低剂量水泥稳定碎石强度分析
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摘要：本文低剂量水稳碎石采用2.5％~5％不等剂量的水泥用量，通过不同级配水稳碎石的7d无侧限抗压强度试验、28d无侧限抗压强度试验，提出低剂量水稳碎石合理的强度指标和适用于二、三等级道路的合理水泥剂量。
关键词： 水稳碎石； 低剂量； 模量； 水泥；基层
混合料强度是水泥稳定碎石基层混合料配合比设计中的重要指标，是进行混合料组成设计的基础。对于基层，首先要满足承重传荷的作用，其路用性能的其它方面必须在满足强度的基础上加以改善和提高。
水泥中的各种化合物遇水后，发生水化、凝结和硬化作用，生成物与集料胶结，经养生，形成一定强度的整体材料。
1．1 水泥水化
1．硅酸三钙（C3S）
生成的水泥硅酸钙呈凝胶状态，其钙硅比与反应过程液相中Ca(OH)2的浓度、温度等因素有关。在水泥的几种有效成分中，硅酸三钙是水泥强度的主要来源。
2．硅酸二钙（C2S）
硅酸二钙水化速度较硅酸三钙慢，在饱和溶液中水化速度显著降低。水化硅酸钙在高温高压下可由胶体状态转变为晶体状态，而常温下，需经长期硬化才可转变为晶体。
3．铝酸三钙（C3A）
铝酸三钙遇水很快发生剧烈的水化反应，是各种组分中热量最大反应最快的物质，生成大量的方板状水化铝酸钙，反应式如下：
3CaO•Al2O3＋6H2O3CaO•Al2O3•6H2O
4．铝酸四钙（C4AF）
铝酸四钙对材料抗折有利，能提高混合料的抗折强度。C4AF的水化反应如下：
4CaO•Al2O3•Fe2O3＋4H2O3CaO•Al2O3•H2O+ CaO•Fe2O3•H2O
5．石膏（CaSO4• H2O）作用
水泥中的C3S遇水后，迅速溶解成Ca(OH)2，并很快形成饱和溶液。此时，石膏也溶于水，形成石膏溶液。C3A先与CaSO4作用，生成并析出难溶的针状三硫型水化硫铝酸钙，亦称钙矾石。当石膏消耗殆尽或者其溶解度低于水化硫铝酸钙结晶速度时，一部分水化硫铝酸钙会析出CaSO4，形成六方板状的单硫型水化硫铝酸钙。
1．2、 水泥凝结硬化
水泥经水化，生成各种水化物，随时间推延，逐渐凝结硬化成为一定强度的石状体。这个过程经历四个阶段：
1．初始反应期
与水接触后，水泥中的各种化合物开始水化，释放出Ca(OH)2，溶解于水中，使PH值增大，析出晶体，另外暴露在水泥颗粒表面的铝酸盐矿物也溶解于水，并与已溶解的石膏反应，形成钙矾石结晶析出。
2．潜伏期
初始反应期后一段时间，水泥浆体的放热速率一直很低。此间，水泥颗粒表面有一层以凝胶为主的渗透膜层，因此水化反应较慢。
3．凝结期
潜伏期后，由于渗透层的作用，水泥微粒表面的膜层破裂，水泥微粒进一步水化，放热随之增大。在这阶段，主要水化产物有Ca(OH)2、C-S-H凝胶等。由于水化物的体积增加，使水泥浆体的孔隙逐渐减小。
4．硬化期
凝结期后，随着放热量的减小，水化的速率也就放慢，硫酸盐离子耗尽，铝、铁氧化物开始形成，C-S-H凝胶形成短纤维。水化产物进一步填充孔隙，浆体强度不断增长。水泥硬化可以持续很长时间，在适当温度、湿度养护下，强度会继续增大。
经过大量复杂的物理化学反应，水泥种的各种化合物最终生成钙矾石、各种铝铁氧化物、C-S-H纤维以及六角形的Ca(OH)2，胶结在集料表面或相互交错形成一定整体的、具有一定强度的水泥稳定材料。
二、水泥稳定碎石混合料无侧限抗压强度分析
按照《公路工程无机结合料稳定材料材料试验规程》(JTJ057-94)进行7天和28天无侧限抗压强度试验。目前，我国《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）规定：高速公路或一级公路基层的水泥稳定碎石混合料7天无侧限抗压强度为3～5MPa，二级或二级以下则为2.5～3.0MPa。
就基层应力而言，规范要求混合料7天无侧限饱水抗压强度要达到3MPa,这远大于行驶在道路上车辆的轮压（0.8MPa左右），进一步考虑轮压随深度逐渐减小，实际基层所承受到的应力更小，所以对基层而言由轮压引起的竖向应力是相当小的。即使考虑到车辆的动荷作用（动荷系数一般不超过1.30），基层受到的由车辆荷载引起的应力也比较小。
本研究对不同剂量水泥分别做了7d、14d、28d无侧限抗压强度.
图水稳碎石强度与水泥用量、龄期的关系
由上图可以看出，当水泥剂量达到2.5%后，随着水泥剂量的增加，水稳层的强度线性增加，这与以前的研究结论还是相当一致的；此外，养护龄期对强度的影响非常明显，对于水泥剂量为2.5%的情况，28天的无侧限抗压强度约为7天的2倍，因此对于此类半刚性基层材料，要十分注重养生保护。
参考资料:
[1] 沙庆林.《高等级公路半刚性基层沥青路面》，人民交通出版社，1999年.
[2] 江苏省交通科学研究所等，“高等级公路二灰碎石基层裂缝机理及防治措施的研究”，1997年.
[3]A.凯滋迪著，张起森、梁锡三等合译，《稳定土路面》，人民交通出版社，1989年