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【摘要】水泥稳定碎石无机半刚性材料由于自身存在干缩和温缩特性，不可避免地存在开裂问题。本文从半刚性材料组成及特点出发，探讨了其干缩很温缩开裂机理，为工程上防止半刚性基层材料开裂提供理论依据。
【关键词】路面工程；半刚性基层；干缩；温缩；机理分析
1. 概述
众所周知，水泥稳定碎石基层混合料的收缩是导致沥青路面出现反射裂缝的主要原因，水泥稳定碎石半刚性材料的收缩又分为干缩（由含水量引起的）和温缩（由温度变化引起的），在含水量和温度变化下，内部产生干缩应力和温缩应力，当收缩应力超过半刚性材料的极限抗拉强度，即出现开裂。最终出现开裂尤其当沥青面层较薄时，路面反射裂缝更为明显。因此，对于水泥稳定碎石材料，研究其收缩机理和收缩规律尤为重要。现从微观角度，对混合料的干、温缩的产生机理予以分析。
2. 干缩机理分析
2.1研究表明，在无机结合料稳定类材料中，对干缩影响最大的是粘结料、含水量及细集料，粗集料的影响十分微小。因此大量的干缩研究仍然针对不同的胶结料含量、不同的含水量以及不同的级配进行，这些研究很大程度上揭示了混合料及组成材料的干缩规律。
2.2无机结合料稳定类材料经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生的水化作用，混合料的水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间水的作用和碳化收缩作用等会引起无机结合稳定材料产生体积收缩。这种收缩就是我们通常所说的干缩。
2.2.1毛细管张力作用。
半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在着内外压力差（即毛细管张力），以压力的形式作用于毛细管壁，其大小与毛细管的半径成反比。当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。
2.2.2吸附水分子间力作用。
毛细水蒸发完结后，随着相对湿度的继续变小，无机结合料稳定材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒间距变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量比毛细管作用的量大的多。当吸附水膜减薄到一定的程度时，收缩量逐渐减少，直至收缩终止。
2.2.3矿物凝胶作用。
随着相对湿度的继续减小，无机结合料稳定材料中的层间水开始蒸发，使晶格间距变小，导致其宏观体积进一步收缩。
2.2.4碳化脱水作用。
（1）Ca（OH）2 和CO2反应生成CaCO3中析出水而引起体积收缩。
（2）实际上，水泥稳定类材料的干缩性能（包括最大干缩应变和平均干缩系数）的大小与水泥含量、被稳定材料的类别、粒料含量、直径小于0.5mm的细颗粒含量、试件含水量以及龄期都有关系。为正确评价振动成型法低剂量水泥稳定碎石的干缩力学特性，本研究对不同含水量、不同水泥剂量以及不同龄期条件下的水稳试件进行了试验研究。
（3）一般认为，混合料制件含水量越大，材料的干缩应变越大，含水量每增加1%，干缩应变增加23.5%～80.1%。东南大学杨小芳对二灰稳定碎石的干缩研究表明，最佳含水量增加2%的混合料所产生的最大干缩应变比在最佳含水量条件下所产生的干缩应变大24.9%，而混合料含水量比最佳含水量低2%时，混合料所产生的最大干缩应变小41.0%。可见，含水量偏差对混合料干缩应变产生很大的影响。
3. 温缩机理分析
3.1温度收缩特性是形成半刚性基层开裂进而形成反射裂缝的一个因素，研究温度收缩特性对了解温度收缩机理、选择适宜的材料、有效进行结构抗裂设计以及对材料和结构进行评价都具有十分重要的意义。
