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【摘要】本文依托高海拔常年低温的西藏地区某国道大修工程，对掺加低温超早强粉的水稳碎石基层路用性能进行室内试验研究。试验结果表明，掺加低温超早强粉的水稳碎石基层抗压强度、收缩性能、水稳定性能及疲劳性能均得到了很大程度的提高，能够满足低温地区对水稳基层路用性能要求。
【关键词】常年低温；水稳碎石基层；低温超早强粉；路用性能
Study on the Pavement Performance of Cement-stabilized Base with Low-temperature Super Early-strength Agent
Yang Ming-yan
（PingdingshanJiaYang Road and Engineering Co. Ltd Pingdingshan Henan 467000）
【Abstract】Based on the testing section of a certain maintenance project of a state road in Tibet where the temperature is perennially low and the latitude is high， a set of laboratory experiments were carried out to validate the pavement performance of cement-stabilized macadam base which the low-temperature super early-strength agent was added. The results showed that adding low-temperature super early-strength agent greatly improved the compressive strength， shrinkage properties， water stability and fatigue properties of the base， making it meet the requirements for pavement performance in low temperature areas.
【Key words】Perennially low temperature；Cement-stabilized macadam base；Low-temperature super early-strength agent；Pavement performance
对于高海拔常年低温的西藏地区，水泥稳定碎石基层铺筑完成后需养生10～15天才能取出完整芯样，即早期强度形成慢，影响后续沥青面层的连续铺筑；同时，随着水稳基层在低温条件下暴露的时间越长，其因收缩造成开裂严重，后续铺筑沥青混凝土后的反射裂缝较多[1]。为此，本文依托西藏地区某国道大修工程，在水泥稳定基层中添加了一种MJ-低温超早强粉，通过室内试验分析MJ-低温超早强粉对水泥稳定碎石基层抗压强度、收缩特性、水稳定性及疲劳特性等路用性能的影响，以求解决低温地区因水稳基层强度形成较慢造成沥青面层早期病害的问题，通过铺筑试验段的成功，证明了添加MJ-低温超早强粉后的水稳基层能够满足低温地区对其路用性能的要求。
1. MJ-低温超早强粉简介
MJ-低温超早强粉性状为浅灰色细粉末，其主要的矿物成分为硅酸钙、硫铝酸钙、铝酸钙和部分晶体[2]。掺加后通过与水泥的反应，在短时间内能够生成大量的水化铝酸钙、针状的钙矾石和纤维状的水化硅酸钙，填充于原先为水、孔隙所占的空间；同时，还能显著降低水的冰点，增加水泥水化结晶晶胚的生成速度，降低表面能与液相粘度而增加成键比例等作用，使得水泥稳定基层在低温条件下早期强度迅速形成。
2. 掺低温超早强粉的水稳基层路用性能分析
2.1 掺低温超早强粉水稳基层的抗压强度。
