0 引言

水泥稳定基层由于其结构材料分布广泛、易于开采，并具有较好的强度、刚度及水泥稳定定性，很好的适应了新疆干旱少雨的气候特点，新疆地区90%以上的干线公路均采用了这种半刚性路面基层结构^[1-2]。近年来随着经济社会持续快速发展，公路交通量迅速增加，水泥稳定基层结构厚度逐渐增厚，强度要求不断提高，刚度不断加强，使得水泥稳定基层拱胀开裂问题越发明显^[3-4]。新疆环塔里木盆地沿线建成的多条高速公路，在夏季高温条件下，水泥稳定基层产生的巨大温度应力和膨胀变形，致使部分路段水泥稳定基层出现了不同程度的拱胀开裂现象，严重影响了行车舒适性和运营安全，增大了养护投入，这种病害已成为低降雨量、高蒸发量、大温差和盐渍化严重地区沥青路面的常见病害。

水泥稳定基层混合料属于温度敏感性材料^[5]，当温度变化时，水泥稳定基层会产生热胀冷缩现象，产生温度应力和胀缩变形；同时混合料级配、水泥性能、易溶盐含量、施工工艺等均对水泥稳定基层变形产生一定影响^[6]。水泥稳定基层拱胀病害是在温度、混合料级配、易溶盐含量、施工工艺等综合因素作用下产生的一种病害类型，目前对不同地区水泥稳定基层沥青路面拱胀病害发生的原因认识仍不够明确^[7-9]，对如何有效防治拱胀病害一直是行业内亟待解决的问题。新疆地区盐渍化现象普遍分布^[10]，尤其是近几年发生拱胀病害的环塔里木盆地沿线盐渍化现象十分严重^[11-12]，这使得该地区道路建设所用的原材料中硫酸盐含量普遍偏高。李志农等对典型区域的盐渍土进行了颗粒组成统计分析、粗粒盐渍土试样制备粒径研究以及土水比与含盐量关系的分析^[13-14]。包卫星等研究了不同含盐量水平下砂类盐渍土的盐胀变化特点和在冻融循环作用下砂类盐渍土体的融陷特性^[15]。张莎莎等从多次冻融循环试验和单次降温盐胀试验不同角度对天然粗颗粒盐渍土进行盐胀规律分析^[16]。任秀玲等综述了西北地区盐渍土分布及其工程特性^[17]，分析了盐渍土盐胀的影响因素、试验方法及危害防治方法的研究进展。万旭升等对硫酸钠盐渍土盐胀的研究发现^[18]，硫酸钠盐胀主要发生在正温区，而负温下十水硫酸钠晶体的析出较少。杨鹏等系统研究了粗颗粒硫酸盐渍土含水率单次递减条件下的盐胀特性^[19]。刘凯等研究了罗布泊地区含硫酸盐亚氯盐渍土的温度变化规律和盐胀特性^[20]。牛玺荣等研究了硫酸盐渍土在降温过程中产生冰晶和引起盐胀的剧烈反应期内的体积变化规律^[21]。综上所述，目前主要集中在水泥稳定基层材料盐胀室内模拟试验、影响因素分析等方面，而对水泥稳定基层材料的盐胀机理仍缺乏足够认识。

因此，基于硫酸盐结晶膨胀理论，系统研究不同硫酸盐含量的水泥稳定砂砾混合料盐胀变形及其影响规律，揭示水泥稳定基层的盐胀微观结构和膨胀机理，明确水泥稳定基层混合料中硫酸盐合理控制范围，不仅有利于提高盐渍地区水泥稳定基层的抗拱胀性，对于减少南疆地区路面拱胀病害也具有重要意义。

1 试验 1.1 原材料

根据文献资料和前期试验^[22-23]，水泥选用天山P.O 32.5硅酸盐水泥，剂量为4.0%，技术指标见表 1。集料来自南疆地区G3012喀什至疏勒段现场基层及底基层砾石土料场，其易溶盐检测结果见表 2。采用骨架密实型级配范围进行水泥稳定砂砾混合料级配组成设计，见表 3。

