水泥稳定碎石材料属于水泥基材料的一种，常常被用作高等级公路的基层材料^[1-2]。戈壁盐渍土地区具有温差大、集料及拌和用水硫酸盐含量高等特点，水泥稳定碎石力学性能及微观结构有所不同^[3-6]。

目前，硫酸盐对水泥基材料的影响主要归结于硫酸根离子与水化产物之间的化学反应，以及硫酸盐自身的物理结晶反应^[7-9]。傅小茜等^[10]通过宏微观试验研究发现硫酸盐环境对水泥土的弹性模量、应力应变曲线有显著的影响，在复杂的物理、化学作用下，通过SEM试验结果发现水泥土存在显著劣化现象。徐威等^[11]发现随着硫酸钠浓度的升高，混凝土全应力-应变曲线向右倾移，峰值应力和弹性模量逐渐下降，峰值应变逐渐增大，孔隙数目增多，力学性能劣化程度提高。吴松波等^[12]发现在硫酸盐作用下，混凝土内部发生物理反应(芒硝的生成) 和化学反应(石膏和钙矾石的生成)，使得混凝土内部结构破坏，内部损伤加重，表面剥落明显，弹性模量大幅度降低。逯静洲等^[13]研究发现，在硫酸盐早期侵蚀阶段，钙矾石、石膏等侵蚀产物对微观结构有逐渐填充密实作用，后期钙矾石、石膏等的膨胀应力作用使微观结构产生微裂缝而逐渐劣化，从而改变了混凝土的弹性模量的变化。林敏等^[14]研究发现添加2.0%的无水硫酸钠和1.0%的三乙醇胺到水泥稳定碎石基层材料中，可大幅度提高水泥稳定碎石的早、中期强度，在各龄期强度提高比例大约为15%。

温度通过改变硫酸钠的溶解度，从而改变硫酸根离子的浓度，最终使得化学和物理腐蚀产物含量有所不同^[7-9]。张明亮等^[15]在室内试验中设置了3组温度(5，20，50 ℃)，发现5 ℃下的混凝土样品破坏最严重，这是由于低温下溶液更容易达到超饱和状态，Na₂SO₄·10H₂O晶体在低温下更容易结晶；相反，高温条件下，石膏和钙矾石更快形成，加快了化学侵蚀。郭佳庆等^[16]通过室内试验研究了不同温度(35，20，― 15 ℃) 条件下Na₂SO₄侵蚀对混凝土劣化性能的影响，发现混凝土单轴抗压强度、弹性模量及抗腐蚀系数随着温度的降低而降低，温度影响了钙矾石晶体的产生及生成数量，使得混凝土结构内部出现微裂缝，降低了混凝土强度。张宏、任秀玲等^[17-23]研究发现当环境温度降低时，硫酸钠的溶解度变化，硫酸钠盐结晶形成Na₂SO₄ ·10H₂O，其体积会比原来体积增大3.18倍。

目前，针对水泥稳定碎石基层材料在温度和硫酸盐作用下的研究主要集中在的膨胀变形、强度变化等宏观力学特性，却很少有针对其内部微观结构的变化进行研究。为了更好地分析不同含量硫酸钠和温度作用下，水泥稳定碎石基层材料力学性能和胶凝材料微观结构之间的关系，本研究在已有研究的基础上通过单轴压缩试验、SEM和EDS试验分析了龄期温度、硫酸钠含量对水泥稳定碎石基层材料弹性模量和微观结构的影响，并且分析了不同硫酸钠含量对试件弹性模量随孔隙总面积占比的变化规律。

试验所用原材料应满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)的规定。其中集料为石灰石砾石，来自西安某建材公司，集料级配类型按照依托工程国道331现场已有的级配进行室内试验级配设计，级配曲线如图 1所示；水泥为普通硅酸盐水泥，且强度等级为42.5；试验拌和用水为生活用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)；硫酸盐采用无水硫酸钠，且有效成分含量均≥99%。

