1. 引言

半刚性基层以其出色的板体性能、高承载力和低成本而被广泛应用于我国各级道路[1]。但水泥稳定碎石的材料特性和基层的薄板特性决定了半刚性基层易产生收缩裂缝和板块化断裂，进而在沥青面层诱发反射裂缝等一系列次生病害，加速路面性能劣化。基层裂缝具有隐蔽性，检测难度大、处治成本高，一旦被破坏通常需要“开膛破肚”式挖除重建，是影响半刚性基层沥青路面长寿的痼疾[1]。长期以来，道路工作者从各种角度(骨架密实结构、重型压实、膨胀补偿、振动搅拌等)尝试提高水泥稳定碎石的自身抗力以满足汽车荷载与环境作用的要求[2]-[5]。不同于文献[6]所述的碾压预裂/微裂(Pre-Cracking/Microcracking)技术，笔者基于前期研究提出了内生微裂[7]的技术思路，即通过粗骨料表面引入人工涂层，一方面实现骨料和砂浆相粘结强度减弱程度可控，使砂浆相的收缩限制在嵌锁骨架体系之间，避免温湿度收缩在基层产生长宽裂缝局部化带；另一方面，人工涂层的阻尼性能可控，结合砂浆增强、粗骨料嵌挤等手段提高粘结弱化水稳的动静态抗剪能力，新体系在宏观上仍表现为无宽裂缝的整体性特征。

为了揭示内生微裂对水泥稳定碎石各项路用性能的影响规律，本文采用乳化沥青对水泥稳定碎石所用粗骨料表面进行涂层处理，实现骨料–砂浆界面的预弱化，系统研究了弱化骨料替换率对混合料抗压强度、回弹模量、收缩性能、抗冻性能、阻尼性能、抗剥落性能的影响，以期为可控微裂水稳材料设计与工程应用提供支撑。

2. 试验设计

2.1. 原材料

水泥稳定碎石配制用原材料：水泥为北京水泥厂有限责任公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥；集料为河北省张家口市的石灰岩碎石，其最大公称粒径为31.5 mm；砂子为河砂，细度模数2.6；水为自来水；骨料界面弱化涂层为慢裂型阳离子乳化沥青，原材料主要性能指标见表1~3。

Table 1. Main performance of cement

表1. 水泥的主要性能指标

Table 2. Main performance of aggregates

表2. 集料的主要性能指标

Table 3. Main performance of emulsified asphalt

表3. 乳化沥青的主要性能指标

2.2. 混合料级配设计

水泥稳定碎石混合料采用骨架密实型级配，参照JTG/TF20-2015《公路路面基层施工技术细则》中C-B-3的级配范围进行设计，合成级配见表4。

Table 4. Cement stabilised aggregates grading

表4. 水泥稳定碎石混合料级配

2.3. 骨料–砂浆界面弱化程度控制方法

采用乳化沥青对19~31.5 mm粗骨料进行搅拌预处理，将预处理后的粗骨料以不同替换率(本文分别选取：0%，25%，50%，100%)替换2.2节所列水泥稳定碎石混合料中的粗骨料，开展路用性能试验。

因乳化沥青涂层厚度和骨料表面裹覆率两个参数直接影响骨料–砂浆的界面弱化程度，本文采用以下方法确定了乳化沥青与粗骨料的最佳拌合质量比：

1) 将19~31.5 mm的粗骨料与不同质量比例的乳化沥青进行搅拌混合，确保骨料均匀裹附乳化沥青。

2) 碎石骨料的不透光性导致无法直接通过显微镜测量乳化沥青涂层的厚度，本文采用环氧树脂3D打印的骨料并掺入碎石骨料共同拌合，使用图像分析软件进行标尺定标、涂层厚度测量和裹附面积测量。

3) 采用手动式拉拔附着力仪测量涂层粘结强度。

试验结果如表5所示：涂层厚度、裹附面积与粘结强度会随着乳化沥青掺量的增加而增大，但当乳化沥青剂量达到9%后，增长趋势显著减缓，综合考虑经济性，确定乳化沥青与粗骨料的最佳拌合质量比为9%。

Table 5. Bonding characteristics of emulsified asphalt with coarse aggregates

表5. 乳化沥青与粗骨料的粘结特性

2.4. 试验方案

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)要求进行击实试验，水泥剂量3%混合料的最佳含水量为4.30%，最大干密度为2.342 g/cm³；水泥剂量5%混合料的最佳含水量为4.53%，最大干密度为2.405 g/cm³。采用静压法按压实度98%的要求制备试件。试件编号设置为C(a)R(b)，用来表示水泥剂量a (3%、5%)，乳化沥青预处理粗骨料替换率b (0%、25%、50%、100%)，试件尺寸与试验项目见表6。