1.2 试验方案

针对南疆地区气候变化大、年日温差大、降雨少等特点，考虑施工现场在摊铺水泥稳定基层时基本都控制混合料在最佳含水量范围，摊铺碾压后压实度的变化也较小，且在面层摊铺覆盖后，其含水量的变化主要依靠道路结构内的湿度变化。因此，依据水泥稳定基层所处的实际状况，主要考虑不同硫酸盐含量、环境湿度变化两方面对水泥稳定基层的盐胀影响，暂不直接考虑含水量、压实度的影响。

(1)混合料硫酸盐含量

硫酸盐盐胀主要取决于盐分含量，根据对阿喀和三莎高速公路路面基层芯样易容盐含量检测结果知，路面拱胀病害处基层芯样SO₄^2-含量在0.360 0%~0.804 0%之间，Na₂SO₄含量0.289 3%~0.785 0%之间，基层内硫酸盐的含量已远超规范的规定值。因此，设定试验箱相对湿度保持在40%水平，水泥稳定砂砾混合料分别采用混合料硫酸钠含量为0，0.25%，0.50%，1.0%，2.0%这5个盐含量水平进行水泥稳定砂砾混合料盐胀试验。

(2)环境湿度变化

试件过程中通过设定环境试验箱的湿度值来调节试件所处的湿度环境。结合南疆地区环境湿度，分别设置40%，60%和80%这3个湿度水平进行水泥稳定砂砾混合料盐胀试验。

1.3 试验方法

(1)盐胀试验

根据硫酸盐溶解度变化规律可知，温度状况在32.4 ℃以下时，随着温度逐渐降低，硫酸钠在自由水中的溶解度逐渐减小。研究表明降温速率对硫酸盐盐胀会产生明显影响^[22-23]，当试验中降温持续时间在60 min时，硫酸盐盐渍土具有较大的盐胀量，此时降温速率对探究盐胀大小具有代表性。因此，单次降温持续时间设定为60 min，降温区间设定为30~-5 ℃，一次降温5 ℃，达到每级温度后恒温60 min，试验温度变化见图 1。

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)，将水泥稳定砂砾混合料成型梁式试件(100 mm×100 mm×400 mm)，考虑到温度对含硫酸盐水泥稳定基层材料的盐胀变形的影响，成型的试件在标准养生室中养生6 d后，将所有试件调整至(32±2) ℃进行保温保湿养生1 d后放入水泥稳定基层材料膨胀测量仪中进行试验，初始温度设置为30 ℃，按照设定的温度变化图进行逐渐降温，利用巡检仪自动采集位移计变形值，室内试验过程见图 2。

(2) SEM试验

采用新疆大学力学实验室的LEO 1430VP扫描电子显微镜对水泥稳定基层材料进行微观观测(图 3)。观测前，对试验样品进行镀膜抽真空(图 4)，以使试样干燥、导电性良好，尽可能处于原有状态。为使微观对比更加清晰可靠，试验中分别选取硫酸钠含量均为1.0%的经过盐胀试验和未经盐胀试验的试件各一个。

2 结果与讨论 2.1 硫酸盐含量对基层盐胀的影响

根据设定的降温曲线逐级降温，测量各试件在降温过程中的盐胀变形情况，对原始数据处理后绘制变形量-温度曲线，见图 5。

图 5表明：水泥稳定基层材料的盐胀率随硫酸盐含量的增大逐渐增大，含盐量从0.25%至2.0%的过程，试件的盐胀率从0.032 5%增加至0.084 75%；混合料中不含硫酸盐的情况下，变形量为负值，且在30~-5 ℃之间逐渐减小，这是因为随着温度的降低水泥稳定基层试件的收缩变形量逐渐增大；随着含盐量的增加，水泥稳定基层从不含盐时的收缩变为了膨胀变形。而含硫酸钠的水泥稳定基层试件在初始温度时，变形量便为正值。这说明在温度恒定为30 ℃的过程中已有一定量硫酸钠结晶析出，使水泥稳定基层试件体积产生了膨胀。随着硫酸盐含盐量的增大，水泥稳定基层的累积膨胀变形也在逐渐增大，但增长幅度在不断减小。当含盐量小于1.0%时，混合料每增加0.25%的含盐量，其盐胀率将增大0.012 1%左右；当含盐量大于1.0 %时，再大幅增加水泥稳定混合料中的硫酸盐含量，其最终的盐胀变形量的增幅并不大，这是由于材料中可以结合成Na₂SO₄·10H₂O晶体的自由水减少了，不能再形成足够的晶体。