2.1.1 现行的《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000） [3]中对水泥稳定碎石混合料应用于各级公路的抗压强度指标就是7d无侧限抗压强度。考虑到低温超早强粉主要针对特殊低温条件使用，水稳基层选择在-5℃低温条件下进行保湿养生，并进行不同掺量的混合料无侧限抗压强度对比分析。试验结果如表1及图1所示。
2.1.2 由图1可知：（1）在-5℃养生条件下，与未掺相比，掺入MJ-低温超早强粉后水稳基层抗压强度大幅提高，混合料低温早期强度形成过程明显加快，主要原因在于MJ-低温超早强粉降低了自由水冰点，减小了负温对早期水泥水化反应的影响。同时，MJ-低温超早强粉的活化成分加速了水化物的生成、结晶与凝结过程，使水泥石骨架快速形成。
（2）随着低温超早强粉掺量的增加，水稳碎石抗压强度也随着增大，以3d为例，掺16%的抗压强度较未掺加提高1.59倍，较掺加4%提高1.34倍，较掺加8%提高1.21倍，较掺加12%提高1.11倍。
2.2 掺低温超早强粉水稳基层的抗收缩性能。
2.2.1 本次试验是参照混凝土的干缩试验方法，利用混凝土的测长仪器（精度0.0lmm）测量中梁失水收缩变形。将试件放在天然湿度下风干，室内温度保持在18～22℃之间，观测不同时间试件的重量和变形，直至含水量不再减小，试件体积基本不变为止。干缩试验共持续28d，根据累计干缩应变按下式计算干缩系数α。
α=ε/ω
式中：α——干缩系数（10-6m）；
ε——干缩应变（10-6m）； ω——失水率（%）。
按照上述方法进行干缩试验，所得试验结果如表2和图2～4。
2.2.2 从表2及图2～4可知：
（1）掺与未掺外加剂的水泥稳定碎石的干缩应变的变化规律很相似，都是随着龄期的增长而增长，相同试验龄期时，5种混合料中未掺的干缩应变最大，掺16%的最小其他的介于两者之间。以龄期7d时为例，掺8%的干缩应变比掺16%的大37.7%，而未掺的比掺16%要大55.2%。
（2）掺与未掺外加剂的水泥稳定碎石的失水量变化规律亦很相似，失水量都是随时间的增长而增大，5种混合料中未掺的失水总量最大，掺16%的失水总量最小，其他的失水总量居中。以龄期为14d时为例，掺8%的失水量比掺16%的大36.9%，而未掺的比掺16%要大52.6%。
（3）水泥稳定碎石基层材料干缩系数随龄期的变化规律是：在试验初期，干缩系数较大，随着时间的增长而有所降低，在这5种材料中，掺16%的干缩系数最小，未掺的最大，其他介于两者之间。说明低温超早强粉的加入能够减小水泥稳定碎石的干缩系数，提高水泥稳定碎石抵抗干燥收缩的能力。
2.3 掺低温超早强粉水稳基层的水稳性能。
（1）进入路面结构层中的水能使含土多、土的塑性指数较大的基层或底基层材料的含水量增加，使强度大大降低，从而导致沥青路面过早破坏。在低温冰冻地区，这种水造成的危害更大。
（2）在路面材料性能研究中，常采用软化系数来表示材料的耐水性。
C=R/Rω
式中：C——软化系数；
R——饱水状态下的无侧限抗压强度（MPa）；
Rω——未饱水状态下的无侧限抗压强度（MPa）。
对每一个外加剂掺量的水泥稳定碎石成型两组平行试件，养生至规定龄期。在龄期最后一天，一组不浸水，一组浸水24h，测试它们的无侧限抗压强度。试验结果如表3和图5所示。
（3）与其他结合料稳定碎石相比，水泥稳定碎石的耐水性比较好。从表3和图5中也可以看出，水泥稳定碎石的软化系数很高。各种掺量（包括未掺外加剂）的软化系数都在0.98以上。通过比较我们可以发现，随着掺量增加，软化系数进一步提高。
（4）因此，低温超早强粉的掺入对水泥稳定碎石的耐水性没有不良影响，而且在大多数情况下是有所帮助的。这主要是因为外加剂的掺入加速了水泥的水化产生很多的胶凝物质填充孔隙，改善水泥石的孔结构，使水泥稳定碎石内部更密实，不利于水分的进入，也有利于强度增长，就相应提高了水泥稳定碎石的耐水性。
2.4 掺低温超早强粉水稳基层的疲劳性能。
（1）本文采用控制应力的加载模式。施加应力的图式为正弦波形，平行试验误差不大于20%。加载时环境温度为10～20℃，加载误差小于2%[4]。