Table 6. Testing program

表6. 试验方案

3. 试验结果与分析

3.1. 无侧限抗压强度

不同替换率水泥稳定碎石在7 d、28 d和90 d龄期的无侧限抗压强度值如图1所示。无侧限抗压强度随替换率的提高呈近似线性降低。相较于水泥用量为5%、未弱化(替换率为0%)的试样，替换率为25%、50%、100%时7 d无侧限抗压强度分别下降了6.6%、21.4%和34.5%，表明乳化沥青涂层阻碍了粗骨料表面形成水泥水化产物，削弱了砂浆与骨料间的界面粘结强度。但C5R100组不同龄期强度均高于同期的C3R0组，替换率为25%和50%时试样7 d无侧限抗压强度也均满足极重、特重交通等级的基层强度要求(不低于3.5 MPa)，替换率为100%时为3.41 MPa而略低于规范要求。

Figure 1. Variation of unconfined compressive strength with age

图1. 无侧限抗压强度随龄期的变化

3.2. 抗压回弹模量

不同替换率水泥稳定碎石在7 d、28 d和90 d龄期的抗压回弹模量值如图2所示。同一龄期下，抗压回弹模量随替换率的提高呈近似线性降低。随着龄期增加，抗压回弹模量均不断增长，替换率越高抗压回弹模量后期增长速度越快。相较于水泥用量为5%、未弱化(替换率为0%)的试样，替换率为25%、50%、100%时7 d抗压回弹模量分别下降了12.9%、17.4%和28.6%，表明乳化沥青涂层能够显著降低混合料的早龄期刚度，进而降低早龄期的收缩应力幅值，降低开裂风险。

Figure 2. Variation of resilient modulus with age

图2. 抗压回弹模量随龄期的变化

3.3. 收缩性能

(1) 干缩性能

不同替换率水泥稳定碎石前15 d龄期的失水率、干缩应变和干缩系数如图3所示。失水率、干缩应变和干缩系数均随龄期增长逐渐增大，前7 d内增速较快，7 d后增长趋势放缓。失水率、干缩应变和干缩系数均随替换率的提高而降低，在15 d龄期时，100%替换率相较于未弱化(替换率为0%)的试样失水率降低84.4%、累积干缩应变降低35.5%、干缩系数降低23.5%。还应注意到，C5R100组不同龄期失水率、干缩应变和干缩系数均低于同期的C3R0组，表明界面弱化较降低水泥掺量更能有效地降低混合料的干缩系数。

(a) Relationship between water loss rate and age (b) Relationship between drying strain and age

(c) Relationship between drying coefficient and age

Figure 3. Drying test results

图3. 干缩试验结果

对替换率0%和100%的试样干缩14 d后，采用扫描电子显微镜(SEM)观察粗集料–砂浆界面裂纹状态，结果如图4(a)和图4(b)所示。替换率0%时，粗集料–砂浆界面较为密实，且界面处的微裂纹较小，最宽处为2.674 μm；替换率100%时，粗集料周围的界面过渡区比较疏松，界面处有明显的微裂纹，裂纹最宽处达5.977 μm，表明乳化沥青涂层从微观上实现了骨料表面的弱化。

(a) CBT interface magnification 3000× (b) IWCAT interface magnification 3000×

Figure 4. Scanning electron microscopy results

图4. 扫描电子显微镜结果

(2) 温缩性能

不同替换率水泥稳定碎石90 d龄期后的温缩系数随温度区间的波动规律如图5所示。替换率越高，试样温缩系数越小，−30℃~−10℃温度区间温缩系数降低效果更为明显，替换率为25%、50%、100%的试样较未弱化(替换率为0%)时降低3.8%、10.3%、22.2%。表明骨料–砂浆界面微裂纹缺陷的引入能够有效释放温缩应力，尤其是大幅降温条件下的温缩应力释放，进而降低水稳基层的开裂风险。

Figure 5. Temperature shrinkage test results

图5. 温缩试验结果

3.4. 抗冻性能

不同替换率水泥稳定碎石试样90 d龄期后弯拉强度和抗压强度随冻融循环次数的变化规律如图6所示。未冻融前C3R0、C5R0、C5R25、C5R50、C5R100试样的弯拉强度分别为0.803 MPa、1.890 MPa、1.773 MPa、1.563 MPa和1.356 MPa，经历20次冻融循环后，弯拉强度分别降低至0.463 MPa、1.273 MPa、1.250 MPa、1.203 MPa和1.090 MPa，显示出42.3%、33.4%、29.5%、23.3%和19.6%的降幅，可见替换率越高，残余强度比数值越高、抗冻融性能越优异。无侧限抗压强度在冻融循环中的表现与弯拉强度类似。比较C3R0组、C5R0组和其他替换率组，可见替换率的提高比增加水泥剂量更显著地提高了试样的抗冻性能。

基层材料的抗冻性能主要受两个重要因素的控制[8]：一是试样的吸水率，二是试件内部的孔隙分布。由于粗骨料裹附乳化沥青，使乳化沥青–水泥稳定碎石混合料形成了一种多级空间双重网络结构体系[9]，能够降低混合料吸水率，同时柔性乳化沥青涂层和预弱化裂纹为冻胀应力提供了释放空间、也使融化过程收缩应力弥散在界面微裂纹体系中。为了证明这一猜想，对28 d龄期不同替换率的水泥稳定碎石试样进行电化学阻抗谱(EIS)测试，Nyquist图随冻融循环次数的演化特征如图7(a)，图7(c)，图7(e)所示，Bode图随冻融循环次数的演化特征如图7(b)，图7(d)，图7(f)所示。