随着温度的不断降低，水泥稳定基层的变形过程可分为3个阶段：首先，30~20 ℃的过程，为较为缓慢的增长阶段；其次，20~5 ℃的过程，表现为快速增长的阶段，说明在该温度范围内水泥稳定砂砾混合料的盐胀最剧烈；最后，随着温度的继续降低，试件出现膨胀减小的过程，说明该过程的硫酸盐结晶析出已经很少，主要表现出试件一定的收缩变形。

混合料中含有硫酸钠的水泥稳定基层试件即使在不断降温的过程仍表现出膨胀作用，而并未出现一般的温缩现象。这与现场的调查结果一致，拱胀路段即使在冬季低温时，路面的收缩裂缝也相比一般情况发生较少。这说明水泥稳定基层的混合料中含适量的硫酸盐对减少温缩裂缝产生了积极作用，然而当硫酸盐含量过大时又将会使水泥稳定基层结构受到的膨胀作用过大而造成拱胀破坏，因此必须对混合料中硫酸盐的含量进行合理控制。

2.2 环境湿度变化对基层盐胀的影响

根据设定的降温曲线逐级降温，测量试件在不同湿度环境下的盐胀变形情况，处理原始数据，绘制不同环境湿度条件下的水泥稳定基层材料盐胀变形曲线，见图 6。

由图 6分析可知：随着湿度的增加，处于不同硫酸盐含量水泥稳定基层材料的膨胀变形量均呈增大趋势，但增大的幅度各不相同，基本是硫酸盐含量越高，水泥稳定基层材料的变形幅度越大。0.25%硫酸盐含量下，随着湿度增加，水泥稳定基层材料变形量总体呈增大趋势，当其湿度增加至80%时，其变形量增大幅度较小；0.5%硫酸盐含量下，水泥稳定基层材料随湿度的增加其变形速率略有提高，累积膨胀量也稍有增大；1.0%硫酸盐含量下，水泥稳定基层材料的膨胀变形量随着湿度的增大不断增加，且其变形速度及幅度均较大，当环境湿度达到80%时，基层的变形过程基本一直处于较快的增长趋势。这是因为当盐分和水分均较大时，硫酸盐有充足的自由水结合进行结晶，从而导致最终的膨胀量也显著变大；而当混合料中盐含量较少时，即使增加环境湿度也没有足够的盐结晶析出。

综上分析可知，随环境湿度增加，水泥稳定基层材料盐膨胀变形量会有一定增大，但其变形增大幅度还主要受盐分多少决定。当基层混合料中含盐量较少时，水泥稳定基层材料的累积膨胀量受湿度变化影响很小；当含盐量较大时，最终膨胀量受湿度的影响显著，增幅明显。

2.3 水泥稳定基层盐胀微观结构分析

为了探究水泥稳定基层材料盐胀的微观机理，采用扫描电子显微镜对盐胀试验前后水泥稳定砂砾基层试样的微观形态特征进行观测，图 7(a)和(b)分别为盐胀前、后的试样(1 000倍)，图 7(c)和(d)分别为盐胀前、后的试样(2 000倍)。

由图 7(a)和(c)分析知，在微观结构形貌上，未经盐胀试验的水泥稳定基层试样的基本单元由固体颗粒和水泥的水化产物所组成，水化凝胶物有一定的针状晶体(图中圆圈标示)生成，分布均匀稀疏，针状形态的晶体较少，且晶体与晶体之间间距较大，在2 000倍的扫描图中可清晰看到晶体相互连通的孔隙。