（2）试件采用静压法成型，尺寸为10cm×10cm×40cm的中梁，在20±2℃的保温保湿养生90d，用于抗弯拉强度的试件与用于疲劳试验的试件同批成型和养生。掺入低温超早强粉的混合料疲劳性能对比试验结果见表4。
（3）由试验结果可见，掺低温超早强粉后水泥稳定碎石疲劳性能略有提高，其中在应力水平S小于0.8的低应力区提高比较明显。掺低温超早强粉，回归参数值降低约12.8% ， 即疲劳曲线变缓， 说明混合料疲劳寿命随应力变化的敏感程度降低。从理论疲劳寿命值看，掺低温超早强粉使混合料疲劳寿命随应力比降低而增加的幅度和速率提高。同时，当混合料的理论疲劳寿命达到106次时对应的应力水平值在掺低温超早强粉后略有提高。由此可得，掺低温超早强粉对水泥稳定碎石的弯拉疲劳性能整体影响不大，但在低应力水平作用范围内可以延长使用寿命。
（4）分析其机理作用可知，掺低温超早强粉的水泥稳定碎石，由于外加剂里掺加了表面活性剂，表面活性剂具有两个基团而产生表面吸附能降低表面自由能和表面张力，并产生分散、湿润、润滑晶粒细化和起泡作用，可以使水泥水化更充分，水泥颗粒也能够均匀的分散到碎石中去，减少水泥与集料界面缺陷的出现。另外，掺低温超早强粉中还掺加了膨胀阻裂成分，这些都能改善水泥石的孔结构，降低孔隙率，使水泥石内部更密实，具有更高的强度和疲劳寿命。
3. 工程案例
本次试验段选择海拔高度在4000米以上新藏公路某段，具体的铺筑方案、外加剂添加方法等如下。
3.1 掺加量的确定。
由于水泥在不同的环境温度下的初终凝时间不同，掺加早强粉后原水泥的初凝时间有所缩短，为此在铺筑试验段之前，需要根据气温适当调整掺加的比例，通过变化不同掺加量，测定水泥的初凝时间，试验结果最终确定掺加量与施工温度的关系如下表5所示，试验段施工时，施工温度在0℃左右，故采用16%的添加量。
3.2 早强粉添加方法。
采用袋装添加的方法进行添加，在水泥稳定土拌合站的袋装水泥上料口添加早强粉，水泥则通过
散装水泥灌调价到拌合缸中，通过电脑控制将水泥和早强粉准确地添加到拌合缸中。
3.3 现场取芯结果。
（1）养生1天后取芯：掺加16%早强粉水稳基层养生1d后，进行现场取芯，取芯数4个，结果没有取出芯样。（外界温度2℃）。
（2）养生2天后取芯：掺加16%早强粉水稳基层养生2d后，进行现场取芯，取芯数4个，结果全部取出断裂芯样。（外界温度1℃）。
（3）养生3天后取芯：掺加16%早强粉水稳基层养生，进行现场取芯，取芯数4个，结果3个取出完整芯样，1个断裂芯样。（外界温度1℃）。
（4）未掺有SES-I低温早强剂养生的基层，养生7天，取芯数4个未取出完整芯样。
取芯结果表明：在新藏公路该试验段中，掺加16%早强粉后的水稳基层，养生3天均可以满足设计强度，并可取出芯样，解决水泥稳定基层强度增长缓慢的问题，因此该方案可在常年低温地区水泥稳定基层中推广应用。
4. 结论
通过室内试验的验证，掺低温超早粉的水稳碎石基层路用性能得到了不同程度的提高，能够满足常年低温的西藏地区公路工程应用，具体结论如下：
（1）在-5℃养生条件下，掺入MJ-低温超早强粉后水稳基层抗压强度大幅提高，混合料低温早期强度形成过程明显加快，工程应用中3d能取出完整芯样也证明了此点。同时随着低温超早强粉掺量的增加，水稳碎石抗压强度也随着增大，但最佳掺量的确定需根据工程实际进一步确定。
（2）随着低温超早强粉的加入能够减小水泥稳定碎石的干缩系数，提高水泥稳定碎石抵抗干燥收缩的能力。
（3） 低温超早强粉的掺入对水泥稳定碎石的耐水性没有不良影响，随着掺量增加，软化系数进一步提高，相应提高了水泥稳定碎石的耐水性。
（4）掺低温超早强粉后水泥稳定碎石疲劳性能在应力水平S小于0.8的低应力区提高比较明显，在低应力水平作用范围内可以延长使用寿命。而且混合料疲劳寿命随应力变化的敏感程度降低，具有更高的疲劳寿命。
（5）通过试验段验证，在常年低温地区进行水稳基层施工，通过添加低温超早强粉，可以解决水泥稳定基层强度增长缓慢的问题，值得该地区推广应用。
参考文献
[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.
