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【摘 要】本文通过室内试验和理论分析，研究三灰（水泥石灰粉煤灰）稳定碎石的路用性能，包括强度和抗裂性能，并与水泥粉煤灰稳定碎石和二灰（石灰粉煤灰）稳定碎石进行比较，研究得出配合比合理的水泥石灰粉煤灰稳定碎石，具有早期强度和后期强度较高、抗裂性能和耐久性良好等特性。这对改善半刚性基层的使用性能、减少裂缝、节约由裂缝造成的损害维修费用等有着重要的现实意义。
【关键词】三灰碎石；路用性能；强度；抗裂性能
Studies for The Performance of Three Ash Stabilized Crushed-stones Based On Crack-resistance
Wang Zhan-jun1 ,Zhang Ju-kun 2
(1.Zhangjiakou Urban-Rural Construction Planning&Design institute,Zhangjiakou,Hebei,075000;
2.Shijiazhuang railway university Sifang institute, Shijiazhuang,Hebei,050228)
【Abstract】Through the experiment and theoretical analysis, this article studied the performance of three ashes (cement, lime, fly ash) stabilized crushed-stones, including the intensity and crack-resistance characteristic, and carried on the comparison with cement-fly ash stabilized crushed-stones and lime and fly ash stabilized crushed-stones, obtained that cement-lime-fly ash stabilized crushed-stones with appropriate mix proportion had the high early intensity and the later intensity, the good crack resistance and durability characteristics and so on. It had the vital practical significance to improve the semi-rigid base performance, reduce crack, and save the cost for maintenance which had created by the crack.
【Key words】Three ashes stabilized crushed-stones;Road performance;Intensity;The crack resistance characteristic
1. 三灰碎石混合料初步配合比的确定
由上面的分析可知，胶结料与集料的最佳比例即二灰正好密实填充于碎石的骨架结构之内，但并不干涉骨架作用。此时，二灰碎石的抗裂性能最佳。因此，假设在一个单位实方体的混合料中，集料的最大用量为介于一个单位松方用量与插捣用量之间，胶结料以最佳压实状态填充集料的剩余空隙。
在集料松装状态下的胶结料填充量为20.03%，这样计算的胶结料填充量使半剛性基层混合料最密实，骨架良好。在研究中，以二灰碎石作为试验基础，二灰胶结料用量则可取为20%。取石灰:粉煤灰质量比=1:2.5，则石灰:粉煤灰:碎石质量比=6:14:80。
保证粉煤灰比例不变，石灰比例换作石灰与水泥的合成，其总和比例不变。拟定三种配合比组成如下表1所示。为便于比较其他两种半刚性基层混合料的性能，拟定石灰粉煤灰稳定碎石和水泥粉煤灰稳定碎石共三个配比作为对比试验。对试验方案中的各配比项目用编号进行表示，具体见表1。