由图 7(b)和(d)分析知，经过盐胀试验后的水泥稳定基层试样的微观结构中可看到由固相颗粒和絮凝状晶体(图中圆圈标示)组成的单元体，大量絮状体晶体产生了明显的聚集现象，并悬浮在固体颗粒的截面上；将试样继续放大2 000倍时，从图 7(d)中可以清晰看到结构中含有的结晶体较粗大，多呈棒状、细棱柱状分布于固相表面，并呈团聚状结构聚集在一处，此处的微观结晶形态已基本接近纯芒硝(Na₂SO₄·10H₂O)的结晶形态。

由图 7(c)和(d)分析知，经过盐胀的试样与未经盐胀的试件微观结构发生了明显的不同。盐胀后的试样中存在大量絮状的结晶体，且存在显著的聚集现象，固体颗粒呈更加分散分布，大粒径的固体颗粒的间距较未盐胀的试样颗粒明显增大，这说明盐胀后试样中的盐分、水分进行了重分布，并聚集产生硫酸钠结晶作用，由于硫酸盐晶体的膨胀性，使固体颗粒的间距变大。从微观上看，虽然盐胀后试样中颗粒间的空隙较少，结构相对更加密实，但过大的膨胀作用已使固体颗粒之间的联结类型发生了改变，从而导致试样宏观性能的变化。

综上分析，含硫酸钠的水泥稳定基层材料在经历盐胀试验(降温条件)后发生了盐分聚集和结晶作用，在结构中产生了大量悬浮于固体颗粒之间的晶体，且结晶体积发生显著膨胀，当对固体颗粒产生的膨胀力大于颗粒间的联结力时，便会造成颗粒距离增大，在宏观上便表现为水泥稳定砂砾的膨胀变形量逐渐增大，这是水泥稳定基层材料发生盐膨胀的内在机理。

2.4 水泥稳定基层材料盐胀机理分析

结合水泥稳定基层材料盐胀试验和微观试验结果，从温度、含盐量和水分等方面对水泥稳定基层材料盐胀机理及影响因素进行深入分析。

(1) 温度影响分析

依据硫酸盐结晶机理可知，在32.4 ℃以下，硫酸钠的溶解度随着温度的降低而减小，硫酸钠溶于水中的溶解度随温度的变化情况如图 8所示。可见，硫酸盐的盐胀温度是关键因素，主要是在温度降低情况下从其溶液中析出Na₂SO₄·10H₂O晶体而发生的体积膨胀现象。

结合图 5~图 6分析可知，水泥稳定基层材料的盐胀变形量在30~20 ℃变化缓慢，在20~5 ℃变化较快，这也说明了混合料中硫酸盐的结晶速率也是在高温较缓慢，低温时逐渐增大，基本在10~5 ℃的区间盐胀量达到最大，该区间为水泥稳定基层材料盐胀剧烈发生的温度区间。在升温阶段，即使硫酸盐含量很大，对混合料的膨胀变形仍没有明显的影响，这也说明升温阶段水泥稳定基层中硫酸盐并未发生结晶膨胀。

(2) 盐分影响分析

温度降低时，水泥稳定基层材料自由水中的Na₂SO₄就将会逐渐饱和并结晶析出生成Na₂SO₄·10H₂O，该过程可表达为：

(1)

硫酸盐的存在与否是水泥稳定基层材料产生盐膨胀的内在根源和控制因素。由盐胀试验结果可知，基层混合料中硫酸盐含量增加0.25%时，基层盐胀率将增加一倍左右。这些膨胀首先会填充水泥稳定砂砾混合料中的孔隙，若盐胀体积膨胀过大，还将会使水泥稳定基层材料的结构发生破坏。这说明混合料中硫酸盐盐分的多少也决定着基层盐胀破坏发生的可能性及严重程度。因此，水泥稳定基层的施工过程中应严格控制混合料中硫酸盐盐分的含量，通过去除或控制在合理范围内以达到消除病害的目标。