图 1 集料级配曲线 Fig. 1 Aggregate gradation curves

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已有的研究表明制件及龄期温度、硫酸钠含量是影响水泥稳定碎石材料力学性能的主要原因。文献[3, 6] 提到硫酸盐主要来源于粒径在1 mm以下的碎石和拌和用水，因此在开展室内试验时，硫酸钠含量的拟定应按照式(1)进行换算。

(1)

式中，s_Na为拟定硫酸钠含量；s_Na1为原材料碎石中硫酸根离子含量；m_c为击实试验时碎石的质量；r为粒径在1 mm以下的碎石占所有碎石质量的比例，通过表 1计算；s_Na2为拌和用水硫酸根离子含量；m_w为击实试验时拌和用水质量。

换算后的硫酸钠含量在0~3%之间，本研究拟定硫酸钠含量分别为0，0.5%，1.5%，2.5%，3.5%，5%；考虑地区气候及基层施工允许温度，施工季节主要集中在3—10月，月平均最低温度为10 ℃，月平均最高温度为35 ℃，本研究拟定在高温(35±2) ℃，低温(10±2)℃条件下进行试件成型，试件龄期温度分别为低温(LT) ― 15~10 ℃、高温(HT)10~35 ℃，水泥含量分别5%，龄期为90 d。具体试验方案如表 1所示，本试验共12组，每组3个试件，合计36个试件。

水泥稳定碎石基层材料弹性模量试验主要由集料级配设计、闷料、试件成型、养生、单轴压缩试验组成。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)的要求，结合表 1及已有的击实试验结果^[3]计算出每个试件碎石、硫酸钠、水的质量，随后进行碎石材料拌和、闷料，闷料时间为8 h，闷料完成后加入水泥进行拌和及试件成型；试件分别放置在HT条件和LT条件，这是因为施工分别在HT条件和LT条件下进行；按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)进行水泥稳定碎石基层材料单轴压缩试验测定弹性模量。

完成弹性模量测试试验的试件可以用来开展SEM电镜扫描及EDS能谱试验，具体试验方案如表 2所示。通过SEM电镜扫描试验可以分析硫酸钠含量、龄期温度对水泥稳定碎石胶凝材料的微观结构及腐蚀产物的影响；通过EDS能谱试验可以分析龄期温度、硫酸钠含量变化时，水泥稳定碎石基层材料中的胶凝材料矿物成分的变化情况。

(1) SEM和EDS试验

结合试验方案表 2开展试验，试验前首先使用切割机将破坏后的试样切割成5 mm×5 mm×5 mm样品，然后对切割好的样品进行喷金处理，最后使用JSM-7500F扫描电子显微镜，以电压5 kV，电流4 mA测试水泥稳定碎石胶凝材料的微观结构。完成SEM微观结构照片拍摄后对微观结构形态复杂区域进行EDS点扫能谱试验^[3]。

(2) 数字图像处理

采用Image-Pro Plus(IPP)软件对电镜扫描获取的胶凝材料照片进行图像处理，目的是获取孔隙直径、孔隙总面积占比等参数，图像处理流程如图 2所示。

图 2 数字图像处理流程 Fig. 2 Digital image processing

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水泥稳定碎石基层材料弹性模量随着硫酸钠含量、龄期温度的变化如图 3所示。

图 3 水泥稳定碎石材料弹性模量变化 Fig. 3 Elastic modulus variation of cement stabilized macadam

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由图 3可知，低温条件和高温条件下的水泥稳定碎石基层材料的弹性模量均随着硫酸钠含量的增加呈现出先增大后减小的趋势，在硫酸钠含量为2.5%时，两者的弹性模量达到最大值，即3 181.59，3 724.19 MPa，这是因为当硫酸钠含量小于2.5%时，随着硫酸钠含量的增加，水泥稳定碎石基层材料内部孔隙结构在水泥水化反应及硫酸钠侵蚀反应作用下逐渐密实，在硫酸钠含量为2.5%时，孔隙结构密实状态最佳，因此弹性模量最大。这与徐威等^[11]的研究结论类似，其研究发现：低浓度腐蚀时混凝土内部将产生石膏或者钙矾石将内部孔隙填充密实，峰值应力增大；高浓度腐蚀时，腐蚀产物膨胀应力致使内部孔隙数量增多，峰值应力降低，弹性模量大幅度下降。