[2] JTJ034-2000，公路路面基层施工技术规范.
[3] JTJ E51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程.
【关键词】常年低温；水稳碎石基层；低温超早强粉；路用性能
Study on the Pavement Performance of Cement-stabilized Base with Low-temperature Super Early-strength Agent
Yang Ming-yan
（PingdingshanJiaYang Road and Engineering Co. Ltd Pingdingshan Henan 467000）
【Abstract】Based on the testing section of a certain maintenance project of a state road in Tibet where the temperature is perennially low and the latitude is high， a set of laboratory experiments were carried out to validate the pavement performance of cement-stabilized macadam base which the low-temperature super early-strength agent was added. The results showed that adding low-temperature super early-strength agent greatly improved the compressive strength， shrinkage properties， water stability and fatigue properties of the base， making it meet the requirements for pavement performance in low temperature areas.
【Key words】Perennially low temperature；Cement-stabilized macadam base；Low-temperature super early-strength agent；Pavement performance
对于高海拔常年低温的西藏地区，水泥稳定碎石基层铺筑完成后需养生10～15天才能取出完整芯样，即早期强度形成慢，影响后续沥青面层的连续铺筑；同时，随着水稳基层在低温条件下暴露的时间越长，其因收缩造成开裂严重，后续铺筑沥青混凝土后的反射裂缝较多[1]。为此，本文依托西藏地区某国道大修工程，在水泥稳定基层中添加了一种MJ-低温超早强粉，通过室内试验分析MJ-低温超早强粉对水泥稳定碎石基层抗压强度、收缩特性、水稳定性及疲劳特性等路用性能的影响，以求解决低温地区因水稳基层强度形成较慢造成沥青面层早期病害的问题，通过铺筑试验段的成功，证明了添加MJ-低温超早强粉后的水稳基层能够满足低温地区对其路用性能的要求。
1. MJ-低温超早强粉简介
MJ-低温超早强粉性状为浅灰色细粉末，其主要的矿物成分为硅酸钙、硫铝酸钙、铝酸钙和部分晶体[2]。掺加后通过与水泥的反应，在短时间内能够生成大量的水化铝酸钙、针状的钙矾石和纤维状的水化硅酸钙，填充于原先为水、孔隙所占的空间；同时，还能显著降低水的冰点，增加水泥水化结晶晶胚的生成速度，降低表面能与液相粘度而增加成键比例等作用，使得水泥稳定基层在低温条件下早期强度迅速形成。
2. 掺低温超早强粉的水稳基层路用性能分析
2.1 掺低温超早强粉水稳基层的抗压强度。
2.1.1 现行的《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000） [3]中对水泥稳定碎石混合料应用于各级公路的抗压强度指标就是7d无侧限抗压强度。考虑到低温超早强粉主要针对特殊低温条件使用，水稳基层选择在-5℃低温条件下进行保湿养生，并进行不同掺量的混合料无侧限抗压强度对比分析。试验结果如表1及图1所示。
