硅酸盐水泥因其丰富的原材料和低廉的价格被广泛应用在基础设施建筑中，目前我国新建高速公路水泥稳定碎石基层所用胶凝材料多为普通硅酸盐水泥^[1]，经测算，每公里高等级沥青路面基层的水泥用量超过4 000 t。大量水泥的生产给我国带来经济效益的同时，对资源与环境产生严峻的挑战^[2]。与此同时，随着国家现代化进程的不断加快，工业固体废弃物排放量持续增加。为响应国家双碳战略，减少水泥生产造成的高排放与高污染的问题，利用矿渣粉等工业固体废弃物制备胶凝材料势在必行^[3-4]。

矿渣是一种冶炼生铁过程中燃烧残余的熔融物经过淬冷得到的工业副产品，其具有较高的火山灰活性和潜在水硬性，已经得到了广泛的应用。矿渣作为一种典型的铝硅酸盐矿物，其主要成分与硅酸盐水泥熟料接近，主要为CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO的化合物^[5]。研究发现，随着CaO，Al₂O₃含量的增加，以及SiO₂，TiO₂等含量的降低，矿渣粉的活性逐渐增强，CaO/SiO₂的比值越大，Al₂O₃的含量越高，表明矿渣粉活性越好^[6]。目前，已有文献研究脱硫石膏-水泥-矿渣胶凝材料三元复合体系稳定碎石的缩减与增强行为机制，结果表明在三元复合体系中，石膏可以促进水泥与矿渣粉间的火山灰反应，提高体系的黏结强度；其次石膏促进钙矾石的生成，实现体积的微膨胀，减少收缩与变形^[7]。徐欧明等^[8]研究结果发现复掺粉煤灰和矿渣对水泥稳定碎石的力学特性和收缩特性有明显改善，特别是后期强度提升明显，干缩与温缩特性最佳。孙仕伟等^[9]针对矿渣掺量为35%的水泥稳定碎石材料早期强度偏低问题，研究硅酸钠和氢氧化钠复掺对水泥稳定碎石基层的力学性能和干缩性能，其对稳定碎石的力学性能有较明显提高，但对干缩性能产生不利影响。王平等^[10]探究多元固废联合洞渣用于沥青路面水稳基层的收缩特性, 将挖掘隧道的洞渣、铁尾矿砂、磷石膏应用到路面水稳基层。安永昌等^[11]为解决道路工程建设中大量消耗水泥及砂石环境资源压力、造价高等问题，以工业固废钢渣、赤泥为原材料，制备了赤泥-钢渣-水泥路面基层材料。李夏等^[12]针对粉土材料在道路工程中的应用问题, 研究了赤泥基沥青粉柔性固化剂的固化机理以及固化粉土材料的物理力学性能和路用性能，实现固化粉土满足二级及二级以下公路中、轻交通基层设计要求。目前采用矿渣粉等固废材料制备胶凝材料用作半刚性基层的黏结材料应用研究较少，路用性能不佳，限制了矿渣粉等固废胶凝材料在道路工程中的应用。

本研究协同利用矿渣粉、石膏、硅酸盐水泥熟料和粉煤灰制备了矿渣基胶凝材料(SBC)，以PO42.5普通硅酸盐水泥(OPC)作为对比制备稳定碎石材料，研究不同胶凝材料掺量对稳定碎石材料的无侧限抗压强度、间接抗拉强度和弯拉强度的影响规律，探索了稳定碎石材料的干缩性能和温缩性能。采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)揭示SBC稳定碎石的作用机理，研究结果可为SBC在道路基层中的应用提供参考，有利于SBC在道路工程中推广应用。

试验采用SBC和OPC分别作为稳定碎石材料的胶结料，SBC主要由S95等级矿渣粉、硬石膏、粉煤灰和硅酸盐水泥熟料按照一定比例经充分研磨得到，其组成比例见表 1，SBC和OPC材料的XRD图谱见图 1，主要物理性能参数见表 2。

图 1 胶凝材料的XRD图谱 Fig. 1 XRD spectrum of cementitious materials

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试验所用集料类型为石灰岩，集料的物理指标见表 3。

根据四档集料的筛分结果，配制骨架密实型水泥稳定碎石材料，级配合成曲线如图 2所示。采用外掺法掺加质量分数分别为3%，4%，5%，6%的胶凝材料，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中丙法进行击实试验，得到最大干密度和最佳含水率。