由图 4可知，在硫酸钠含量为0，0.5%，1.5%，2.5%，3.5%，5%时，高温条件下的水泥稳定碎石基层材料的弹性模量分别比低温条件下高355.47，205.12，377.35，542.59，929.11，697.62 MPa。郭佳庆等^[16]也曾发现，混凝土单轴立方体抗压强度和弹性模量随温度降低而降低。造成此现象的原因主要有两个方面：其一，当硫酸钠含量一定时，温度越高，水泥水化反应速率越快，水化产物含量越高，水泥稳定碎石基层材料孔隙结构更加密实^[2]；其二，温度越高(大于32.4 ℃)，硫酸钠在水中的溶解度越高，高温未溶解的硫酸钠生成的无水硫酸钠晶体含量越少，无水硫酸钠体积膨胀量小，这会使得高温条件下腐蚀产物造成的膨胀压越小，水泥稳定碎石基层材料内部损伤越小；温度越低(大于32.4 ℃)，低温未溶解的硫酸钠含量越多，物理结晶后生成的Na₂SO₄· 10H₂O晶体含量越多，这会使得低温条件下腐蚀产物造成的膨胀压越大，水泥稳定碎石基层材料内部损伤越大。因此，高温条件下，水泥稳定碎石基层材料内部损伤越小，弹性模量越大^{[3, 23]}。同时，吴松波等^[12]也发现芒硝晶体的生长以及钙矾石和石膏的出现使混凝土内部的孔隙结构破坏，导致混凝土的力学特性降低，化学反应和物理反应一起加剧了混凝土力学性能的劣化，导致混凝土破坏。针对温度对Na₂SO₄·10H₂O的转化从而影响水泥基材料强度的变化，许多学者进行了研究。诸如Steiger^[24]，Shahidzadeh-Bonn^[25]，Espinosa^[26]，张明亮^[15]、Tang^[3]系统研究了无水Na₂SO₄晶体与Na₂SO₄·10H₂O的转化，分析得出32.4 ℃以下的样品膨胀量大于32.4 ℃以上的样品，这是由于Na₂SO₄·10H₂O晶体在孔隙内体积增大导致孔隙开裂，从而致使水泥基样品膨胀量增大。

图 4 盐分对水泥稳定碎石基层材料微观结构的影响 Fig. 4 Influence of salt on microstructure of cement stabilized macadam base material

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水泥稳定碎石基层材料弹性模量符合胡克定律，即应力和应变呈等比例关系^[27]。硫酸钠含量的变化使得水泥水化后腐蚀产物发生变化，这会改变水泥稳定碎石基层材料内部的胶凝材料组成，从而改变水泥稳定碎石基层材料的应力、应变。硫酸钠含量对水泥稳定碎石基层材料内部胶凝材料的影响结果如图 4所示。

由图 4电镜扫描照片可知，随着硫酸钠含量的增加，水泥稳定碎石基层材料胶凝材料内部结构变化较大。当硫酸钠含量为0时(图 4(a))，水泥稳定碎石基层胶凝材料中存在一定量的孔隙，孔径主要以5~10 μm为主，孔隙总面积占比为21.6%，胶凝材料主要以絮状的水化产物(CH、C—S—H)晶体以及针状的钙钒石晶体(AFt)为主；当硫酸钠含量为0.5%时(图 4(b))，水泥稳定碎石基层材料中孔隙含量有所减少，孔径主要以5~10 μm为主，还有少量的0~5 μm，孔隙总面积占比为16.2%，胶凝材料主要以絮状的CH、C—S—H晶体以及针状的AFt晶体为主，此时AFt含量有所增加；由图 4(c)可知，当硫酸钠含量为2.5%时，水泥稳定碎石基层材料中孔径主要以0~5 μm为主，孔隙总面积占比为10.4%，胶凝材料主要以絮状的CH、C—S—H晶体、针状的AFt晶体为主；由图 4(d)可知，当硫酸钠含量为5%时，水泥稳定碎石基层材料中孔隙含量最多，孔径主要以5~10 μm，10~20 μm为主，孔隙总面积占比为18.7%，胶凝材料中含有大量的AFt晶体和Na₂SO₄·10H₂O晶体。