2.1.2 由图1可知：（1）在-5℃养生条件下，与未掺相比，掺入MJ-低温超早强粉后水稳基层抗压强度大幅提高，混合料低温早期强度形成过程明显加快，主要原因在于MJ-低温超早强粉降低了自由水冰点，减小了负温对早期水泥水化反应的影响。同时，MJ-低温超早强粉的活化成分加速了水化物的生成、结晶与凝结过程，使水泥石骨架快速形成。
（2）随着低温超早强粉掺量的增加，水稳碎石抗压强度也随着增大，以3d为例，掺16%的抗压强度较未掺加提高1.59倍，较掺加4%提高1.34倍，较掺加8%提高1.21倍，较掺加12%提高1.11倍。
2.2 掺低温超早强粉水稳基层的抗收缩性能。
2.2.1 本次试验是参照混凝土的干缩试验方法，利用混凝土的测长仪器（精度0.0lmm）测量中梁失水收缩变形。将试件放在天然湿度下风干，室内温度保持在18～22℃之间，观测不同时间试件的重量和变形，直至含水量不再减小，试件体积基本不变为止。干缩试验共持续28d，根据累计干缩应变按下式计算干缩系数α。
α=ε/ω
式中：α——干缩系数（10-6m）；
ε——干缩应变（10-6m）； ω——失水率（%）。
按照上述方法进行干缩试验，所得试验结果如表2和图2～4。
2.2.2 从表2及图2～4可知：
（1）掺与未掺外加剂的水泥稳定碎石的干缩应变的变化规律很相似，都是随着龄期的增长而增长，相同试验龄期时，5种混合料中未掺的干缩应变最大，掺16%的最小其他的介于两者之间。以龄期7d时为例，掺8%的干缩应变比掺16%的大37.7%，而未掺的比掺16%要大55.2%。
（2）掺与未掺外加剂的水泥稳定碎石的失水量变化规律亦很相似，失水量都是随时间的增长而增大，5种混合料中未掺的失水总量最大，掺16%的失水总量最小，其他的失水总量居中。以龄期为14d时为例，掺8%的失水量比掺16%的大36.9%，而未掺的比掺16%要大52.6%。
（3）水泥稳定碎石基层材料干缩系数随龄期的变化规律是：在试验初期，干缩系数较大，随着时间的增长而有所降低，在这5种材料中，掺16%的干缩系数最小，未掺的最大，其他介于两者之间。说明低温超早强粉的加入能够减小水泥稳定碎石的干缩系数，提高水泥稳定碎石抵抗干燥收缩的能力。
2.3 掺低温超早强粉水稳基层的水稳性能。
（1）进入路面结构层中的水能使含土多、土的塑性指数较大的基层或底基层材料的含水量增加，使强度大大降低，从而导致沥青路面过早破坏。在低温冰冻地区，这种水造成的危害更大。
（2）在路面材料性能研究中，常采用软化系数来表示材料的耐水性。
C=R/Rω
式中：C——软化系数；
R——饱水状态下的无侧限抗压强度（MPa）；
Rω——未饱水状态下的无侧限抗压强度（MPa）。
对每一个外加剂掺量的水泥稳定碎石成型两组平行试件，养生至规定龄期。在龄期最后一天，一组不浸水，一组浸水24h，测试它们的无侧限抗压强度。试验结果如表3和图5所示。
（3）与其他结合料稳定碎石相比，水泥稳定碎石的耐水性比较好。从表3和图5中也可以看出，水泥稳定碎石的软化系数很高。各种掺量（包括未掺外加剂）的软化系数都在0.98以上。通过比较我们可以发现，随着掺量增加，软化系数进一步提高。
（4）因此，低温超早强粉的掺入对水泥稳定碎石的耐水性没有不良影响，而且在大多数情况下是有所帮助的。这主要是因为外加剂的掺入加速了水泥的水化产生很多的胶凝物质填充孔隙，改善水泥石的孔结构，使水泥稳定碎石内部更密实，不利于水分的进入，也有利于强度增长，就相应提高了水泥稳定碎石的耐水性。
2.4 掺低温超早强粉水稳基层的疲劳性能。
（1）本文采用控制应力的加载模式。施加应力的图式为正弦波形，平行试验误差不大于20%。加载时环境温度为10～20℃，加载误差小于2%[4]。
（2）试件采用静压法成型，尺寸为10cm×10cm×40cm的中梁，在20±2℃的保温保湿养生90d，用于抗弯拉强度的试件与用于疲劳试验的试件同批成型和养生。掺入低温超早强粉的混合料疲劳性能对比试验结果见表4。
