0 引言

半刚性基层材料力学性能良好[1]，造价相对较低，在我国有着广泛的应用，其中，水稳碎石具有强度高、 稳定性好、 刚性大等特点[2-4]，因此水泥稳定碎石基层应用最多。但是在我国分布广泛的高海拔寒冷地区具有气温低、 温差大、 空气湿度低等不良气候特征[5]，这种恶劣的自然条件对水稳碎石基层的强度形成极为不利，在低温条件下水稳碎石基层中的水泥水化缓慢甚至停止水化，造成基层强度难以形成，进而影响面层的铺筑[6]。《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034-2000)中指出： 水泥稳定土结构层宜在春末和气温较高季节组织施工。施工期的日最低气温应在5 ℃以上，在有冰冻的地区，并且在第1次重冰冻(-3～-5 ℃)到来之前的半个月到一个月完成。然而我国西部的高寒高海拔地区常年温度较低，以青海省为例，青海省境内年平均气温在-5.7～8.5 ℃之间，年平均气温在0 ℃ 以下的祁连山区、 青南高原面积占全省面积的2/3以上，较暖的东部湟水、 黄河谷地，年平均气温在6～8 ℃左右，其面积较小。年平均气温在2 ℃ 以上的地区，只占全省总面积的1/4左右。

半刚性水稳碎石材料中掺入早强剂，可以有效提高其早期强度，使得基层能够在低温条件下达到工程强度要求，从而延长施工期[4,7]。但是早强剂的掺入会对基层的后期收缩、 开裂等产生不利影响，除此之外，低温、 急剧降温以及干燥的气候条件也很容易造成基层开裂产生裂缝，裂缝反射到路面形成反射裂缝，造成路面开裂，严重影响路面使用质量和使用寿命[8]。为了有效降低基层裂缝的产生，国内外学者进行过大量的研究，如选择合适的混合料级配组成[9]，在混合料中掺入各种外加剂、 橡胶颗粒、 聚丙烯纤维等[10-13]，这些措施对基层的抗裂产生了一定的积极效果，尤其是聚丙烯纤维，但因其价格较贵，难以在基层中大量使用。本文主要针对高海拔寒冷地区水稳碎石基层早期强度低、 养生周期长、 容易产生收缩裂缝等特点，在水稳碎石基层中掺入早强剂和水镁石纤维，水镁石纤维是一种独特的天然碱性矿物纤维，在我国储量丰富、 价格低廉、 生态环保[14]。本文对掺入早强剂和水镁石纤维的水稳碎石基层材料在不同养护条件下进行了无侧限抗压强度、 劈裂强度、 收缩特性及抗冻性能研究。

1 试验原材料及试验方案

1.1 试验原材料

试验原材料中，集料采用陕西礼泉县石灰岩碎石，其技术指标如表1所示，级配如表2所示； 水泥为陕西耀县秦岭牌水泥，强度等级为42.5，技术指标见表3； 所用SES-I水泥稳定基层早强剂由课题组自行研发，呈淡黄色粉末，其主要矿物成分为硅酸钙、 硫铝酸钙、 氯酸钙等，化学成分如表4； 水镁石纤维选用陕西汉中的水镁石矿物纤维，其化学组成及物理性质见表5和表6。实验粒度分析采用激光粒度分析仪，并用标准筛进行粒度筛析，结果见表7。

1.2 试验方案

水泥掺量为5%，根据前期大量试验结果[4,8]，早强剂最佳掺量为16%，本文分别对5个不同纤维掺量(0%、 2%、 4%、 6%、 8%)的早强型水泥稳定碎石的路用性能进行试验研究。试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-09)进行，主要测试标准和低温养护条件下试件的无侧限抗压强度、 劈裂强度、 收缩特性及抗冻性能等路用性能。

根据青海省气象资料可知，7月是青海省各地年内温度最高的月份，月平均气温在5～20 ℃之间，1月是青海省各地年内温度最低的月份，月平均气温在-18～-6 ℃之间。据此，本研究中针对青海地区的温度范围， 设定常温养护温度为20 ℃,低温养护温度为-15 ℃。

表1 集料技术指标 Table 1 Technical index of the thick aggregate

项目堆积密度/(g·cm-3)吸水率/%含泥量/%针片状含量/%压碎值/%测试结果1.4520.4560.405.826.50

表2 集料级配 Table 2 Aggregate grading

筛孔/mm31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075质量百分比/%10093867967393322138531

表3 水泥技术指标 Table 3 Technical index of the cement

项目抗折强度/MPa3 d28 d抗压强度/MPa3 d28 d凝结时间/min初凝时间终凝时间细度/%安定性标准≥3.50≥6.50≥17.0≥42.5≥45≤60080 μm方孔筛余≤10沸煮法试验合格测量值4.868.0323.646.21352403.6合格