从EDS点扫描试验结果可以发现，硫酸钠含量为0时，在絮状产物中没有检测到明显的S元素，Ca，O，Si元素占比多，该物质为水化产物硅酸钙；硫酸钠含量为0.5%，2.5%时，针状侵蚀产物晶体中S，Al，Si，Ca，O元素占比多，且硫酸钠含量为2.5%的S元素含量更多，结合形貌特征和元素所占比重，可以推断出针状晶体产物为钙矾石。硫酸钠含量为5%时，侵蚀产物主要组成元素为S，Al，Si，Ca，O，Na，其中Na含量明显增多，由此可以确定侵蚀产物既含有钙钒石晶体也含有Na₂SO₄·10H₂O晶体，Na₂SO₄·10H₂O的体积膨胀量比钙钒石的体积膨胀量大3倍^{[3, 28]}。

综上可知，当硫酸钠含量小于2.5%时，随着硫酸钠含量的增加，水泥稳定碎石基层胶凝材料内部孔隙结构复杂程度在侵蚀产物钙钒石填充的作用下逐渐减小，孔隙孔径、孔隙总面积占比逐渐减小，结构整体性越来越好。在单轴压缩作用下，承载能力增大，产生的变形减小，根据胡克定律可知，水泥稳定碎石基层材料弹性模量越来越大。当硫酸钠含量大于2.5%时，随着硫酸钠含量的增加，水泥稳定碎石基层材料内部孔隙结构复杂程度在侵蚀产物钙钒石和Na₂SO₄·10H₂O膨胀的作用下逐渐增大，孔隙孔径、孔隙总面积占比逐渐增大，结构整体性越来越差。在单轴压缩作用下，承载能力减小，产生的变形增大，根据胡克定律可知，水泥稳定碎石基层材料弹性模量越来越小。

龄期温度变化会改变水泥水化反应速率，从而影响硫酸钠在水中的溶解度。溶解硫酸钠含量的变化，导致水泥稳定碎石材料中胶凝材料的腐蚀产物含量也会有所变化。当水泥含量为5%，硫酸钠含量为5%，龄期温度对水泥稳定碎石基层材料内部胶凝材料的影响结果如图 5所示。

图 5 龄期温度对水泥稳定碎石基层材料微观结构的影响 Fig. 5 Influence of age temperature on microstructure of cement stabilized macadam base material

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由图 5可知，水泥含量和硫酸钠含量一定时，龄期温度对水泥稳定碎石基层材料内部结构有着重要的影响。当龄期温度为LT时，水泥稳定碎石基层材料胶凝材料中存在大量的孔隙，孔径主要以5~10 μm为主，孔隙总面积占比为18.7%；当龄期温度为HT时，水泥稳定碎石基层胶凝材料中孔隙含量变少，孔径主要以1~5 μm为主，孔隙总面积占比15.3%。当温度为10 ℃时，水泥稳定碎石基层材料胶凝材料主要以水化产物、钙钒石、Na₂SO₄·10H₂O为主，这是因为温度低于32.4 ℃时，未溶解的硫酸钠会以Na₂SO₄·10H₂O的形式存在，Na₂SO₄· 10H₂O体积大，错乱地分布在胶凝材料中；当温度为35 ℃时，水泥稳定碎石基层材料胶凝材料主要以水化产物、钙钒石、无水硫酸钠为主，这是因为温度高于32.4 ℃时，未溶解的硫酸钠会以无水硫酸钠的形式存在，无水硫酸钠体积小，在一定程度上填充了胶凝材料的孔隙^{[1, 16, 23]}。

从EDS点扫描试验结果可以发现，当龄期温度为LT时，侵蚀产物主要组成元素为S，Al，Si，Ca，O，Na，Na元素含量高，由此可以确定侵蚀产物既含有钙钒石晶体也含有Na₂SO₄·10H₂O晶体。当龄期温度为HT时，侵蚀产物主要组成元素为S，Al，Si，Ca，O，Na元素含量低，由此可以确定侵蚀产物为钙钒石晶体。