（3）由试验结果可见，掺低温超早强粉后水泥稳定碎石疲劳性能略有提高，其中在应力水平S小于0.8的低应力区提高比较明显。掺低温超早强粉，回归参数值降低约12.8% ， 即疲劳曲线变缓， 说明混合料疲劳寿命随应力变化的敏感程度降低。从理论疲劳寿命值看，掺低温超早强粉使混合料疲劳寿命随应力比降低而增加的幅度和速率提高。同时，当混合料的理论疲劳寿命达到106次时对应的应力水平值在掺低温超早强粉后略有提高。由此可得，掺低温超早强粉对水泥稳定碎石的弯拉疲劳性能整体影响不大，但在低应力水平作用范围内可以延长使用寿命。
（4）分析其机理作用可知，掺低温超早强粉的水泥稳定碎石，由于外加剂里掺加了表面活性剂，表面活性剂具有两个基团而产生表面吸附能降低表面自由能和表面张力，并产生分散、湿润、润滑晶粒细化和起泡作用，可以使水泥水化更充分，水泥颗粒也能够均匀的分散到碎石中去，减少水泥与集料界面缺陷的出现。另外，掺低温超早强粉中还掺加了膨胀阻裂成分，这些都能改善水泥石的孔结构，降低孔隙率，使水泥石内部更密实，具有更高的强度和疲劳寿命。
3. 工程案例
本次试验段选择海拔高度在4000米以上新藏公路某段，具体的铺筑方案、外加剂添加方法等如下。
3.1 掺加量的确定。
由于水泥在不同的环境温度下的初终凝时间不同，掺加早强粉后原水泥的初凝时间有所缩短，为此在铺筑试验段之前，需要根据气温适当调整掺加的比例，通过变化不同掺加量，测定水泥的初凝时间，试验结果最终确定掺加量与施工温度的关系如下表5所示，试验段施工时，施工温度在0℃左右，故采用16%的添加量。
3.2 早强粉添加方法。
采用袋装添加的方法进行添加，在水泥稳定土拌合站的袋装水泥上料口添加早强粉，水泥则通过
散装水泥灌调价到拌合缸中，通过电脑控制将水泥和早强粉准确地添加到拌合缸中。
3.3 现场取芯结果。
（1）养生1天后取芯：掺加16%早强粉水稳基层养生1d后，进行现场取芯，取芯数4个，结果没有取出芯样。（外界温度2℃）。
（2）养生2天后取芯：掺加16%早强粉水稳基层养生2d后，进行现场取芯，取芯数4个，结果全部取出断裂芯样。（外界温度1℃）。
（3）养生3天后取芯：掺加16%早强粉水稳基层养生，进行现场取芯，取芯数4个，结果3个取出完整芯样，1个断裂芯样。（外界温度1℃）。
（4）未掺有SES-I低温早强剂养生的基层，养生7天，取芯数4个未取出完整芯样。
取芯结果表明：在新藏公路该试验段中，掺加16%早强粉后的水稳基层，养生3天均可以满足设计强度，并可取出芯样，解决水泥稳定基层强度增长缓慢的问题，因此该方案可在常年低温地区水泥稳定基层中推广应用。
4. 结论
通过室内试验的验证，掺低温超早粉的水稳碎石基层路用性能得到了不同程度的提高，能够满足常年低温的西藏地区公路工程应用，具体结论如下：
（1）在-5℃养生条件下，掺入MJ-低温超早强粉后水稳基层抗压强度大幅提高，混合料低温早期强度形成过程明显加快，工程应用中3d能取出完整芯样也证明了此点。同时随着低温超早强粉掺量的增加，水稳碎石抗压强度也随着增大，但最佳掺量的确定需根据工程实际进一步确定。
（2）随着低温超早强粉的加入能够减小水泥稳定碎石的干缩系数，提高水泥稳定碎石抵抗干燥收缩的能力。
（3） 低温超早强粉的掺入对水泥稳定碎石的耐水性没有不良影响，随着掺量增加，软化系数进一步提高，相应提高了水泥稳定碎石的耐水性。
（4）掺低温超早强粉后水泥稳定碎石疲劳性能在应力水平S小于0.8的低应力区提高比较明显，在低应力水平作用范围内可以延长使用寿命。而且混合料疲劳寿命随应力变化的敏感程度降低，具有更高的疲劳寿命。
（5）通过试验段验证，在常年低温地区进行水稳基层施工，通过添加低温超早强粉，可以解决水泥稳定基层强度增长缓慢的问题，值得该地区推广应用。
参考文献
[1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.
[2] JTJ034-2000，公路路面基层施工技术规范.
[3] JTJ E51-2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程.