（1）水泥稳定碎石基层混合料是由固相（各种原材料颗粒和生成的凝胶体），液相（游离于固体颗粒空隙间的重力水、孔隙中的毛细水和吸附在固体颗粒表面的结合水），气相（孔隙中的空气）组成的三相体。混合料的温度收缩是指混合料因温度降低而产生的整体体积缩小现象。对于温度收缩特性国内外都进行了比较充分的研究，一般认为，粗骨料对结构层的整体温缩特性影响不大，影响比较大的是粘结料和细料以及含水量。因此，大多数研究都针对不同的黏结料、细料以及含水量的不同进行实测对比，进而了解材料和结构层的整体温缩特性。振动成型法低剂量水泥稳定碎石基层是由较多的粗骨料和粘结料组成，因此研究其不同的粘结料剂量以及不同含水量下的温缩特性具有合理的依据。
（2）水泥稳定碎石混合料是一种三相材料，三相组成在温度降低过程中相互作用而产生体积收缩，即所谓的温度收缩特性。由于三相组成中气相一般与外界大气连通，气相的温度收缩效应可以忽略；粗骨料受温度的影响很小，因此影响水泥稳定碎石混合料温度收缩特性的主要是粘结料和含水量。
（3）水泥与骨料以及少量矿料结合形成较多的结晶体，还有少量的非结晶体，其热学性质由质点间的键性和热运动以及结构组成所决定。组成晶体的质点间的键性一般比较强，质点的运动一般只能在其平衡位置附近热振荡。晶体的势能曲线是不严格对称的复杂曲线，在一定的温度下，晶体质点的热振动向势能增加小的方向移动更大的距离。当材料系统在环境中得到热能时，质点间的距离随着温度的升高而增大。影响晶体热胀缩的因素主要有：晶体内质点间的键力；离子电荷；质点间距；晶体与晶体类别；晶格的空间结构。
（4）振动成型法低剂量水泥稳定碎石内部分布有广泛的空隙，包括大空隙、毛细孔和胶凝孔。自由水、毛细水和表面结合水分别存在于相对的空隙中。另外，层间水存在于晶胞和凝胶物层间，结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。水对混合料的温度收缩特性影响主要通过三种作用而实现，即：扩张作用、毛细管张力和冰冻作用。水具有很大的热胀缩系数，在常温下达到70×10-6/℃，比固相部分的热胀缩系数大出4～7倍。温度升高时，水的扩张压力使颗粒间距增大而产生膨胀。温度降低时，由于材料内部形成真空压力而导致材料收缩。毛细管张力只有当含水量在一定范围内时才存在，当材料过干或过湿时，张力消失，温度收缩系数比较小。
（5）胶结料对混合料的收缩特性起着非常大的作用，但水泥结合物的温度收缩系数随着水泥含量的增加并非一个稳定增大的过程。张洪华等用不同剂量（3%～7%）水泥稳定同一种河滩砂砾，进行其温缩特性的对比试验，结果表明，对于不同的温度，随着水泥剂量的增加温〖LL〗〖JP2〗缩系数呈波浪形，存在着波峰和波谷，如图1所示。5%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最小，4%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最大。
（6）长安大学张嘎吱研究了不同剂量水泥稳定土的温度收缩效应，结果表明当水泥含量为6%时其温缩系数最小。
（7）东南大学杨小芳研究了二灰碎石混合料的温缩系数随着温度变化而变化的规律，如图2。
（8）由图2可以看出从50℃到-30℃试件的温度收缩系数是一个波浪起伏过程，变异性较大。根据试验结果，将其分为高温温缩、常温温缩、冰点温缩和低温温缩四个部分。高温温缩在60℃～35℃之间，该阶段温缩系数逐渐减小，主要是试件空隙的闭合作用最大；常温温缩为35℃～5℃，温缩系数很小，其中在25℃时最小；冰点温缩为5℃～-10℃，随着温度下降，温缩系数逐渐增大；低温温缩为-10℃以下，随着温度降低，温缩系数逐渐减小，略小于常温温缩。
3.2张登良教授等对几种半刚性材料在饱水状态、最佳含水量、半风干状态、风干状态、烘干状态共五种不同状态下做了电测法的温缩试验。得出结论如下：
（1）含水量对半刚性材料的收缩系数影响极大。饱水、风干和干燥状态下的收缩系数小，约在最佳含水量左右最大。
（2）温度收缩最不利情况是接近最佳含水量和在0℃到～10℃温度区间。
（3）温缩系数大小排列次序为：石灰土砂砾（砂砾含量55%）> 二灰 > 二灰砂砾（砂砾含量55%）>水泥砂砾（水泥剂量5.3%）。