(3) 水分影响分析

由上述硫酸盐结晶平衡式(1)可知，水泥稳定基层中硫酸盐要形成结晶体必须要有水分的供应，否则即使温度降低幅度再大也无法产生结晶膨胀。结合盐胀试验结果可知，随着试验环境相对湿度的增加，水泥稳定基层材料的膨胀量也会随着增大。环境相对湿度从40%升高到80%后，含盐量在0.5%的水泥稳定砂砾的膨胀率将增加0.025%，含盐量在1.0%的水泥稳定砂砾的膨胀率将增加0.063%，膨胀变形越大对水泥稳定基层造成的破坏越严重。实际环境中，当沥青面层摊铺后，水泥稳定基层受外界湿度变化影响较小，其含水量变化主要依靠路基路面结构内湿度的变化。在春融季节，随着环境气温逐渐上升，在冬季冻结于道路中的水将会率先开始融化，便会使路面结构中湿度大幅增加，进而提高水泥稳定基层结构水分，为盐胀的发生提供物质条件。这也进一步说明了，随着春季升温路面拱胀发生频率逐渐升高的内在原因。

2.5 水泥稳定基层材料硫酸盐控制

水泥稳定基层材料中硫酸盐的多少直接影响基层产生的膨胀变形量，从而决定硫酸盐的结晶膨胀是否造成基层结构发生破坏。通过对比不含硫酸盐与含硫酸盐的水泥稳定基层发生的膨胀变形可发现，适量硫酸盐的膨胀作用将有助于减少水泥稳定基层因温度下降产生的收缩变形，进而可减小基层收缩裂缝的产生。然而，当硫酸盐含量过大时，将会造成基层的拱胀病害，使基层结构破坏。因此，应合理控制基层混合料中硫酸盐的含量。

应用Origin软件对水泥稳定基层材料室内盐胀试验实测数据进行分析处理，建立水泥稳定基层材料中硫酸盐含量与其累积膨胀量的关系。通过拟合发现，盐含量与膨胀变形量有良好的指数关系，且相关系数在0.97以上，拟合结果见图 9。

得到水泥稳定基层材料中硫酸盐含量与膨胀量的关系式为：

(2)

式中，Δ_y为水泥稳定基层材料盐膨胀量；n为混合料硫酸盐含量。

当盐膨胀量为0时，水泥稳定基层材料在降温过程中不产生收缩或膨胀变形，变形量为0，此时水泥稳定基层材料处于最佳状态。这说明此时所对应的硫酸盐产生的盐膨胀恰好抵消了基层材料因温度下降产生收缩变形，此时水泥稳定基层材料所含盐含量即为考虑减小温缩变形时最大含盐量。由以上关系计算得，盐膨胀量为0时，混合料硫酸盐含量为0.136%。因此，在考虑减小水泥稳定基层温度收缩变形的同时，为防止基层产生过大膨胀，应控制水泥稳定基层混合料中硫酸盐含量在0.136%以内。

3 结论

(1) 随混合料含盐量的增加，水泥稳定基层材料变形量从不含盐时的负值变为正值；当含盐量小于1.0%时，混合料每增加0.25%的含盐量，其盐胀率将增大0.012 1%左右。

(2) 在20~5 ℃温度范围内，水泥稳定基层材料的盐胀变形随温度的不断降低而快速增长，且在10 ℃或5 ℃左右，其盐胀变形量达到最大。

(3) 随环境湿度的增加，水泥稳定基层材料盐膨胀变形量的增大幅度主要由混合料含盐量决定。当含盐量较大，为1.0%时，膨胀变形量受湿度的影响较为显著，增幅明显。

(4) 含硫酸钠水泥稳定基层材料发生了盐分聚集和结晶作用，结晶后晶体形态变化较大，多数悬浮于固体颗粒之间，且体积显著膨胀，当膨胀力大于微观固体颗粒间的联结力时，便会造成颗粒距离增大，从而在宏观上表现出膨胀变形。

(5) 水泥稳定基层材料盐含量与其膨胀量存在良好的指数关系，相关系数0.97以上。综合考虑减小水泥稳定基层温度收缩变形和防止水泥稳定基层产生过大盐膨胀作用，水泥稳定砂砾混合料中硫酸盐含量宜控制在0.136%以内。