王一琪，谭忆秋，王开生，王兴隆

（1.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050；3.黑龙江省交通科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）

复合材料是由2 种或2 种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法组成的具有新性能的材料.各组成材料在性能上取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，进而满足不同的要求［1］.水泥乳化沥青稳定碎石作为一种新型复合材料被越来越多地应用于工程实际中［2－3］.水泥乳化沥青稳定碎石是以水泥、乳化沥青和水共同作为结合料，掺入具有一定级配的碎石中，利用水泥吸附混合料中水分及水化热的特点来加速乳化沥青破乳，水泥水化产物和沥青交织裹覆矿料颗粒，形成相互交叉的立体网络；经拌和形成以水泥为连续相，沥青为分散相的复合材料［4］.以水泥乳化沥青稳定碎石修筑的路面基层兼具半刚性、柔性基层的特点，因此也被称为半柔性基层.在保持水泥稳定碎石高强度的前提下，乳化沥青的加入可适当降低其抗压回弹模量，提高其抗裂性能，防止反射裂缝的产生，进而延长道路的使用寿命.饶建成［5］对半刚性、半柔性基层沥青路面进行了力学响应分析，指出了半刚性基层沥青路面的弊端.殷川等［3］对水泥乳化沥青稳定碎石的干缩特性进行了研究，结果表明其抗干缩能力较半刚性基层好.李志刚等［6］对水泥乳化沥青稳定碎石的干缩性能进行了研究，发现乳化沥青的加入可以有效延缓基层干缩开裂.然而乳化沥青的存在，使水泥稳定碎石呈现出不同的温缩特性.特别是在寒冷地区路面基层中尚未得到广泛应用.因此，本文着重对水泥乳化沥青碎石温缩特性进行研究.

1 试验

1.1 原材料

水泥采用海伦亚泰水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1.乳化沥青为阳离子慢裂型乳化沥青，其基本性质见表2.

表1 水泥的物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of Portland cement

表2 乳化沥青的基本性质Table 2 Basic properties of emulsified asphalt

按照JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》设计水泥稳定碎石的级配，见表3.

表3 水泥稳定碎石的级配Table 3 Gradation of cement stabilized crushed stones

1.2 试件制备与成型

试件采用梁式试件，尺寸为100mm×100mm×400mm，采用静力压实法成型，将装模后的混合料在400kN 压力下静压2min，此时模具上下压块完全压入试模.使用塑料薄膜将脱模完毕的试件包裹密实之后，将试件放进养生室或标准养护箱中进行养护，养护温度为（20±2）℃，相对湿度在95%以上.

1.3 试验设备

温缩系数是指材料在下降单位温度条件下产生的收缩应变量.依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，采用康铜箔电阻式应变片电测法测定试件的温缩系数.并选择无压烧结碳化硅材料作为温度补偿标准件，其线膨胀系数比水泥稳定碎石的收缩系数小1个数量级.

采用J－THERMO 的TH300 型温湿度程式控制器来控制试验温度，温度范围－100～200 ℃.同时采用DT80 智能数据采集仪采集试件的静态应变值.

1.4 试验过程

养护龄期达到90d时，将试件放入105℃干燥箱中，10～12h后取出试件，放在通风干燥处冷却至常温.将水泥砂浆涂抹在梁式试件的2个相对侧面的预定贴片区上，用砂纸将烘干后的涂层打磨平整.粘贴电阻应变片，保证其处于试件中轴线的位置.用串联的方法连接试件两侧的电阻应变片，并采用相同的方法将温度补偿标准件的2 个应变片连接完毕.最后将连接所有应变片的引线接入DT80智能数据采集仪.将接好线的试件和温度补偿标准件采取横卧位放入温湿度程式控制器中，试件的底面垫置涂有润滑油的光圆钢筋.温缩系数按式（1）进行计算：

式中：αt为温缩系数；ti，ti－1为2个相邻恒温段的温度值；εi，εi－1分别为温度ti，ti－1对应的温缩应变；βS为温度补偿标准件的线膨胀系数.

本文在分析中采用了平均温缩系数的概念，即分别求出高温区间（0～30℃）各个温度下温缩系数的平均值与低温区间（－30～0℃）各个温度下温缩系数的平均值，再取其平均值.

2 结果与分析

2.1 养护龄期对温缩特性的影响

为分析养护龄期对水泥稳定碎石及水泥乳化沥青稳定碎石温缩特性的影响，采用水泥用量（质量分数，本文涉及的用量均为质量分数）为4.0%，乳化沥青用量为0%，2.0%，2.5%和3.0%的试件（分别标记 为CEA0－4.0，CEA2.0－4.0，CEA2.5－4.0 和CEA3.0－4.0），测定其7，90d养护龄期的平均温缩系数，结果列于表4.

表4 养护龄期对平均温缩系数的影响Table 4 Effect of aging time on average temperature shrinkage coefficient ×10－6／℃

由表4可知，水泥稳定碎石与水泥乳化沥青稳定碎石的平均温缩系数均随养护龄期的增加而增大.并且随着乳化沥青用量的增加，无论7d 还是90d养护龄期，水泥乳化沥青稳定碎石的平均温缩系数均呈逐渐减小的趋势.

现行规范中，水泥稳定类材料的养护龄期为90d，并未对水泥乳化沥青稳定碎石的养护龄期作出规定.由表4可知，养护龄期为7d时，2种混合料的平均温缩系数均较小，且变化规律较养护龄期为90d时不明显.养护龄期为7d时，水泥乳化沥青稳定碎石中的胶结物和水化产物较少；随着养护龄期的增加，生成的胶结物和水化产物越来越多，其对乳化沥青的黏着连接加强，温缩系数随之增大［7］.因此，为了更加准确地分析混合料的温缩性能，使乳化沥青与水泥充分水化，减少养护龄期的影响，应选择养护龄期为90d进行试验.