4. 结语
本文从水稳碎石半刚性材料的组成及内在特点出发，对其干缩和温缩机理进行了深入细致的分析和阐述，对国内外主要研究成果及主流观点和认识进行了介绍，论文对于今后工程实践中正确认识水稳碎石材料的收缩开裂现象以及开裂防治措施有重要的参考价值。
【关键词】路面工程；半刚性基层；干缩；温缩；机理分析
1. 概述
众所周知，水泥稳定碎石基层混合料的收缩是导致沥青路面出现反射裂缝的主要原因，水泥稳定碎石半刚性材料的收缩又分为干缩（由含水量引起的）和温缩（由温度变化引起的），在含水量和温度变化下，内部产生干缩应力和温缩应力，当收缩应力超过半刚性材料的极限抗拉强度，即出现开裂。最终出现开裂尤其当沥青面层较薄时，路面反射裂缝更为明显。因此，对于水泥稳定碎石材料，研究其收缩机理和收缩规律尤为重要。现从微观角度，对混合料的干、温缩的产生机理予以分析。
2. 干缩机理分析
2.1研究表明，在无机结合料稳定类材料中，对干缩影响最大的是粘结料、含水量及细集料，粗集料的影响十分微小。因此大量的干缩研究仍然针对不同的胶结料含量、不同的含水量以及不同的级配进行，这些研究很大程度上揭示了混合料及组成材料的干缩规律。
2.2无机结合料稳定类材料经拌和压实后，由于蒸发和混合料内部发生的水化作用，混合料的水份会不断减少。由于水的减少而发生的毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用、材料矿物晶体或凝胶体间水的作用和碳化收缩作用等会引起无机结合稳定材料产生体积收缩。这种收缩就是我们通常所说的干缩。
2.2.1毛细管张力作用。
半刚性基层材料毛细管中水的弯液面存在着内外压力差（即毛细管张力），以压力的形式作用于毛细管壁，其大小与毛细管的半径成反比。当水分蒸发时，毛细管水面下降，弯液面的曲率半径变小，致使毛细管压力增大，从而产生收缩。
2.2.2吸附水分子间力作用。
毛细水蒸发完结后，随着相对湿度的继续变小，无机结合料稳定材料中的吸附水开始蒸发，使颗粒表面水膜变薄，颗粒间距变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩。这一阶段的收缩量比毛细管作用的量大的多。当吸附水膜减薄到一定的程度时，收缩量逐渐减少，直至收缩终止。
2.2.3矿物凝胶作用。
随着相对湿度的继续减小，无机结合料稳定材料中的层间水开始蒸发，使晶格间距变小，导致其宏观体积进一步收缩。
2.2.4碳化脱水作用。
（1）Ca（OH）2 和CO2反应生成CaCO3中析出水而引起体积收缩。
（2）实际上，水泥稳定类材料的干缩性能（包括最大干缩应变和平均干缩系数）的大小与水泥含量、被稳定材料的类别、粒料含量、直径小于0.5mm的细颗粒含量、试件含水量以及龄期都有关系。为正确评价振动成型法低剂量水泥稳定碎石的干缩力学特性，本研究对不同含水量、不同水泥剂量以及不同龄期条件下的水稳试件进行了试验研究。
（3）一般认为，混合料制件含水量越大，材料的干缩应变越大，含水量每增加1%，干缩应变增加23.5%～80.1%。东南大学杨小芳对二灰稳定碎石的干缩研究表明，最佳含水量增加2%的混合料所产生的最大干缩应变比在最佳含水量条件下所产生的干缩应变大24.9%，而混合料含水量比最佳含水量低2%时，混合料所产生的最大干缩应变小41.0%。可见，含水量偏差对混合料干缩应变产生很大的影响。
3. 温缩机理分析
3.1温度收缩特性是形成半刚性基层开裂进而形成反射裂缝的一个因素，研究温度收缩特性对了解温度收缩机理、选择适宜的材料、有效进行结构抗裂设计以及对材料和结构进行评价都具有十分重要的意义。