表4 基层早强剂的主要化学成分 Table 4 Main chemical composition of the early strength agent

成分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3质量百分比/%11.817.4414.6944.022.3014.48

表5 水镁石纤维化学组成 Table 5 Chemical composition of the brucite fiber

化学组成SiO2MgOAl2O3Fe2O3FeOCaOH2O质量分数/%1～361～650.270.6～1.92～60.1429

表6 水镁石纤维物理性质 Table 6 Physical properties of the brucite fiber

抗拉强度/MPa弹性模量/GPa密度/(g·cm-3)纤维硬度耐热区间/℃热膨胀系数/[×10-3(m·℃-1)]892.4～1 283.713.6～18.52.28～2.4968～249435～4925.5～9.1

表7 水镁石纤维粒度分布 Table 7 Particle size distribution of the brucite fiber

筛析结果/%>1.4 mm>0.4 mm筛底长径比范围平均比表面积/(cm2·g-1)36.841.821.220～16890163

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度

由图1可以看出，基层的无侧限抗压强度也随水镁石纤维掺量的增加而增大，当纤维掺量一定时，其随龄期的增长而增大，3 d之前增长相对较快。以4%的纤维掺量为例，20 ℃常温环境下3 d、 7 d的无侧限抗压强度分别可达到28 d的85%、 90%，-15 ℃低温环境下，3 d、 7 d的无侧限抗压强度约达到28 d的69%、 92%。掺入早强剂后，基层早期强度有大幅度的提高，这是因为早强剂与水泥熟料矿物溶于水后产生化学反应，短时间内生成大量的针状钙矾石、 水化硅酸钙等。这些生成物会对内部空隙等空间进行填充，使其结构致密，而随着龄期的增长，晶体不断长大，水化产物越来越多，会使产物的结构更加致密，从而进一步提高其强度。同时由图1可以看出，掺加水镁石纤维的基层在各龄期的强度均比未掺时的有所提高，且在本试验掺量范围内，随着水镁石纤维掺量的增加，基层抗压强度不断增大，但增大幅度有限，这是因为纤维的力学性能主要体现在轴向受拉上。当基层受压时，基层内部分散的水镁石纤维会受到挤压，无法发挥纤维在轴向受拉的优异性能，因此水镁石纤维对抗压强度贡献有限。同时也可以得到，在相同龄期、 同一纤维掺量(4%)下，基层强度在-15 ℃低温养护下比20 ℃常温养护的低，3 d、 7 d、 28 d无侧限抗压强度分别降低约24%、 5%、 5%，说明强度并没有显著的下降。这是因为加入早强剂后，试件的早期强度增长很快，当温度降至-15 ℃时，试块已经具有相对较高的强度，当养护环境持续处于低温时，水泥水化速率会降低，但早强剂的作用会减缓水泥水化速率降低的程度。这为我国广大的寒冷地区在低温条件下的施工提供了指导经验。

图1 抗压强度试验结果 Fig.1 The compressive strength changing with curing age under curing at 20 ℃(a) and curing at -15 ℃ (b)

根据试验方案，分别成型两组试件，一组将基层试块置于标准养护(20 ℃)箱中养护至规定龄期，测试1 d、 3 d、 7 d、 28 d的无侧限抗压强度，另外一组将其在标准条件下养护24 h之后放入低温环境箱(-15 ℃)中养护至规定龄期，分别测试3 d、 7 d、 28 d无侧限抗压强度，试验结果如图1所示。

根据规范要求，对于算例中选取的某型动车组而言，轮轨垂向力的限值为170 kN；轮轴横向力的限值为56.26 kN；脱轨系数的限值为0.8；轮重减载率的限值为0.8。在不同会车车速工况下进行数值仿真，得到车辆的动力学响应，选取每种工况下动力学性能最差的轮对响应曲线，将其与安全性限值绘于图8中。