2.2 乳化沥青用量对温缩特性的影响

不同乳化沥青用量下试件的温缩应变、温缩系数以及平均温缩系数与温度的关系见表5～7.

表5 不同乳化沥青用量下温缩应变随温度的变化Table 5 Variation of temperature shrinkage strain with temperature under different use levels（by mass）of emulsified asphalt ×10－6

表6 不同乳化沥青用量下温缩系数随温度区间的变化Table 6 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature range under different use levels（by mass）of emulsified asphalt ×10－6／℃

表7 不同温度区间下平均温缩系数随乳化沥青用量变化Table 7 Variation of average temperature shrinkage coefficient with use level（by mass）of emulsified asphalt under different temperature ranges ×10－6／℃

由表5～7 可知，乳化沥青的加入可以有效抑制水泥稳定碎石的温度收缩，并且随着乳化沥青用量的增加，试件的温缩应变、温缩系数和平均温缩系数均呈逐渐降低的趋势.当乳化沥青用量为3.0%时，试件CEA3.0－4.0 在0 ℃时 的 温缩应变比普通水泥稳定碎石试件CEA0－4.0减小了18%；当乳化沥青用量为2.5% 时，试件CEA2.5－4.0在30～0℃区间内的平均温缩系数比试件CEA0－4.0减小了10%.

由表7还可以看出，由于沥青材料本身的温度敏感性高，随着温度区间向高温区间移动，试件的温缩系数随乳化沥青用量增加而减小的趋势减缓.因此，乳化沥青用量不宜超过3.0%，否则会影响整体材料的温缩特性［7－8］.

2.3 水泥用量对温缩特性的影响

水泥为水泥乳化沥青稳定碎石中的主要胶结料，其用量对材料的温缩特性有重要影响.表8～10给出了乳化沥青用量固定为2.5%，水泥用量分别为3.5%，4.0%，4.5%和5.0%时水泥乳化沥青稳定碎石试件（分别标记为CEA2.5－3.5，CEA2.5－4.0，CEA2.5－4.5和CEA2.5－5.0）的温缩应变、温缩系数、平均温缩系数与温度的关系.

表8 不同水泥用量下温缩应变随温度的变化Table 8 Variation of temperature shrinkage strain with temperature under different cement content（by mass）×10－6

表9 不同水泥用量下温缩系数随温度区间的变化Table 9 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature range under different cement content（by mass） ×10－6／℃

表10 不同温度区间下平均温缩系数随水泥用量的变化Table 10 Variation of average temperature shrinkage coefficient with cement content（by mass）under different temperature ranges ×10－6／℃

由表8～10可知，在乳化沥青用量相同时，不同水泥用量下水泥乳化沥青稳定碎石试件的温缩应变、温缩系数及平均温缩系数均产生了一定程度的变化.无论在高温段还是低温段，试件的平均温缩系数均随水泥用量的增加而呈先减小后变大的趋势.当试件的平均温缩系数达到最小值时，对应的水泥用量（4.0%）为最佳水泥用量.

2.4 水泥乳化沥青稳定碎石温缩机理分析

水泥乳化沥青稳定碎石由固相、液相及气相组成.固相、液相及气相不同热胀缩性的综合作用组成了水泥乳化沥青稳定碎石材料的外观热胀缩性.原材料颗粒中各种结晶体、矿物和集料，经化学作用生成的起胶结作用的结晶（Ca（OH）·nH2O，CaCO3）、水化产物结晶和凝胶（C－S－H，C－A－H 和C－A－S－H），以及乳化沥青，这4大部分组成了干燥的水泥乳化沥青稳定碎石.水泥水化反应与乳化沥青破乳形成沥青膜同时进行，水泥水化后产生大量胶结物，乳化沥青在破乳过程中，沥青微珠裹覆在集料表面形成1层沥青薄膜，水化产物与沥青薄膜既相互独立又相互渗透，交织在一起形成网状结构.一部分水泥水化产物深入到沥青薄膜内部，扎根于集料表面；另一部分则插入集料表面的沥青薄膜内，使得水化产物间的连接作用加强［9］.

水泥的水化产物在矿粉与沥青薄膜间、沥青薄膜与沥青薄膜间、矿粉与矿粉间起到了“加筋”的作用，使得材料颗粒间的移动受阻.因此，乳化沥青可以抑制水泥稳定碎石的温度收缩，从而减少反射裂缝的产生［10－11］.

3 结论

（1）加入乳化沥青后，水泥乳化沥青稳定碎石的刚度介于柔性基层与半刚性基层之间，水泥与乳化沥青充分发挥了各自的特点，对粒料的黏结性互补，从而形成了性能优良的新型复合材料.

（2）水泥稳定碎石与水泥乳化沥青稳定碎石的平均温缩系数均随养护龄期的增加而增大.为准确分析水泥乳化沥青稳定碎石的温缩特性，使其充分水化，应选择养护龄期为90d进行试验.

（3）在水泥稳定碎石基层混合料中加入乳化沥青，可以有效降低其温度收缩，试件的温缩应变、温缩系数和平均温缩系数均随乳化沥青用量的增加而减小.但乳化沥青用量由2.5%增至3.0%时，试件的温缩系数随乳化沥青用量增加而减小的趋势减缓，这说明乳化沥青用量不宜超过3.0%.

（4）水泥稳定碎石基层混合料的温缩特性与水泥用量息息相关.随着水泥用量的增加，试件的平均温缩系数呈先减小后增大的趋势.当平均温缩系数达到最小值时，对应的水泥用量（4.0%）为最佳水泥用量.

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