摘要：本文结合安徽宣城市郎溪村村通公路建设中水泥稳定碎石基层的应用，通过水泥稳定碎石基层混合料微结构扫描电镜照片，初步比较研究了水泥稳定碎石基层混合料掺加粉煤灰、外加剂的物理力学强度形成机理，并就该基层抗裂机理进行了微观分析。
关键词：水泥稳定碎石基层抗裂机理 微观分析
水泥稳定碎石基层已在我省高速公路建设中被推广应用，如何控制材料质量，提高抗裂性能，成为业界关注的焦点。目前，安徽宣城市郎溪县村村通工程也采用了水泥稳定碎石基层。
水泥稳定碎石基层材料是由水泥、集料和水等多种固体结构元、孔结构元和水分等组成的非均质体系，在配合比设计时，一般还掺有一定比例的粉煤灰、外加剂，以改善其综合录用性能。随着时间的变化，该非均质体系发生变化，混合料的宏观物理性能如强度、抗收缩性和抗疲劳性等均随之变化，并会带来一些路面病害，最为常见的就是路面裂缝，而路面裂缝，也是道路病害中最典型的病害。
针对安徽宣城市郎溪县村村通工程水泥稳定碎石基层试验路段出现裂缝情况，本文采用电子显微照片结合矿物分析，对农村公路采用水泥稳定碎石基层路面的裂缝形成进行了微观分析。
1.试验路情况
1.1试验路施工环境及施工配合比
试验路施工及养护期间天气晴好，气温较高，平均气温达到35.5℃。试验路段分别针对普通水泥稳定碎石基层、掺粉煤灰、掺具有缓凝阻裂作用的外加剂（有机黄酸盐hnf-6）三种情况分别铺设，具体设置为：
一般路段：普通水泥稳定碎石基层路段，混合料组成为水泥含量4.0％，集料为规范中值级配。
快速路段：普通水泥稳定碎石基层混合料中水泥含量5.0％，掺加4％的粉煤灰，外掺剂占水泥用量的6％。
二级路路段：普通水泥稳定碎石基层混合料中水泥含量5.0％，掺加7％的粉煤灰，掺加水泥含量6％的外加剂，集料为规范级配中值下降5％（4.75mm通过量为34％）。
1.2试验路水泥稳定碎石基层路面裂缝情况
试验路竣工两月后，对试验路进行了裂缝调查，调查结果如下。
一般路段：调查长度400m，检查到横向裂缝30条，平均间距13m，裂缝宽度1.98～2.50mm，平均宽度2.26mm，长度均横向贯穿全宽，深度均贯穿层厚。
快速路段：调查长度250m，检查到横向裂缝5条，平均间距50m，裂缝宽度1.20～2.14mm，平均宽度1.61mm，长度均横向贯穿全宽，深度均贯穿层厚。
二级路路段：调查长度120m，检查到横向裂缝4条，平均间距30m，裂缝宽度1.62～2.68mm，平均宽度1.98mm，长度均横向贯穿全宽，深度均贯穿层厚。
2.水泥稳定碎石基层裂缝机理微观分析
2.1一般路段水泥稳定碎石基层抗裂机理微观分析
图1针状钙矾石晶体（4000倍）图2 片状水化物（2000倍）
图3 混合料微观照片（1000倍）图4胶结物凝胶（4000倍）
水泥稳定碎石混合料强度的形成始于水泥的水化。水泥遇水后，水泥遇水后，硅酸三钙（c3s）、硅酸二钙（c2s）、铝酸三钙（c3a）和铁铝酸四钙（c4af）与水反应，生成六角形的ca(oh)2、纤维状c-s-h、方板状水化铝酸钙以及六角板状水化铝酸钙（c4ah13）。因此，水泥稳定碎石的强度形成过程，从微观上是一个水化产物由无定形凝胶向低结晶度、最终到高结晶度的发展过程。
从微观照片并结合矿物质分析，图1、图2的混合料中针状钙矾石含量较高，一维生长，向外撑开；另外除了少量正常生成的ca(oh)2外，图2中可以看出，有由于三氧化硫含量过高而形成的片状的单硫形水化硫铝酸钙，破坏了凝胶体的胶结作用，这些都导致裂缝增多。对应图3的路段裂缝较多，但从微观上看，并未发现不良结晶物，只是许多颗粒还没有充分水化，单独存在在混合物中，没有形成具有强度的胶结体。而图4混合料中，除了一些胶结物凝胶和少量的针状钙矾石，也没有发现其他有危害性结晶物体，所以，表现为路面状况较好。
总体来说，该路段由于水泥含量相对较少，也没有掺加外加剂，裂缝相对较多。从微观角度来看，主要是由于三氧化硫含量过高而形成的片状的单硫形水化硫铝酸钙及针状钙矾石含量过高造成的。
2.2快速路段水泥稳定碎石抗裂机理微观分析
图5 发散性针状钙矾石晶体（1000倍）图6混杂的c-s-h凝胶（4000倍）
图7六角板状的水化铝酸钙晶体（1000倍） 图8混合料中未水化粉煤灰颗粒（5000倍）
快速路段提高了水泥用量，掺入了粉煤灰，并使用的外加剂为有机黄酸盐（hnf-6系列）。