(a) Freeze-thaw cycle tensile strength (b) Bending and tensile residual strength ratio

(c) Freeze-thaw cycle compressive strength (d) Compressive residual strength ratio

Figure 6. Freeze-thaw test results

图6. 冻融试验结果

(a) Nyquist plots under normal conditions (b) Bode diagram under normal conditions

(c) 25 freeze-thaw cycles Nyquist chart (d) 25 freeze-thaw cycles bode chart

(c) 50 freeze-thaw cycles Nyquist chart (d) 50 freeze-thaw cycles bode chart

Figure 7. Freeze-thaw test results

图7. 冻融试验结果

Nyquist演化图中，高频电容环的直径随冻融循环次数的增加而减小，结果表现为Nyquist曲线在0~50冻融循环周期内不断左移。C5R0、C5R25、C5R50、C5R100冻融前的初始实部阻抗分别在12000 Ω、10000 Ω、6000 Ω、5000 Ω附近，50次冻融循环作用后，其实部阻抗分别减小至4000 Ω、3500 Ω、3000 Ω、2500 Ω附近，其中C5R100降幅最小。

Bode演化图中模值|Z|曲线的高频(103~106 Hz)到低频(10-1~102)全过程随着冻融循环次数增加呈现出降低趋势，其中C5R100一直处于低层次且模值|Z|降低幅度较小。

上述规律表明在0~50次冻融循环周期内，替换率更高的试样表现出更低的Nyquist图和Bode图幅值，表明虽然其内部结构中不连通的导电路径和绝缘路径数量较少，离子在结构内部迁移的阻力更小。但与普通水泥稳定碎石CTB试样相比，IWCAT试样的阻抗变化率明显较小，其Nyquist曲线的左偏程度不明显。这些结果间接表明IWCAT具有更为优异的抗冻性能。

3.5. 阻尼性能

用自由振动衰减法对试样的阻尼性能进行测试，通过两根长度为2000毫米的尼龙绳来垂直悬挂试件(如图8(a)所示)，调整尼龙绳确保试样水平，在试样侧面按比例划分三个激励位置，采集敲击过程的加速

度时程曲线。梁试件的阻尼比计算公式为： $\xi =\frac{1}{2\text{π}n}1n\frac{A_i}{A_{i+1}}$ ，式中： $\xi$ 为阻尼比； $A_i$ 、 $A_{i+n}$ 为悬臂梁自由

振动衰减第i、i + n周期的加速度峰值。

(a) Schematic diagram of damping ratio test

(b) Acceleration time-course curves

Figure 8. Damping test

图8. 阻尼试验

不同替换率水泥稳定碎石试样90 d龄期后阻尼比的变化规律如图9所示。阻尼比随替换率的增加而增大，替换率25%、50%、100%试样的阻尼比相较替换率0%试样分别增长了14.2%、19.4%、29.8%，表明乳化沥青涂层和界面弱化裂纹能够显著增加内部耗能。超声波波速测量结果也表明替换率的增加使得波速显著降低。

Figure 9. Relationship between damping ratio and replacement ratio

图9. 阻尼比与替换率的关系

3.6. 抗磨耗剥落性能

采用小型加速加载设备MMLS评价不同替换率水泥稳定碎石试样90 d龄期后的抗磨耗剥落性能。结果如图10所示，随着磨耗次数增加，混合料质量损失率均不断提高，至100万次加载时，三组样品的质量损失率接近4.5%。C5R50和C5R100组在100万次加载次数时的质量损失率略高于C5R0组，未造成明显的基层抗冲刷性能衰减。

Figure 10. Results of accelerated loading test

图10. 加速加载试验结果

4. 结论

1) 乳化沥青涂层阻碍了粗骨料表面形成水泥水化产物，削弱了砂浆与骨料间的界面粘结强度，试样无侧限抗压强度随预弱化粗骨料替换率的提高呈近似线性降低，但替换率为25%和50%时，试样7 d无侧限抗压强度均满足极重、特重交通等级的基层强度要求(不低于3.5 MPa)。

2) 乳化沥青涂层预弱化骨料–砂浆界面能够显著降低水稳的刚度、干缩系数和温缩系数，替换率为50%时，抗压回弹模量、干缩系数和温缩系数分别降低28.6%、23.5%和22.2%。骨料–砂浆界面微裂纹缺陷的引入能够显著降低−30℃~−10℃温域试样的温缩系数，有利于大幅降温条件下温缩应力的释放，抑制宽大温缩裂缝的产生。

3) 冻融残余强度比随替换率增加而增大，替换率的提高比增加水泥剂量更显著地提高了试样的抗冻性能。

4) 乳化沥青涂层预弱化骨料–砂浆界面能够显著增加水稳内部耗能，阻尼比随替换率的增加而增大，替换率100%试样的阻尼比相较替换率0%试样增长了29.8%。

5) 乳化沥青涂层预弱化骨料–砂浆界面未造成明显的基层抗冲刷性能衰减。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献