【原】高原高寒地区水泥稳定碎石基层冻融强度研究

高原高寒地区水泥稳定碎石基层冻融强度研究

高彬

南阳通途公路勘察设计有限公司 河南 南阳 473000

摘要：本文通过室内冻融循环试验，测试高原高寒地区水泥稳定碎石基层冻融强度。试验表明，级配的调整对于抗冻性的影响较大，水泥剂量大于4% 时表现出良好的抗冻性，建议高原高寒地区采用4%～6%的水泥剂量范围。

关键词：冻融循环；高寒地区；水泥稳定碎石

半刚性基层材料的冻融循环试验目前还没有统一的实验规程。材料的抗冻能力可以用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失来表征，但是这些指标与冻融方法有关。

1. 试验用原材料

原材料主要包括水泥和集料，集料为石灰岩，水泥为普通 32. 5#水泥。经检验，二者各项技术指标均满足规范中相关的要求。外加剂采用CS-I型超早强水泥稳定基层外加剂，此外加剂性状为淡黄色粉末，其主要的矿物成分为硅酸钙、硫铝酸钙、铝酸钙，此外还有部分单晶体。主要化学成分见表1。级配组成见表2所示。

表1水稳基层外加剂的主要化学成分

成  分	SiO2	Fe2O3	Al2O3	CaO	MgO	SO3
含量(%)	11.81	7.44	14.69	44.02	2.30	14.48

表2 集料级配组成

通过筛孔（mm）的质量百分率/%
31.5	26.5	19	9.5	4.75	2.36	0.6	0.075
100	95.2	82.1	52.7	32.4	23.8	11.2	4.1

2.试验方案

该试验采用未掺入外加剂的水泥稳定碎石混合料试件将养生至规定龄期的试件饱水一昼夜后，在-20℃冰箱内冻16h，取出放在20℃水中融化8h，此为一循环，经5次冻融循环后的饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值称为抗冻系数，冻融试验试件测试指标见表3。

表3  冻融试验试件测试指标结果

代号	最佳含水量（%）	最大干密度（g/cm3）	均值抗压强度（MPa）			劈裂强度（MPa）		90d抗弯拉强度（MPa）	90d冻融强度（MPa）
			7d	28d	90d	7d	90d
G2-3	5	2.34	2.55	3.69	3.94	0.19	0.39	1.18	3.34
G2-4	5.2	2.36	2.93	4.34	4.96	0.27	0.52	1.68	4.74
G2-5	5.1	2.35	3.99	4.97	6	0.36	0.64	2.4	5.75
G2-6	5.2	2.37	4.78	5.68	6.72	0.37	0.69	2.95	6.36
G3-3	5	2.32	2.53	—	3.83	0.16	0.34	1.27	2.84
G3-4	5.2	2.34	3.11	—	4.82	0.25	0.52	1.77	3.79
G3-5	5.3	2.35	4.18	—	5.97	0.33	0.62	2.58	4.37
G3-6	5.5	2.35	4.72	—	6.57	0.43	0.77	3.64	5.79

注：G2、G3代表两种骨架密实级配2和3；“3、4、5、6”代表水泥用量。

3.数据分析

从表3中数据可知：

（1）随着水泥剂量的增加，试件的抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度呈显著的增长趋势。随着龄期的增长，抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度也随之增加。

（2）两种不同级配的水泥稳定碎石，在相同龄期，相同水泥剂量的条件下抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度存在差异，但是规律不是很明显。说明两种级配对于抗压强度、劈裂强度、抗弯拉强度的影响效果不是很显著。

（3）A——水泥稳定碎石抗压强度90d龄期抗压强度与7d抗压强度之间的关系：

G2 ： R90=1.1715R7+1.2334  （R2=0.9578）                    

G3 ： R90=1.2183R7+0.8712  （R2=0.9902）                  

B——水泥稳定碎石90d龄期劈裂强度与90d抗压强度之间的关系：

G2 ： R90=0.1096R7-0.0415 （R2=0.9891）                   

G3 ： R90=0.1459R7-0.2187  （R2=0.9699）                   

C——水泥稳定碎石90d龄期抗弯拉强度与90d抗压强度之间的关系：

G2 ： R90=0.6394R7-1.4071 （R2=0.9912）                    

G3 ： R90=0.8215R7-2.0385（R2=0.9347）                    

D——水泥稳定碎石90d龄期冻融强度与90d抗压强度之间的关系：

G2 ： R90=1.0801R7-0.7898 （R2=0.9884）                   

G3 ： R90=0.9906R7-1.078 （R2=0.9248）                     

从以上几组数据可以分析得到：90d龄期时，劈裂强度、抗弯拉强度、冻融强度均与抗压强度有良好的线性相关性，且表现出G2优于G3的特点。

（4）用表3中的数据计算出水泥稳定碎石基层试件的抗冻系数如表4所示：

表4 各组试件的抗冻系数

代号	抗冻系数
G2-3	0.8473
G2-4	0.9556
G2-5	0.9583
G2-6	0.9463
G3-3	0.733
G3-4	0.7692
G3-5	0.7315
G3-6	0.8811

可以看出，骨架密实级配的水泥稳定碎石具有良好的抗冻性。虽然同样是骨架密实级配的G3就没有G2的抗冻性好，在经历了5次冻融循环后，抗冻系数降低至0.75左右，说明级配的调整对于抗冻性的影响也比较大。

（5）水泥剂量大于4% 时表现出良好的抗冻性，抗冻系数基本大于95%；建议高原高寒地区采用4%～6%的水泥剂量范围、经历5次冻融循环后抗冻系数达到90%以上，提高该地区环境特征下的水泥稳定碎石基层的抗冻性。

4.结论

骨架密实级配的水泥稳定碎石具有良好的抗冻性，由于高原高寒地区的长期低温环境，建议该地区对水稳碎石混合料试件进行冻融循环试验，将冻融强度作为验算强度。结合外加剂试验分析结果，提出适用于高原高寒地区基于低收缩、超早强的水泥稳定碎石材料组成设计方法。