2.2 劈裂强度

基层的抗压强度与劈裂强度之间存在一定的关系，相关研究人员也把劈裂强度作为评价基层的性能指标之一，本文对其劈裂强度也进行了测试，结果如图2所示。

由图2可知，基层的劈裂强度也随水镁石纤维掺量的增加而增大，当纤维掺量一定时，其随龄期的增长而增大，劈裂强度的增长速率与无侧限抗压强度相似，以纤维掺量4%为例，常温20 ℃养护环境下3 d、 7 d的劈裂强度分别达到28 d的76%、 86%，15 ℃低温养护环境下3 d、 7 d的劈裂强度约达到28 d的68%、 86%。此外，掺加水镁石纤维的基层在各龄期的劈裂强度均比未掺的有所增加，且在本试验掺量范围内，随着水镁石纤维掺量的增加，基层的劈裂强度不断增大，28 d劈裂强度的增幅达30%以上。这是因为水镁石纤维具有很好的轴向受拉性能，当水稳碎石基层受到外力作用产生微裂缝时，连接微裂缝的水镁石纤维成为承受外力荷载的主体，此时受拉的水镁石纤维会减小裂缝尖端的应力集中，延缓裂缝的开裂速度，限制裂缝的进一步扩展。 有效缓解了水稳碎石基层的开裂损坏。同时，-15 ℃养护下的试件劈裂强度比20 ℃下的小，但是掺入的水镁石纤维减小了下降的幅度，纤维掺量为4%时，-15 ℃养护下的试件3 d、 7 d、 28 d劈裂强度比未掺时分别增加39%、 39%、 42%，而20 ℃养护下比未掺时分别增加23%、 25%、 22%，说明纤维在低温下能够改善半刚性基层的抗拉性能。

图2 劈裂强度试验结果 Fig.2 Splitting strength changing with curing at 20 ℃ (a) and -15 ℃ (b)

2.3 收缩特性

(1) 干燥收缩

由图5可知，当水镁石纤维掺量为0%时，温缩系数最大，约为5.0×10-6 ℃-1； 掺量为2%、 6%、 8%时，温缩系数处于中间位置，约为3.0×10-6～4.0×10-6 ℃-1，与0%掺量的基层相比，温缩系数降低约20%～40%； 掺量为4%时，温缩系数最小，约为2.6×10-6 ℃-1，与0%掺量的基层相比，温缩系数降低约48%。

试验地设在南昌市南昌工程学院生物技术实验基地。南昌工程学院位于南昌市东部，紧邻艾溪湖湿地公园和瑶湖森林公园。南昌市地处江西中部偏北，赣江、抚河下游，濒临鄱阳湖西南岸，位于东经115°27′～116°35′、北纬28°09′～29°11′，属亚热带湿润季风型气候，气候湿润温和，日照充足，降雨量充沛，夏季多偏南风，冬季多偏北风，年无霜期长、冰冻期短。

现实生活中，与女司机被污名化类似的，还有“老人变坏了”或是“坏人变老了”的说法。与“女司机”相似的是，“老坏人”或“坏老人”之说也完全没有大数据的支撑。笔者长期观察发现，从“扎堆过马路”到自助餐的浪费，各个年龄段都大有人在，至于“碰瓷”和“霸座”，当然多是年龄较大者，但把各类违法行为或不道德行为做一个年龄分组，会发现不同行为中的年龄比例虽有所不同，但整体上不会支撑一些人对老龄群体的非议和责难。

图3 随龄期的干缩应变试验结果 Fig.3 Dry shrinkage coefficient changing with curing age

图4 28 d干缩系数试验结果 Fig.4 28 d dry shrinkage coefficient changing with amount of admixture

(2) 温度收缩

按照规范采用静压成型法成型尺寸为10 cm×10 cm×40 cm的中梁，利用振弦应变传感器来测定半刚性基层材料的温度收缩性能。试验采用龄期为28 d的基层试块，温度设置范围为-20～30 ℃，按照《无机结合料稳定材料温缩试验方法》(T0855-2009)进行试验，试验结果如图5所示。

由图3和图4可以看出，掺入水镁石纤维可以抑制基层的收缩，且随着水镁石纤维掺量的增加，基层的干缩系数呈先大幅度降低、 后相对小幅度增加的现象。其中，当纤维掺量为4%时，基层的干缩应变最小，其28 d干缩系数比未掺纤维的干缩系数降低约92%。从表5中水镁石纤维的化学组成可以看出，水镁石纤维是一种组分简单的碱性矿物，在强碱中稳定性好，因此水镁石纤维与硅酸盐水泥具有很好的相容性和结合强度。水镁石纤维在水泥中可发挥联结“加筋”作用，抑制干缩裂缝的形成与扩展。 但纤维掺入过多会导致其不易在基层中分散均匀，甚至出现纤维结团现象，在基层混合料里形成缺陷。同时掺过多的纤维会增加基层造价。

图5 28 d温缩系数试验结果 Fig.5 Test results of temperature shrinkage coefficient of a specimen of 28 d curing changing with temperature

按照规范成型圆柱形试件，用游标卡尺测量试块的高度，并用电子秤称量试件的重量，之后将试件放入干缩箱中，用磁力架将千分表固定于试件上表面处，测试试件的收缩能力，各龄期的干缩应变结果如图3所示，不同纤维掺量(0%，2%，4%，6%，8%)的早强型基层28 d干缩系数结果如图4所示。