图 2 级配合成曲线 Fig. 2 Synthesis curves of gradation

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击实试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)中的无机结合料稳定材料击实试验方法(T0804—1994)进行击实试验，将试验结果绘制成曲线，选择最大干密度时对应的含水率为最佳含水率。

根据设计的级配及最佳含水率，以98%为压实度控制指标，利用压力机采用静压法每组成型9个试件(ϕ150 mm×150 mm)，置于标准养护环境(20 ℃，98%湿度)中养护至规定龄期，分别测试无侧限抗压强度和间接抗拉强度。为保证试验结果的可靠性，采用3倍均方差剔除异常值，另外按规定，变异系数Cv(%)应≤15%。

弯拉强度试验按照规程中的无机结合料稳定材料弯拉强度试验方法(T0851—2009)，成型100 mm×100 mm×400 mm的中梁试件，标养至规定龄期，采用三分点加载方式测试弯拉强度。

干缩试验中干缩量采用千分表测量，成型100 mm×100 mm×400 mm的中梁试件，脱模后置于标准养护条件下养护7 d并浸泡在水中1 d，取出试件擦干表面水分，使用游标卡尺测量其初始长度，称取其初始质量，将试件置于干缩室内，一周内每天测量长度与质量，一周后每两天测量长度和质量。试验结束后，放入烘箱加热直至质量不变，计算得到对应的干缩应变。

温缩试验采用100 mm×100 mm×400 mm的水泥稳定碎石试件。将试件在标准养护条件下养护7 d并浸泡在水中1 d，养生结束时，将试件放入烘箱10 h，温度设置为105 ℃，待试件完全干燥至恒重，然后放置在通风的地方冷却到室温，测量试件原始长度，然后把试件放入试验箱中进行试验。本次试验的温度为-10~50 ℃，每间隔10 ℃为一个梯度，试验过程中，先将温度控制在50 ℃，保温3 h，接着开始按照0.5 ℃/min的速率降温，待下降到下一温度后，再保温3 h，在保温的最后5 min读取数据，以此类推，直到温度降至0 ℃，计算试件温缩系数。

取无砂样品相对应的小部分硬化浆体进行显微测试。将样品浸入无水乙醇中48 h以终止水化反应，然后在40 ℃下干燥48 h。使用Brook D8 X射线衍射仪进行XRD测试，扫描范围为10°~60°。采用蔡司场发射扫描电子显微镜观察样品的形貌。

由击实试验可得水泥稳定碎石的最佳含水率和最大干密度，不同类型胶凝材料稳定碎石的最佳含水率和最大干密度随掺量变化结果见表 4。

由表 4可知，随着胶凝材料掺量的提高，稳定碎石材料的最佳含水率和最大干密度逐渐增加。胶凝材料掺量范围内，SBC稳定碎石材料的最佳含水率在3.8%~6.2%之间，最大干密度在2.307~2.333 g/cm³范围内；OPC稳定碎石材料的最佳含水率为3.6%~5.9%，最大干密度为2.310~2.335 g/cm³。相同胶凝材料掺量条件下，OPC稳定碎石材料的最大干密度大于SBC稳定碎石材料，最佳含水率小于SBC稳定碎石材料。出现上述现象主要与两种胶凝材料的基本物理性能有关，SBC的标准稠度用水量为30.8%，而OPC的标准稠度用水量为28.5%，较高的标稠用水量导致稳定材料的最佳含水率提高；OPC的密度为3.11 g/cm³，SBC的密度为2.81 g/cm³，同掺量条件下密度较大的胶凝材料相应的增加了稳定材料的最大干密度。

对不同类型胶凝材料稳定碎石材料开展7 d无侧限抗压强度试验。试样尺寸为ϕ150 mm×150 mm的圆柱形试件，无侧限抗压强度结果见图 3。

图 3 无侧限抗压强度随胶凝材料类型与掺量的变化关系 Fig. 3 Unconfined compressive strengths varying with types and contents of cementitious materials

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图 3结果显示7 d无侧限抗压强度代表值均随两种胶凝材料掺量的提高而增加，胶凝材料掺量在4%时试样的强度代表值均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)对高速公路和一级公路基层的强度要求。水泥稳定碎石类材料的强度值主要取决于以下3个方面：一是粗骨料之间的骨架嵌挤效应，二是细骨料的填充效应，三是来自胶结料与骨料间的黏结效应^[13-14]。在级配相同条件下，胶结料掺量的提高，其与骨料间的黏结效应凸显，使得试件7 d无侧限抗压强度值进一步增加。对比两种胶凝材料，相同掺量下的SBC稳定碎石材料的无侧限抗压强度代表值与OPC稳定碎石材料相当。

