混合比例对水泥稳定全深度填海地基力学性能和微观结构的影响

《Results in Engineering》：Influence of Blending Proportion on Mechanical and Microstructural Properties of Cement-Stabilized Full-Depth Reclamation Base

本研究系统探究了不同粗细骨料比例（80:20至40:60）、水泥掺量（3%、4%、5%）及养护周期（7、14、28天）对水泥稳定全深度再生（FDR）基层材料力学性能的影响。通过室内试验发现，70:30骨料比例配合5%水泥掺量时，28天养护后的UCS达10.25 MPa，FS为1.17 MPa，ITS为0.67 MPa，显著优于其他配比组合。微观分析表明，C-S-H凝胶的生成与钙质碳化作用有效提升了材料密实度和界面结合力，UPV值与UCS呈中度正相关（R2=0.709），验证了超声脉冲速度在工程检测中的适用性。研究结果为优化再生基层材料配比和施工控制提供了理论依据。

　　在当前全球对可持续基础设施建设日益重视的背景下，研究如何利用现有材料进行道路修复和再利用成为一项重要的课题。本文探讨了通过水泥稳定全深度再生（FDR）材料作为基层应用时，不同粗细颗粒配比、水泥掺量及养护时间对材料力学性能的影响。FDR技术通过就地回收现有路面层，不仅降低了对天然骨料的依赖，还有效减少了施工废弃物的产生，同时减轻了环境负担。这种技术在印度尤为适用，因为该国北部地区高质量天然骨料的运输距离往往超过100公里，给环境和经济带来了双重压力。通过使用普通硅酸盐水泥（OPC）进行稳定，FDR材料能够在不增加运输成本的情况下，显著提升其结构性能和耐久性。

研究中，采用了五种粗细颗粒配比（80:20、70:30、60:40、50:50和40:60），并分别以3%、4%和5%的水泥掺量进行实验室测试。测试涵盖了7天、14天和28天的养护周期，以评估材料随时间的强度发展情况。实验项目包括无侧限抗压强度（UCS）、抗弯强度（FS）和间接拉伸强度（ITS）测试，同时引入了超声波脉冲速度（UPV）作为非破坏性检测手段。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术，研究了材料的微观结构特性，包括钙硅酸盐水化物（C-S-H）胶体、方解石、铝酸三钙（Alite）和云母的形成，这些因素有助于增强颗粒间的相互嵌合和减少孔隙率。

实验结果显示，70:30粗细颗粒配比在5%水泥掺量下，表现出最高的强度性能。28天养护后，其无侧限抗压强度（UCS）达到了10.25 MPa，抗弯强度（FS）为1.17 MPa，间接拉伸强度（ITS）为0.67 MPa。这些数据表明，该配比在提高材料强度方面具有显著优势。同时，超声波脉冲速度（UPV）值随着水泥和粗骨料含量的增加而持续上升，从1920 m/s提升至2891 m/s，反映了材料内部结构的增强和密实度的提高。SEM和XRD分析进一步证实了水泥稳定过程中C-S-H胶体的形成，这有助于提高材料的结合力和密实度，从而改善其力学性能和耐久性。

研究还发现，不同水泥掺量对材料强度的影响存在差异。3%的水泥掺量在7天和14天养护期间显示出较弱的强度增长，而5%的掺量则在28天时表现出更强的强度提升。在湿润条件下，材料的强度进一步增强，这表明水泥的水化作用对材料性能的提升具有重要作用。此外，材料的养护时间也对其强度发展有显著影响，随着养护时间的延长，材料的强度持续增加，但增长速率逐渐减缓。这种现象可能与水泥的持续水化反应和材料内部结构的逐渐完善有关。

在抗弯强度方面，研究指出70:30配比的材料在28天养护后表现出最佳的抗弯性能。这可能是由于该配比下颗粒排列更加均匀，水泥分布更为合理，从而形成了更强的抗裂结构。在间接拉伸强度测试中，5%水泥掺量的70:30配比材料在28天养护后表现出最高的强度值，表明其在抵抗拉伸应力方面具有良好的性能。这种性能提升对于防止反射裂缝和提高材料的长期使用性能至关重要。

非破坏性检测方法（如UPV）在材料性能评估中显示出较高的可靠性。UPV值与无侧限抗压强度之间存在一定的相关性，R2值达到0.709，这表明UPV可以作为有效的材料质量评估工具。通过建立UPV与UCS之间的回归方程，研究进一步验证了该方法在实际工程中的应用潜力。

微观结构分析表明，水泥的加入显著改善了FDR材料的内部结构。SEM图像显示，未稳定材料呈现出松散的颗粒结构和明显的孔隙，而水泥稳定后的材料则表现出更紧密的结构和减少的孔隙。XRD分析揭示了材料中C-S-H、方解石、铝酸三钙和云母的形成，这些矿物相的变化有助于提高材料的结合力和密实度。此外，不同水泥掺量对微观结构的影响也得到了详细分析，结果显示，随着水泥含量的增加，C-S-H的形成更为显著，这进一步支持了其在提升材料性能方面的有效性。

尽管研究取得了重要成果，但也存在一定的局限性。例如，实验材料仅来源于单一农村道路，且仅使用了OPC-43作为稳定剂，这可能影响研究结果的普遍适用性。此外，实验室控制的养护条件与实际现场条件存在差异，因此需要进一步研究以评估材料在复杂环境下的长期性能。未来的研究可以扩展到其他材料类型和稳定剂，如石灰、粉煤灰或矿渣，以探索更多可持续的解决方案。同时，对材料在湿干循环、冻融循环等环境条件下的性能进行长期测试，将有助于更全面地评估其在实际应用中的表现。

综上所述，本研究为水泥稳定FDR材料在道路基层中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。通过优化粗细颗粒配比和水泥掺量，可以显著提高材料的强度和耐久性，从而实现更高效、更环保的道路修复方案。同时，UPV作为一种非破坏性检测方法，为现场质量控制提供了可行的工具。未来的研究应进一步拓展实验范围，探索更多材料组合和环境条件，以推动FDR技术在更广泛的应用场景中发挥作用。