2.4 抗冻性能

式中： RDC为5次冻融循环后试件的无侧限抗压强度(MPa)； RC为未经冻融循环的无侧限抗压强度(MPa)。

(1)

由于冻融作用而产生的道路病害越来越多[15-16]，高海拔寒冷地区的半刚性基层尤其需要考虑其抗冻性能[5]，本文按照《无机结合料稳定材料冻融试验方法》(T0858-2009)进行抗冻试验。具体实验步骤为： 先按规范成型18个标准半刚性基层试件，并在20 ℃养护环境中养护28 d，其中9个冻融试件为冻融组，9个不冻融对比试件为对比组。再将冻融组试件置于-15 ℃养护环境箱中16 h，20 ℃养护箱中8 h，进行5次冻融循环，对比组则一直置于20 ℃养护箱中养护。待冻融循环结束后，测试冻融组与对比组的无侧限抗压强度，半刚性材料的抗冻性指标——残留强度比(BDR)按式(1)计算：

研究样本:本院80例支气管哮喘老年患者。研究时间:2016年1月-2017年1月。分组方式:采用随机选取法将其分为对比组与研究组,每组各40例。基本资料:对比组患者体重为2700g-3400g,体重均值为(2936±435)g;研究组患者体重为2689g-3521g,体重均值为(3121.2±431)g。纳入标准:①家属同意本次研究患者、②支气管哮喘患者、③未合并其他脏器疾病患者。排除标准:①严重肝肾功能疾病患者、②先天性心脏功能疾病患者、③合并其他脏器疾病患者。就一般资料分析,两组患者之间差异统计学意义不成立(P>0.05)。

抗冻性能试验结果见图6。由图可知，随着水镁石纤维掺量的增加，BDR先是大幅度增加，在4%掺量时达到最大，约比0%时增大6.4%。之后，随着纤维掺量的增加，BDR会有小幅度的下降，但仍然高于0%掺量时的BDR。冻融破坏是通过水-冰相变转化导致体积膨胀引起的混凝土开裂，水镁石纤维的碱性使其与水泥能够具有良好的结合强度。冻融循环会导致基层有不同程度的收缩，而水镁石纤维在水稳碎石产生收缩或膨胀时，可以起到抑制收缩或膨胀的作用。但是，当纤维掺量大于4%，BDR会有小幅度下降，其原因主要是纤维掺入过多会影响其在基层混合料中分布的均匀性，甚至存在纤维结团现象，从而导致基层混合料里形成内部缺陷。

图6 抗冻性能试验结果 Fig.6 BDR changing with amount of fiber admixture

3 结论

(1) 早强型水泥稳定碎石3 d可达到设计强度，可有效解决高寒地区低温条件下水泥稳定基层材料强度增长缓慢甚至不增长的问题，延长高寒地区基层施工期。掺入一定的水镁石纤维可以减少因基层早强引起的收缩开裂问题，提高路面结构的耐久性。

(2) 掺入水镁石纤维提高了早强型水泥稳定基层的无侧限抗压强度、 劈裂强度、 收缩性能及抗冻性能，无侧限抗压强度与劈裂强度均随纤维掺量的增加而逐渐增大，收缩性能和抗冻性能在掺入纤维后会有较大的改善，最佳纤维掺量为4%。

(3) 复掺水镁石纤维与早强剂，既能有效提高水稳碎石的强度，又能有效避免基层在干燥气候中的收缩开裂和在低温和变温环境中的温缩开裂，为高寒地区尤其是低温条件下的施工提供了有益参考。

(4) 水镁石纤维是一种独特的天然碱性矿物纤维，在我国储量丰富，价格低廉，环保。由于加工处理后的水镁石纤维为絮状纤维，易结团，所以加入水泥稳定基层后，水镁石纤维使用性能因结团程度不同而受到一定影响，因此可将水镁石纤维在基层中的分散均匀性作为新的研究方向。

定义2：假设一个总体含有N个个体，从中逐个不放回地抽取n个个体作为样本（n≤N），如果每次抽取时总体内的各个个体被抽到的机会都相等，就把这种抽样方法叫做简单随机抽样，这样抽取的样本，叫做简单随机样本．

生石灰活性是硬硅钙石纤维制备过程的主要影响因素之一，本文采用“冶金石灰物理检验方法”(黑色冶金行业标准YB/T 105—2014)来测定生石灰活性度，具体步骤为：量取稍高于40 ℃的去离子水2 000 mL于3 000 mL的烧杯中搅拌并用温度计测水温，待水温降到40 ℃时加入5 g/L酚酞指示剂及试样50.0 g，当消化开始呈红色时用4 mol/L盐酸滴定并保持溶液红色刚刚消失，记录到第10 min时消耗的盐酸毫升数。消耗的盐酸越多，试样的活性度越高。

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