2. 力学性能试验及分析
在室内对各种方案的基层混合材料进行无侧限抗压强度、抗压回弹模量、抗弯拉强度试验。由试验得出：
2.1 六种配比半刚性基层的抗压强度均随龄期的增长而增大。
2.2 六类材料的早期强度，水泥粉煤灰碎石最大，如S-5的水泥用量为6%, 7天强度为3.46MPa，二灰碎石最小，如S-1的石灰用量为6%, 7天强度为0.6MPa；三灰碎石居中，而且三灰碎石的强度随水泥替代石灰剂量的增加而增大，如S-2的水泥用量为1.5%、石灰用量为4.5%，7天抗压强度为1.98MPa，S-4的水泥用量为4.5%、石灰用量为1.5%, 7天抗压强度为3.07MPa。
2.3 六类材料的强度增长曲线在90天处存在强度增长拐点，90天前基本呈直线增长，90天后水泥粉煤灰碎石(S-5，S-6)和二灰碎石(S-1)明显变缓，而三灰碎石(S-2, S-3, S-4) 90天后仍近似直线增长。
2.4 龄期为180天的各类材料强度中，三灰碎石最大(S-2, S-3, S-4)，水泥粉煤灰碎石(S-5，S-6)次之，二灰碎石(S-1)最小。
2.5 《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)规定：采用综合稳定时，如水泥用量占胶结料总量的30%以上，高速公路和一级公路的强度应在3～5MPa。本次配比只有S-5（水泥用量6%）满足规范要求，但从180天强度来看，S-5的强度比S-2, S-3, S-4低，选用时应就多方面性能确定，暂不能拘泥于规范。
从试验数据可知，三灰碎石不但可以克服二灰碎石的早期强度不足，而且后期强度比二灰碎石和水泥粉煤灰碎石要高，由此说明三灰碎石后期强度增长的优越性，同时还可以通过调整三灰碎石中的水泥用量来实现基层早期强度的要求；规范规定综合稳定土7天强度作为评定指标稍显不足，应配以后期强度（如90d，180d）作为评定半刚性材料的强度指标。
在实际工程中三灰碎石的强度增长与试验室情况存在偏差，在于使用过程中养护条件达不到试验室的条件，实际强度增长相对缓慢；其次在三灰强度尚未达到规定值时，由于重载车辆作用，导致基层早期破坏。因此在公路通车的前6个月应采取限重措施，严格控制车辆轴载，禁止通行重载超载车辆，以防止路面基层早期损坏。
3. 三灰碎石基层板体强度形成机理
3.1 离子交换及团粒化作用。
水泥水化后Ca(OH)2、Ca2+和(OH)-1离子共存；石灰在水的参与下解离成Ca2+和(OH)-1离子；粉煤灰、粘土矿物是以SiO2为骨架的晶体，通常表面会带有Na+和K+等离子。因此，石灰和水泥析出的Ca2+离子会与土中的Na+、K+离子进行当量吸附交换，使大量土粒形成较大的土团。随着石灰的解离和Ca2+离子在土中的扩散过程而逐渐形成，在初期进展较快，是引起土发生初期变化的主要原因；水泥水化生成物Ca(OH)2具有强烈的吸附活性，把较大的土粒进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，彼此交错形成网状。
3.2 结晶作用。
对二灰稳定类，Ca(OH)2的结晶作用使Ca(OH)2胶体逐渐发展成为晶体，所生成的晶体相互结合，并把土粒结合起来形成共晶体，从而胶结成整体而变硬。而对于水泥稳定类，随着水泥水化反应的进行，析出大量的Ca2+，直至数量超过离子交换的需要后，在碱性的环境中与组成粉煤灰、粘土矿物的成分SiO2、Al2O3发生化学反应，生成不溶于水的稳定结晶矿物而变硬，在早期由于水泥水化出Ca(OH)2大大超过离子交换所需的量，所以水泥稳定类基层早期强度较大。由此可知，水泥水化使环境的碱性增加，促进了粉煤灰及粘土矿物的化学反应。
3.3 碳酸化作用。