容许延迟时间是指在满足强度标准的前提下，水泥稳定材料拌和后至碾压成型之前所容许的最大时间间隔。以4.0%胶凝材料掺量为例，分别按照不同焖料时间成型无侧限试件测其力学性能，研究其强度衰减规律。试验结果见图 4。

图 4 不同胶凝材料稳定碎石延迟时间 Fig. 4 Delay time of stabilize dmacadam with different cementitious materials

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图 4为两种胶凝材料稳定碎石的延迟时间结果。从图中结果可知，OPC和SBC稳定碎石的延迟时间与无侧限抗压强度的线性拟合R²值分别为0.978 58和0.967 87，表现出较好的线性关系。在强度变化方面，OPC体系经6 h延迟时间后，无侧限抗压强度降低1 MPa；而SBC体系经6 h延迟后，无侧限抗压强度变化微弱，经15 h延迟时间后，强度仅降低0.4 MPa。对比两种体系线性拟合方程斜率的绝对值，OPC体系的斜率绝对值是SBC体系的6.3倍，说明OPC体系的强度损失远远快于SBC体系。在级配相同的前提下，延迟试验强度损失主要与胶凝材料的凝结时间有关，胶凝材料的凝结时间取决于自身的水化反应和用水量，在标准稠度条件下，OPC的凝结时间在6 h左右，而SBC的凝结时间可达到12 h，这使得SBC稳定碎石在延迟6 h时，依然保持较高的力学性能；其次，在水稳碎石中水泥浆的水灰比要远比在标准稠度用水量时的水灰比大的多，用水量的提高，延长了水泥的凝结时间，强度损失变慢^[15]。

间接抗拉强度用于评价半刚性基层材料强度，通过其间接抗拉强度的大小反映其材料的抗拉性能，开展不同龄期的间接抗拉试验。

图 5为不同养护龄期条件下稳定碎石的间接抗拉强度结果。可以看出，随着胶凝材料掺量的提高，对应的间接抗拉强度呈现逐渐增长的趋势。这归因于随着胶凝材料剂量的增加，水化作用更为显著，生成更多的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，进而使得间接抗拉强度的提高。相比于OPC，SBC在改善混合料的抗拉性能方面作用较为显著, 相同龄期与掺量条件下，SBC稳定碎石材料比OPC稳定碎石材料间接抗拉强度提高了8%~12%。

图 5 间接抗拉强度随胶凝材料类型与掺量的变化关系 Fig. 5 Indirect tensile strengths varying with types and contents of cementitious materials

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如图 6所示，在相同龄期的条件下，稳定碎石材料抵抗弯拉变形的能力随胶凝材料掺量的增加而提高，胶凝材料的掺量每提高1%，混合料的抗弯拉强度提高10%~15%。对比两种胶凝材料稳定碎石材料结果，SBC稳定碎石材料的抵抗弯拉变形能力优于OPC水泥稳定碎石，相同掺量条件下抗弯拉强度提高约4%~7%。OPC的水化产物主要为水化C-S-H凝胶和氢氧化钙(CH)，其水化反应见式(1)；与OPC不同，SBC强度来源于水泥的水化和石膏中的硫酸盐激发矿渣粉生成针棒状的钙矾石(AFt)其水化反应见式(2)^[16]。大量的AFt可以在体系中起到纤维增强作用，在受力过程中承担部分抗拉应力，减少稳定碎石材料开裂现象，从而改善混合料的间接抗拉强度和抗弯拉变形能力^[17]。

(1)

(2)

图 6 弯拉强度随胶凝材料类型与掺量的变化关系 Fig. 6 Flexural tensile strengths varying with types and contents of cementitious materials

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干燥收缩是无机结合料稳定材料因内部含水量变化而引起体积收缩的现象，以4.0%胶凝材料掺量为例，根据上述试验方法得到两种胶凝材料稳定碎石干缩试验数据，如表 5所示。