粉煤灰在混合料中从微观上分析，主要发挥颗粒形态效应、火山灰效应、微集料效应，从而起到减水作用，改善混合料流动性，并促进水泥水化，吸收ca(oh)2生成c-s-h凝胶，改善界面区粘结性与基体孔结构，同时增进水泥水化前后的致密性、细化孔结构，提高了限制水泥基收缩和徐变变形的能力；从而提高混合料后期强度的作用。外加剂在水泥稳定碎石中具有缓凝阻裂作用，有减水和提高工作和易性的作用，同时还可以减少水化热作用，延长水泥的凝结时间从而降低混合料的收缩率。
从微观照片上可以看出，图5针状物及片状物较多，矿物分析该物体为针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙，该类产物主要是由于三氧化硫及铝含量过高所形成。针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙随着龄期增长，变粗变长，向外扩张，从而形成裂缝。而此路段的混合料，矿物分析得知该针状物为c-s-h凝胶，主要起胶结作用，混合物中硫、铝含量较小，所以几乎没有针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙，所以混合料比较致密，路面状况较好。图7、图8同为掺粉煤灰4％，现场调查裂缝也较多，但总的情况比图5所在路段要好一点。根据微观照片和矿物质分析，该两种混合料中针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙含量很小，但是，从微观照片中可以明前看出，混合料中粉煤灰颗粒尽管表面开始水化，但是还没有水化充分，这便容易降低混合料早期强度，从而降低稳定性，产生裂缝。
2.3二级路路段水泥稳定碎石抗裂机理微观分析
二级路路段提高水泥用量、掺入外加剂，并将粉煤灰含量提高至7％，同时降低了细集料的含量。
图9路段，现场调查没有裂缝。根据微观分析，该混合料主要胶结物为c-s-h凝胶，混合料较致密，除了少量正常生成的ca(oh)2没有其他不良结晶物体，所以路况较好，几乎没有发现裂缝。
图10、图11、图12所在路段，裂缝也相对较少。图10、图12路段的裂缝，从混合料微观分析，混合料中针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙分布不均匀，且粗细不一，同样呈现一维生长，从而造成裂缝。图11所在路段出现裂缝，可以明显看出，由于粉煤灰含量过高，导致过量的粉煤灰颗粒没有水化，成为单独的颗粒存在于混合料中，并在其颗粒周围形成空隙，这便降低了强度，容易形成裂缝。
从总体而言，该路段裂缝相对较少，而出现裂缝处，主要也是针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙的存在及粉煤灰含量过高造成。降低了细集料含量后，整体路段的裂缝明显减少，但是，从微观角度，为发现什么有利因素。
图9致密微观结构 （1000倍）图10针状钙矾石晶体 （4000倍）
图11混合料中没有水化完全的粉煤灰颗粒（4000倍）图12 针状钙矾石（4000倍）
3.结论及建议：
根据微观分析，就裂缝形成影响而言，粉煤灰的含量及外加剂对裂缝形成有一定影响，而裂缝主要原因是由于混合料中三氧化硫含量过高，从而生成较多的针状钙矾石和单硫水化硫铝酸钙，它们呈一维生长，向外扩张，从而形成裂缝。水泥中三氧化硫超标或劣质粉煤灰、施工中使用的早强剂，均能造成三氧化硫含量过高，从而生成不良晶体，导致裂缝增多。建议施工过程中，严格控制粉煤灰、水泥质量，同时控制早强剂的用量，主要是控制其中三氧化硫及铝含量。
至于三氧化硫及铝含量控制在多少之内为宜，还需进一步研究。同时，建议对细集料含量对裂缝形成的影响，从微观角度进行深入的研究。
参考文献
[1]周诚玺、吴晓明. 掺粉煤灰水泥稳定碎石基层混合料的微结构研究.粉煤灰.2003.1
[2]徐宏、倪富健等.水泥稳定碎石抗裂设计方法专题研究报告.江苏省交通科学研究院.2003.2
作者简介：方平，1963年1月生，安徽郎溪人，工程师，现从事公路建设工程管理。
注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。