二灰稳定类和水泥稳定类基层材料都存在游离的Ca(OH)2，不断地吸收水中的HCO3-与空气中的CO2，生成碳酸钙，碳酸钙具有较高的强度与水稳性，对土产生胶结作用使土体得到加固。由于CO2可能由混合料的空隙渗入，或随雨水渗入，当表层发生碳酸化后则形成致密硬壳，阻碍了CO2的进一步渗入。对于水泥稳定类，由于水泥早期水化出的Ca(OH)2较多，主要发生了结晶作用，而二灰稳定类反应较慢，Ca(OH)2生成较慢，因而二灰稳定类的Ca(OH)2碳酸化作用是个相当长的反应过程，这也是石灰土后期强度增长的主要原因之一。
半刚性基层的强度和刚度是材料的重要性质，而提高强度的一个有效方法是增加水泥和石灰用量。水泥用量的增加可使强度提高，但由于碳酸化作用后形成硬壳，阻碍CO2的进一步渗入，形成硬壳内外强度等性质不一的缺陷。石灰用量的增加也可以提高其强度，但石灰用量的增加，将使干缩、温缩性能变差。
综上所述：对于二灰稳定类，离子交换反应使粘土胶体絮凝，土的湿散性得到改善，使其获得初期的水稳性，碳酸化反应与火山灰反应提高了它的强度与稳定性，但是要形成足够的强度与稳定性，需要较长的养护时间。对于水泥稳定类则是水泥石的骨架作用与Ca(OH)2的物理化学共同作用的结果，Ca(OH)2的物理化学作用使粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石的骨架作用把这些团粒包裹和连接成坚强的整体，其早期强度较高，但是由于反应速度较快，整体性质不均匀，存在强度等性质缺陷。
应用基层强度形成机理和相关试验可得，水泥稳定碎石（S-5, S-6）的早期强度高，但整体性质不均匀，而二灰碎石（S-1）的整体性质较均匀，但早期强度较低，合理配比三灰碎石（S-2）不但早期强度可满足要求，而且整体性质较均匀，综合了水泥稳定类早期强度较高、二灰稳定类整体性质较均匀的优点。
4. 三灰碎石基层抗裂性能
三灰碎石基层造价相对较低，抗裂效果良好。由试验得出：
在自然条件下，试件成型后其失水率最大，但对应的收缩应变却不太大，特别是成型后24小时内的失水量占总失水量的一半以上，但是所对应的收缩应变还不到总应变量的15%。试验结果表明三灰碎石的干燥收缩具有滞后性。
增加养生时间对试件强度影响很大，說明三灰碎石失水后，结构内部发生了破坏，而且随着延迟时间的延长，其破坏就越严重。但在半刚性材料刚铺筑完毕，如果马上洒水养生，势必造成基层含水量过大而破坏。可在碾压完成后的第二天或第三天开始养生。如果天气非常干燥，应视基层表面情况，及时洒水养生。
从上面的分析表明，要评价材料抗干缩性能的优劣，应以基层材料铺筑完毕后一天内的干缩系数来衡量，同时及时养生具有非常重要的意义。
5. 三灰碎石基层耐久性能
半刚性基层材料具有很大的刚度和整体性，其抗压强度高，而抗弯拉强度却很低，在车辆荷载反复作用下，导致疲劳断裂，半刚性基层的设计以疲劳指标为主也鉴于此。经研究发现：
5.1 二灰碎石（如S-1）的疲劳性能优于水泥稳定碎石(如S-5, S-6)，同时合理配比的三灰碎石(如S-2)疲劳性能最佳。
5.2 在冻融循环反复作用下，半刚性基层材料强度逐渐下降，产生薄弱面，甚至在薄弱面上发生开裂破坏。三灰碎石7天冻融试验的抗冻系数超过100%，这是因为材料经过五天冻融，强度增长超过冻融期间材料破坏的强度损失。
6. 结语
经过室内外试验得出：三灰碎石的强度增长具有后效性，且抗裂性能优于二灰碎石，更优于水泥稳定碎石，合理配比的三灰碎石可以改善半刚性基层的路用性能、减少裂缝，从长寿面路面结构来说减少了维修投资费用。
参考文献
［1］ 邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社,2000.
［2］ 交通部公路科学研究所主编.公路工程集料试验规程（JTJ058-2000）［S］.北京:人民交通出版社，2000.
［3］ 孟建党.基于抗裂性能的沥青路面基层配合比设计及施工工艺研究［D］.硕士学位论文.西安.长安大学,2005.6.
［4］ 徐仁萍.水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面抗裂性能研究［D］.长安大学博士学位论文.西安.长安大学,2006.
［5］ 天津市公路管理局.天津市沥青路面典型结构设计指导意见［R］,2007.2.