从表 5结果看，两种胶凝材料稳定碎石试件的前期失水率较大，后期失水率逐渐降低。对比两种胶凝材料，SBC稳定碎石的前7 d失水率略大于OPC稳定碎石，7 d后的失水率相当，这主要与SBC稳定碎石的最佳含水率大于OPC稳定碎石原因所致。从干缩结果看，干缩量与失水率变化相似，在试验初期，干缩量增长很快，随着龄期的增加，后期干缩量逐渐减慢。对比SBC和OPC稳定碎石，SBC稳定碎石的初期干缩量大于OPC，在养护至第6 d后，干缩量小于OPC稳定碎石，SBC在水化过程中反应生成AFt，能使固相体积增加大约120%^[18]，可以减弱试件的干缩量。干缩应变结果显示，两种胶凝材料稳定碎石试件在水化初期应变变化较大，后期变化较小，SBC稳定碎石的干缩应变低于OPC稳定碎石，30 d干缩应变降低16.0%，抵抗开裂的性能更好。

温缩是由于温度的降低而引起材料收缩变化，为了防止半刚性基层开裂，温缩系数也是作为半刚性基层材料抗裂性能的重要影响因素之一，以4%胶凝材料掺量为例，温缩试验结果如表 6所示。

根据表 6可以看出，两种胶凝材料稳定碎石混合料在不同温度区间表现出相同的趋势，温缩系数均随着温度的降低而减小。温缩系数变化较大的时期为降温初期，在后期变化逐渐变小，在10~0 ℃的时候降到最低点。在温度较高时，稳定碎石材料发生热膨胀，体积相比室温时略有增加，温度降低时，体积收缩较大，在收缩过程中，集料间结合愈加紧密，可接受的空间体积变小，因此温度越低，收缩量越小。对比两种胶凝材料稳定碎石的温缩系数，因两种胶凝材料的水化产物基本相同，温缩系数相差较小。

采用SEM和XRD分析两种类型胶凝材料水化产物的微观形貌和矿物组成，图 7和图 8分别为不同龄期试样的SEM照片和XRD图谱。

图 7 不同龄期各组试样的SEM照片 Fig. 7 SEM photo of samples in different groups with different ages

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图 8 不同龄期各组试样的XRD图谱 Fig. 8 XRD pattern of samples in different groups with different ages

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由图 7可知，水化7 d的OPC试样表面存在六方板状的CH和针棒状的AFt，同时有大量未反应矿渣粉嵌在浆体中，表面有较多明显的坑洞，整体结构疏松。水化7 d的SBC试样表面存在大量的AFt和少量的C-S-H凝胶和部分未水化的矿渣粉与石膏，未发现CH的存在。水化至28 d龄期的SBC试样表面非常致密，有大量AFt和C-S-H凝胶相互堆叠胶结在一起。

图 8的XRD结果显示，OPC水泥随着水化龄期的延长，硅酸盐矿物衍射峰减弱，CH的衍射峰不断增强，水化程度不断增加。水化7 d的SBC试样中主要为AFt和大量的未参与水化反应的石膏，水化至28 d龄期的SBC试样AFt衍射峰增强，石膏衍射峰减弱，说明随着水化反应的进行，矿渣粉在碱性环境下溶解，大量的石膏被消耗用以生成AFt，针棒状的AFt相互交织改善了SBC的抗折强度^[19-20]。这也印证了上述SBC稳定碎石材料的间接抗拉强度和弯拉强度高于OPC稳定碎石材料的试验结果。

(1) 稳定碎石材料的最佳含水率和最大干密度随胶凝材料掺量的增加逐渐增加，相同胶凝材料掺量条件下，OPC稳定碎石材料的最大干密度大于SBC稳定碎石材料，最佳含水率小于SBC稳定碎石材料。

(2) SBC稳定碎石材料的7 d无侧限抗压强度与OPC稳定碎石相当，4%SBC稳定碎石的7 d无侧限抗压强度满足规范基层强度要求。延迟时间试验结果显示SBC稳定碎石材料的最大延迟时间超过15 h，应用在半刚性基层可实现3层连铺工艺，提高施工效率。

(3) SBC稳定碎石材料的间接抗拉强度和弯拉强度均高于OPC稳定碎石，较OPC稳定碎石间接抗拉强度提高8%~12%，抗弯拉强度提高4%~7%。

(4) SBC稳定碎石材料的干缩性能优于OPC稳定碎石材料，30 d的干缩应变值比OPC稳定碎石材料降低16.0%，温缩试验结果显示SBC稳定碎石与OPC稳定碎石的温缩性能相差较小。

(5) XRD和SEM的微观结果看，SBC胶凝材料水化产物主要为AFt晶体和C-S-H凝胶，大量的AFt交织形成胶凝材料的骨架，改善稳定碎石材料的间接抗拉强度和弯拉强度，增强了抗裂性能。