在道路基层处理技术中,石灰稳定和水泥稳定是两种最为常见和重要的无机结合料稳定方法。二者均能显著提升土基的工程性能,但其作用机理、适用条件、最终形成的材料特性以及环境影响却存在显著差异。进行深入的对比研究,有助于在工程实践中做出更科学、更经济的选择。

从作用机理上看,二者的核心区别在于化学反应的本质。石灰稳定的核心是“火山灰反应”,它是一个二元体系反应:石灰(提供钙和氢氧根离子)与土壤中的硅铝矿物(提供硅酸根和铝酸根离子)在碱性环境下反应,生成胶凝物质。这个反应强烈依赖于原土的性质,对于富含活性硅铝矿物的粘土类土壤效果显著,但对于惰性的砂性土或有机质含量高的土效果甚微。而水泥稳定的核心是“水化反应”,它是一个一元体系反应:水泥自身含有的硅酸钙、铝酸钙等矿物与水直接发生水化反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙(C-A-H)和钙矾石等产物。水泥自身就是完整的胶凝材料来源,对土类的依赖性相对较低,只要土体能够作为骨架,它便能将其胶结起来。

正因为机理的不同,二者形成的稳定土的工程特性也迥异。水泥稳定土因其水化反应迅速且强烈,形成的水泥石骨架强度高、刚度大,其无侧限抗压强度和弹性模量通常远高于石灰稳定土。这使得水泥稳定层能够承受更高的荷载,但同时也带来了脆性增大的问题。刚性大的基层在温湿度变化或基层下局部脱空时,易产生收缩裂缝,这些裂缝极易反射至沥青面层,形成所谓的“反射裂缝”,影响路面使用性能和耐久性。反观石灰稳定土,其强度增长相对缓慢,早期强度较低,但后期强度持续增长。更重要的是,石灰通过离子交换和絮凝作用,显著改善了土的塑性,使其在拥有一定强度的同时,保留了较好的韧性(即较低的弹性模量)。这种“刚柔并济”的特性使得石灰稳定基层对荷载和变形的适应能力更强,不易产生收缩裂缝,抗疲劳性能往往更优,能有效减缓反射裂缝的发生。
在适用性上,二者各有侧重。石灰稳定尤其擅长处理高塑性粘土和膨胀土,它能从根本上改变这类不良土质的物理性质,降低其塑性和膨胀性,这是水泥稳定所不具备的独特优势。因此,对于地下水位较高、土质潮湿粘重的地段,石灰稳定是首选的预处理和稳定方法。而水泥稳定则更广泛应用于对基层强度和水稳性要求极高的高等级公路,特别是在石质集料丰富、土质砂性或粉土化的地区,能够形成强度极高的板体结构。

从施工和环境影响角度看,石灰稳定对养生条件的要求更为苛刻,需要长时间的保湿养生以确保火山灰反应的充分进行。水泥稳定则养生期相对较短。在碳排放方面,水泥生产过程的碳排放量远高于石灰生产,这使得石灰稳定技术在碳足迹方面具有一定优势。此外,石灰稳定能大量利用现场土,资源节约和环保效益更为突出。

综上所述,石灰稳定与水泥稳定并非简单的替代关系,而是互补关系。在选择时,应综合考虑原土性质、道路等级、环境条件、成本预算和环保要求。在实践中,甚至发展出了“石灰-水泥综合稳定法”,即先用石灰降低土的塑性,改善其工作性,再加入少量水泥提供早期和后期强度,兼收二者之长,这无疑是技术发展的一个明智方向。