［文章编号］1619-2737（2011）03-09-46
［作者简介］ 王占军（1975.07-），男，汉族，籍贯：河北省张家口市怀安县人，学历：大本，职称：工程师，单位：张家口市城乡建设规划设计院，研究方向：市政工程设计。
张聚昆（1981.9.20-），男，职称：讲师，职务：专职教师，学历：硕士研究生，研究方向：路基路面、道路建筑材料。
【关键词】三灰碎石；路用性能；强度；抗裂性能
Studies for The Performance of Three Ash Stabilized Crushed-stones Based On Crack-resistance
Wang Zhan-jun1 ,Zhang Ju-kun 2
(1.Zhangjiakou Urban-Rural Construction Planning&Design institute,Zhangjiakou,Hebei,075000;
2.Shijiazhuang railway university Sifang institute, Shijiazhuang,Hebei,050228)
【Abstract】Through the experiment and theoretical analysis, this article studied the performance of three ashes (cement, lime, fly ash) stabilized crushed-stones, including the intensity and crack-resistance characteristic, and carried on the comparison with cement-fly ash stabilized crushed-stones and lime and fly ash stabilized crushed-stones, obtained that cement-lime-fly ash stabilized crushed-stones with appropriate mix proportion had the high early intensity and the later intensity, the good crack resistance and durability characteristics and so on. It had the vital practical significance to improve the semi-rigid base performance, reduce crack, and save the cost for maintenance which had created by the crack.
【Key words】Three ashes stabilized crushed-stones;Road performance;Intensity;The crack resistance characteristic
1. 三灰碎石混合料初步配合比的确定
由上面的分析可知，胶结料与集料的最佳比例即二灰正好密实填充于碎石的骨架结构之内，但并不干涉骨架作用。此时，二灰碎石的抗裂性能最佳。因此，假设在一个单位实方体的混合料中，集料的最大用量为介于一个单位松方用量与插捣用量之间，胶结料以最佳压实状态填充集料的剩余空隙。
在集料松装状态下的胶结料填充量为20.03%，这样计算的胶结料填充量使半剛性基层混合料最密实，骨架良好。在研究中，以二灰碎石作为试验基础，二灰胶结料用量则可取为20%。取石灰:粉煤灰质量比=1:2.5，则石灰:粉煤灰:碎石质量比=6:14:80。
保证粉煤灰比例不变，石灰比例换作石灰与水泥的合成，其总和比例不变。拟定三种配合比组成如下表1所示。为便于比较其他两种半刚性基层混合料的性能，拟定石灰粉煤灰稳定碎石和水泥粉煤灰稳定碎石共三个配比作为对比试验。对试验方案中的各配比项目用编号进行表示，具体见表1。
2. 力学性能试验及分析