（1）水泥稳定碎石基层混合料是由固相（各种原材料颗粒和生成的凝胶体），液相（游离于固体颗粒空隙间的重力水、孔隙中的毛细水和吸附在固体颗粒表面的结合水），气相（孔隙中的空气）组成的三相体。混合料的温度收缩是指混合料因温度降低而产生的整体体积缩小现象。对于温度收缩特性国内外都进行了比较充分的研究，一般认为，粗骨料对结构层的整体温缩特性影响不大，影响比较大的是粘结料和细料以及含水量。因此，大多数研究都针对不同的黏结料、细料以及含水量的不同进行实测对比，进而了解材料和结构层的整体温缩特性。振动成型法低剂量水泥稳定碎石基层是由较多的粗骨料和粘结料组成，因此研究其不同的粘结料剂量以及不同含水量下的温缩特性具有合理的依据。
（2）水泥稳定碎石混合料是一种三相材料，三相组成在温度降低过程中相互作用而产生体积收缩，即所谓的温度收缩特性。由于三相组成中气相一般与外界大气连通，气相的温度收缩效应可以忽略；粗骨料受温度的影响很小，因此影响水泥稳定碎石混合料温度收缩特性的主要是粘结料和含水量。
（3）水泥与骨料以及少量矿料结合形成较多的结晶体，还有少量的非结晶体，其热学性质由质点间的键性和热运动以及结构组成所决定。组成晶体的质点间的键性一般比较强，质点的运动一般只能在其平衡位置附近热振荡。晶体的势能曲线是不严格对称的复杂曲线，在一定的温度下，晶体质点的热振动向势能增加小的方向移动更大的距离。当材料系统在环境中得到热能时，质点间的距离随着温度的升高而增大。影响晶体热胀缩的因素主要有：晶体内质点间的键力；离子电荷；质点间距；晶体与晶体类别；晶格的空间结构。
（4）振动成型法低剂量水泥稳定碎石内部分布有广泛的空隙，包括大空隙、毛细孔和胶凝孔。自由水、毛细水和表面结合水分别存在于相对的空隙中。另外，层间水存在于晶胞和凝胶物层间，结构水和结晶水存在于矿物晶体结构内部。水对混合料的温度收缩特性影响主要通过三种作用而实现，即：扩张作用、毛细管张力和冰冻作用。水具有很大的热胀缩系数，在常温下达到70×10-6/℃，比固相部分的热胀缩系数大出4～7倍。温度升高时，水的扩张压力使颗粒间距增大而产生膨胀。温度降低时，由于材料内部形成真空压力而导致材料收缩。毛细管张力只有当含水量在一定范围内时才存在，当材料过干或过湿时，张力消失，温度收缩系数比较小。
（5）胶结料对混合料的收缩特性起着非常大的作用，但水泥结合物的温度收缩系数随着水泥含量的增加并非一个稳定增大的过程。张洪华等用不同剂量（3%～7%）水泥稳定同一种河滩砂砾，进行其温缩特性的对比试验，结果表明，对于不同的温度，随着水泥剂量的增加温〖LL〗〖JP2〗缩系数呈波浪形，存在着波峰和波谷，如图1所示。5%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最小，4%水泥砂砾的温缩系数随温度的变化最大。
（6）长安大学张嘎吱研究了不同剂量水泥稳定土的温度收缩效应，结果表明当水泥含量为6%时其温缩系数最小。
（7）东南大学杨小芳研究了二灰碎石混合料的温缩系数随着温度变化而变化的规律，如图2。
（8）由图2可以看出从50℃到-30℃试件的温度收缩系数是一个波浪起伏过程，变异性较大。根据试验结果，将其分为高温温缩、常温温缩、冰点温缩和低温温缩四个部分。高温温缩在60℃～35℃之间，该阶段温缩系数逐渐减小，主要是试件空隙的闭合作用最大；常温温缩为35℃～5℃，温缩系数很小，其中在25℃时最小；冰点温缩为5℃～-10℃，随着温度下降，温缩系数逐渐增大；低温温缩为-10℃以下，随着温度降低，温缩系数逐渐减小，略小于常温温缩。
3.2张登良教授等对几种半刚性材料在饱水状态、最佳含水量、半风干状态、风干状态、烘干状态共五种不同状态下做了电测法的温缩试验。得出结论如下：
（1）含水量对半刚性材料的收缩系数影响极大。饱水、风干和干燥状态下的收缩系数小，约在最佳含水量左右最大。
（2）温度收缩最不利情况是接近最佳含水量和在0℃到～10℃温度区间。
（3）温缩系数大小排列次序为：石灰土砂砾（砂砾含量55%）> 二灰 > 二灰砂砾（砂砾含量55%）>水泥砂砾（水泥剂量5.3%）。
4. 结语
本文从水稳碎石半刚性材料的组成及内在特点出发，对其干缩和温缩机理进行了深入细致的分析和阐述，对国内外主要研究成果及主流观点和认识进行了介绍，论文对于今后工程实践中正确认识水稳碎石材料的收缩开裂现象以及开裂防治措施有重要的参考价值。