实现，即扩张作 用、毛细管张力和冰冻作
10、用。水在常温下热涨缩系数约为70xl0-6/C，是固相部 分的热涨缩系数的47倍，这就要求在确定水泥稳定碎石混合料的最佳含水量 时必须要准确。当温度升高时，水的扩张压力使碎石颗粒间的距离增大从而产生 膨胀。毛细管张力只有当含水量在一定范围内时才存在。当材料过干或过湿时， 毛细管张力消失。所以，在干燥和饱和状态下，水泥稳定碎石混合料的温缩系数 应比含水量为非饱和状态下的值小，同时，各空隙中的水在冰点温度以下冻结时， 体积会增大9%,从而引起膨胀。4. 水泥稳定碎石混合料的干燥收缩机理水泥稳定碎石混合料干燥收缩的基本原理是水分蒸发而发生的毛细管张力 作用，吸附水及分子间力作用、矿物晶体或胶凝体的层
11、间水作用、炭化脱水作用 而引起的整体的宏观体积变化。一是毛细管张力作用，从而产生了收缩。二是吸 附水及分子间力作用，导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量比毛细管 作用的收缩量要大得多。三是矿物晶体或胶凝体的层间水作用，随着相对湿度的 继续变小，水泥稳定碎石中的层间水开始蒸发，使得晶格间距变小，使其宏观体 积进一步收缩。水泥稳定碎石基层一般在高温季节修建，在成型初期，水泥稳定碎石基层内 部含水量大，且尚未被表面层所封闭，致使水泥稳定碎石基层内部的水分必然随 着蒸发而减少，从而使得水泥稳定碎石基层由表及里的发生干燥收缩。同时，环 境温度也存在昼夜温差，所以，在水泥稳定碎石基层建成初期会同时受
12、到干燥收 缩和温度收缩的综合效果，但以干燥收缩为主。水泥稳定碎石基层在经过一定时 期的养生，在铺筑沥青面层后，水泥稳定碎石基层内的相对湿度增大，使其含水 量趋于稳定，这时的水泥稳定碎石基层以温度收缩为主。结论水泥稳定碎石的干缩随着水泥剂量的加大而增加。水泥稳定碎石基层大部分温度收缩裂缝出现在铺筑后的第一个冬季。参考文献：1. 黄晓明潘钢华赵永利编著土木工程材料南京东南大学出版社20032. 邓学钧编著路基路面工程（第二版）北京人民交通出版社20073. 沙庆林编著高等级公路半刚性基层沥青路面北京人民交通出版社19984蒋应军水泥稳定碎石基层收缩裂缝防治研究长安大学2001注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