在室内对各种方案的基层混合材料进行无侧限抗压强度、抗压回弹模量、抗弯拉强度试验。由试验得出：
2.1 六种配比半刚性基层的抗压强度均随龄期的增长而增大。
2.2 六类材料的早期强度，水泥粉煤灰碎石最大，如S-5的水泥用量为6%, 7天强度为3.46MPa，二灰碎石最小，如S-1的石灰用量为6%, 7天强度为0.6MPa；三灰碎石居中，而且三灰碎石的强度随水泥替代石灰剂量的增加而增大，如S-2的水泥用量为1.5%、石灰用量为4.5%，7天抗压强度为1.98MPa，S-4的水泥用量为4.5%、石灰用量为1.5%, 7天抗压强度为3.07MPa。
2.3 六类材料的强度增长曲线在90天处存在强度增长拐点，90天前基本呈直线增长，90天后水泥粉煤灰碎石(S-5，S-6)和二灰碎石(S-1)明显变缓，而三灰碎石(S-2, S-3, S-4) 90天后仍近似直线增长。
2.4 龄期为180天的各类材料强度中，三灰碎石最大(S-2, S-3, S-4)，水泥粉煤灰碎石(S-5，S-6)次之，二灰碎石(S-1)最小。
2.5 《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)规定：采用综合稳定时，如水泥用量占胶结料总量的30%以上，高速公路和一级公路的强度应在3～5MPa。本次配比只有S-5（水泥用量6%）满足规范要求，但从180天强度来看，S-5的强度比S-2, S-3, S-4低，选用时应就多方面性能确定，暂不能拘泥于规范。
从试验数据可知，三灰碎石不但可以克服二灰碎石的早期强度不足，而且后期强度比二灰碎石和水泥粉煤灰碎石要高，由此说明三灰碎石后期强度增长的优越性，同时还可以通过调整三灰碎石中的水泥用量来实现基层早期强度的要求；规范规定综合稳定土7天强度作为评定指标稍显不足，应配以后期强度（如90d，180d）作为评定半刚性材料的强度指标。
在实际工程中三灰碎石的强度增长与试验室情况存在偏差，在于使用过程中养护条件达不到试验室的条件，实际强度增长相对缓慢；其次在三灰强度尚未达到规定值时，由于重载车辆作用，导致基层早期破坏。因此在公路通车的前6个月应采取限重措施，严格控制车辆轴载，禁止通行重载超载车辆，以防止路面基层早期损坏。
3. 三灰碎石基层板体强度形成机理
3.1 离子交换及团粒化作用。
水泥水化后Ca(OH)2、Ca2+和(OH)-1离子共存；石灰在水的参与下解离成Ca2+和(OH)-1离子；粉煤灰、粘土矿物是以SiO2为骨架的晶体，通常表面会带有Na+和K+等离子。因此，石灰和水泥析出的Ca2+离子会与土中的Na+、K+离子进行当量吸附交换，使大量土粒形成较大的土团。随着石灰的解离和Ca2+离子在土中的扩散过程而逐渐形成，在初期进展较快，是引起土发生初期变化的主要原因；水泥水化生成物Ca(OH)2具有强烈的吸附活性，把较大的土粒进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，彼此交错形成网状。
3.2 结晶作用。
对二灰稳定类，Ca(OH)2的结晶作用使Ca(OH)2胶体逐渐发展成为晶体，所生成的晶体相互结合，并把土粒结合起来形成共晶体，从而胶结成整体而变硬。而对于水泥稳定类，随着水泥水化反应的进行，析出大量的Ca2+，直至数量超过离子交换的需要后，在碱性的环境中与组成粉煤灰、粘土矿物的成分SiO2、Al2O3发生化学反应，生成不溶于水的稳定结晶矿物而变硬，在早期由于水泥水化出Ca(OH)2大大超过离子交换所需的量，所以水泥稳定类基层早期强度较大。由此可知，水泥水化使环境的碱性增加，促进了粉煤灰及粘土矿物的化学反应。
3.3 碳酸化作用。
二灰稳定类和水泥稳定类基层材料都存在游离的Ca(OH)2，不断地吸收水中的HCO3-与空气中的CO2，生成碳酸钙，碳酸钙具有较高的强度与水稳性，对土产生胶结作用使土体得到加固。由于CO2可能由混合料的空隙渗入，或随雨水渗入，当表层发生碳酸化后则形成致密硬壳，阻碍了CO2的进一步渗入。对于水泥稳定类，由于水泥早期水化出的Ca(OH)2较多，主要发生了结晶作用，而二灰稳定类反应较慢，Ca(OH)2生成较慢，因而二灰稳定类的Ca(OH)2碳酸化作用是个相当长的反应过程，这也是石灰土后期强度增长的主要原因之一。