综上可知，龄期温度为LT时，水泥稳定碎石基层胶凝材料内部孔隙结构复杂程度在侵蚀产物钙钒石和Na₂SO₄·10H₂O膨胀破坏的作用下较大，孔隙孔径、孔隙总面积占比较大，结构整体性较差。在单轴压缩作用下，承载能力小，产生的变形大，根据胡克定律可知，水泥稳定碎石基层材料弹性模量变小。龄期温度为HT时，水泥稳定碎石基层胶凝材料内部孔隙结构复杂程度在侵蚀产物钙钒石填充的作用下较小，孔隙孔径、孔隙总面积占比逐渐减小，结构整体性越来越好。在单轴压缩作用下，承载能力增大，产生的变形减小，根据胡克定律可知，水泥稳定碎石基层材料弹性模量越来越大。

硫酸钠含量的变化影响着水泥稳定碎石基层材料的水泥稳定碎石弹性模量与孔隙总面积占比。因此建立了弹性模量和孔隙总面积占比与硫酸钠含量之间的关系如图 6所示，弹性模量与孔隙总面积占比的关系如图 7所示。

图 6 弹性模量和孔隙总面积占比随硫酸钠含量的变化 Fig. 6 Elastic modulus and total pore area proportion varying with sodium sulfate content

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图 7 弹性模量与孔隙总面积占比的关系 Fig. 7 Relation between elastic modulus and total pore area proportion

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由图 6可知，水泥稳定碎石基层材料的弹性模量和胶凝材料的孔隙总面积占比与硫酸钠含量的变化呈现出二次多项式的关系。随着硫酸钠含量的增加，水泥稳定碎石基层材料的弹性模量呈现出先增大后减小的趋势，水泥稳定碎石基层胶凝材料的孔隙总面积占比呈现出先减小后增大的趋势。因此硫酸钠含量为2.5%时，水泥稳定碎石基层材料的弹性模量最大，水泥稳定碎石基层胶凝材料的孔隙总面积占比最小。由图 7可知，水泥稳定碎石基层材料弹性模量随着胶凝材料孔隙总面积占比增大而减小，水泥稳定碎石基层胶凝材料的孔隙总面积占比越大，水泥稳定碎石基层材料的弹性模量越小。这与吴松波等^[12]开展的混合侵蚀和冻融循环条件下混凝土力学机制试验研究所得到的结论基本一致，其研究结果表明，混凝土内部损伤越严重，力学性能大幅度弱化，弹性模量大幅度降低。

(1) 热盐效应下的水泥稳定碎石基层材料的弹性模量随着硫酸钠含量的增加呈现出先增大后减小的趋势。

(2) 90 d龄期下，在高温制件(35±2)℃，龄期温度条件为高温(10~35)℃的水泥稳定碎石基层材料弹性模量比在低温制件(10±2)℃，龄期温度条件为低温(― 15~10)℃的水泥稳定碎石基层材料的弹性模量更高。

(3) 随着硫酸钠含量的增加，水泥稳定碎石基层胶凝材料内部结构复杂程度先减小后增大，孔隙直径先减小后增大，孔隙总面积占比先减小后增大，另外，腐蚀产物由一开始仅有钙钒石，逐渐变化为既含有钙钒石又含有Na₂SO₄·10H₂O。

(4) 90 d龄期下，高温制件(35±2)℃，龄期温度条件为高温(10~35)℃的水泥稳定碎石基层胶凝材料内部结构单一，孔隙直径小，孔隙总面积占比小，腐蚀产物为钙钒石；低温制件(10±2)℃，龄期温度条件为低温(― 15~10)℃的水泥稳定碎石基层胶凝材料内部结构复杂，孔隙直径大，孔隙总面积占比大，腐蚀产物为钙钒石和Na₂SO₄·10H₂O。

(5) 硫酸钠含量为2.5%时，弹性模量最大，孔隙总面积占比最小。水泥稳定碎石基层胶凝材料的孔隙总面积占比越大，水泥稳定碎石基层材料的弹性模量越小。