半刚性基层的强度和刚度是材料的重要性质，而提高强度的一个有效方法是增加水泥和石灰用量。水泥用量的增加可使强度提高，但由于碳酸化作用后形成硬壳，阻碍CO2的进一步渗入，形成硬壳内外强度等性质不一的缺陷。石灰用量的增加也可以提高其强度，但石灰用量的增加，将使干缩、温缩性能变差。
综上所述：对于二灰稳定类，离子交换反应使粘土胶体絮凝，土的湿散性得到改善，使其获得初期的水稳性，碳酸化反应与火山灰反应提高了它的强度与稳定性，但是要形成足够的强度与稳定性，需要较长的养护时间。对于水泥稳定类则是水泥石的骨架作用与Ca(OH)2的物理化学共同作用的结果，Ca(OH)2的物理化学作用使粘土微粒和微团粒形成稳定的团粒结构，而水泥石的骨架作用把这些团粒包裹和连接成坚强的整体，其早期强度较高，但是由于反应速度较快，整体性质不均匀，存在强度等性质缺陷。
应用基层强度形成机理和相关试验可得，水泥稳定碎石（S-5, S-6）的早期强度高，但整体性质不均匀，而二灰碎石（S-1）的整体性质较均匀，但早期强度较低，合理配比三灰碎石（S-2）不但早期强度可满足要求，而且整体性质较均匀，综合了水泥稳定类早期强度较高、二灰稳定类整体性质较均匀的优点。
4. 三灰碎石基层抗裂性能
三灰碎石基层造价相对较低，抗裂效果良好。由试验得出：
在自然条件下，试件成型后其失水率最大，但对应的收缩应变却不太大，特别是成型后24小时内的失水量占总失水量的一半以上，但是所对应的收缩应变还不到总应变量的15%。试验结果表明三灰碎石的干燥收缩具有滞后性。
增加养生时间对试件强度影响很大，說明三灰碎石失水后，结构内部发生了破坏，而且随着延迟时间的延长，其破坏就越严重。但在半刚性材料刚铺筑完毕，如果马上洒水养生，势必造成基层含水量过大而破坏。可在碾压完成后的第二天或第三天开始养生。如果天气非常干燥，应视基层表面情况，及时洒水养生。
从上面的分析表明，要评价材料抗干缩性能的优劣，应以基层材料铺筑完毕后一天内的干缩系数来衡量，同时及时养生具有非常重要的意义。
5. 三灰碎石基层耐久性能
半刚性基层材料具有很大的刚度和整体性，其抗压强度高，而抗弯拉强度却很低，在车辆荷载反复作用下，导致疲劳断裂，半刚性基层的设计以疲劳指标为主也鉴于此。经研究发现：
5.1 二灰碎石（如S-1）的疲劳性能优于水泥稳定碎石(如S-5, S-6)，同时合理配比的三灰碎石(如S-2)疲劳性能最佳。
5.2 在冻融循环反复作用下，半刚性基层材料强度逐渐下降，产生薄弱面，甚至在薄弱面上发生开裂破坏。三灰碎石7天冻融试验的抗冻系数超过100%，这是因为材料经过五天冻融，强度增长超过冻融期间材料破坏的强度损失。
6. 结语
经过室内外试验得出：三灰碎石的强度增长具有后效性，且抗裂性能优于二灰碎石，更优于水泥稳定碎石，合理配比的三灰碎石可以改善半刚性基层的路用性能、减少裂缝，从长寿面路面结构来说减少了维修投资费用。
参考文献
［1］ 邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社,2000.
［2］ 交通部公路科学研究所主编.公路工程集料试验规程（JTJ058-2000）［S］.北京:人民交通出版社，2000.
［3］ 孟建党.基于抗裂性能的沥青路面基层配合比设计及施工工艺研究［D］.硕士学位论文.西安.长安大学,2005.6.
［4］ 徐仁萍.水泥粉煤灰稳定碎石基层沥青路面抗裂性能研究［D］.长安大学博士学位论文.西安.长安大学,2006.
［5］ 天津市公路管理局.天津市沥青路面典型结构设计指导意见［R］,2007.2.
［文章编号］1619-2737（2011）03-09-46
［作者简介］ 王占军（1975.07-），男，汉族，籍贯：河北省张家口市怀安县人，学历：大本，职称：工程师，单位：张家口市城乡建设规划设计院，研究方向：市政工程设计。
张聚昆（1981.9.20-），男，职称：讲师，职务：专职教师，学历：硕士研究生，研究方向：路基路面、道路建筑材料。