凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響

曲美燕 馬全紅 許雪松

(1東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,南京211189)(2南京市路橋工程總公司,南京210046)

凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響

曲美燕1馬全紅1許雪松2

(1東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,南京211189)(2南京市路橋工程總公司,南京210046)

為了避免水泥穩(wěn)定碎石基層收縮開(kāi)裂的產(chǎn)生、延長(zhǎng)路面使用壽命,在水泥穩(wěn)定碎石基層中摻加凹凸棒石黏土來(lái)改善其力學(xué)性能與抗裂性能.試驗(yàn)結(jié)果表明,與空白試樣相比,在各自最佳摻量下,摻X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高約5.9%,5.4%和21.5%,50 d后其干縮系數(shù)較空白試驗(yàn)分別減小約13.7%,7.4%和20.5%,且摻入凹凸棒石黏土后水泥穩(wěn)定碎石的失水率也有一定程度的下降.采用掃描電鏡觀察水泥砂漿的微結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)凹凸棒石黏土摻入后生成較多的水化產(chǎn)物,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而大大減少了水泥穩(wěn)定碎石的收縮裂縫數(shù)量.

凹凸棒石黏土;水泥穩(wěn)定碎石基層;力學(xué)性能;抗裂性能;微結(jié)構(gòu)

水泥穩(wěn)定碎石基層以其較高的強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性,在當(dāng)前高等級(jí)公路建設(shè)中占有重要地位[1].但它脆性較大,抗變形能力低,在溫度或濕度變化時(shí)易產(chǎn)生收縮裂縫,從而導(dǎo)致路面產(chǎn)生反射裂縫,破壞路面結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性,影響公路的使用質(zhì)量和壽命.國(guó)內(nèi)外研究者們采用摻膨脹劑、加鋪土工布或土工格柵、摻聚丙烯纖維和摻抗裂縫劑等方法來(lái)減少和抑制水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫的產(chǎn)生[2-4].這些方法存在一定的局限性,例如會(huì)增大原材料的使用成本、給施工過(guò)程帶來(lái)不便等.本文采用礦產(chǎn)資源豐富、價(jià)格低廉且具有膠體性、黏結(jié)性和填充性的凹凸棒石黏土為添加劑,摻入水泥穩(wěn)定碎石基層中,以增加其強(qiáng)度、避免干燥收縮的產(chǎn)生,從而減少路面裂縫數(shù)量.

1 原材料及試樣

1.1 水泥穩(wěn)定碎石

本試驗(yàn)采用南京柘塘水泥有限公司提供的P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥.根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)[5],對(duì)水泥的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1.由表可知,該水泥符合國(guó)家水泥質(zhì)量要求[6].

表1 水泥性能

注:T為養(yǎng)護(hù)齡期.

碎石集料選用南京市路橋工程總公司122省道南京段改擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)施工的集料,最大粒徑為31.5 mm,采用懸浮密實(shí)級(jí)配.

1.2 添加劑原材料

本文選用了3種凹凸棒石黏土:X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土.其中,Y型凹凸棒石黏土的煅燒溫度為800 ℃.主要成分分析見(jiàn)表2.

本文中采用的水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%,X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的摻量分別為水泥質(zhì)量的5%,10%和15%.

表2 凹凸棒石黏土的化學(xué)組成 %

1.3 試樣成型

根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[7],所有試樣均在各自最大干密度和最佳含水量下成型.制備的試樣分為圓柱形試樣和梁式試樣2類.圓柱形試樣的尺寸為150 mm×150 mm,主要用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓回彈模量試驗(yàn);梁式試樣的尺寸為150 mm×150 mm×550 mm,主要用于干縮試驗(yàn).

試樣采用靜壓成型,壓實(shí)度為98%,于溫度為(20±2) ℃、濕度不小于95%的條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).

2 凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響

2.1 基層強(qiáng)度

在路面結(jié)構(gòu)中,水泥穩(wěn)定碎石基層是主要的承重層.在環(huán)境和車輛荷載作用下,基層材料的力學(xué)特性對(duì)路面使用壽命具有重要影響.本文主要考察了摻凹凸棒石黏土水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度.根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[7],在同一水泥劑量下,對(duì)不同摻量的凹凸棒石黏土水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行了不同齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3.由表可知,摻凹凸棒石黏土水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大;對(duì)于相同齡期的試樣,摻入凹凸棒石黏土后,水泥穩(wěn)定碎石基層材料的強(qiáng)度得到明顯提高,且隨摻量的增加,強(qiáng)度先增大后減小.X型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%.與空白試樣相比,在各自最佳摻量下,摻加X(jué)型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別提高約5.9%, 5.4%和21.5%,劈裂強(qiáng)度分別提高約6.8%,4.0%和11.1%.

表3 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

注:Rc7,Rc14,Rc28分別為T=7,14,28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度;Ri7,Ri14,Ri28分別為T=7,14,28 d的劈裂強(qiáng)度.

2.2 基層剛度

將抗壓回彈模量作為水泥穩(wěn)定碎石基層材料剛度的標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響結(jié)果,在抗壓回彈模量試驗(yàn)中將凹凸棒石黏土摻量選取為10%.根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[7]中的頂面法進(jìn)行室內(nèi)抗壓回彈模量試驗(yàn),選用圓柱形試樣,T=90 d.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 抗壓回彈模量

由圖1可知,將凹凸棒石黏土摻入水泥穩(wěn)定碎石中后,其抗壓回彈模量值與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間基本呈正相關(guān)關(guān)系,即無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大,其抗壓回彈模量越大,這與已有研究結(jié)論[8]相符.摻Y(jié)型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度及回彈模量最大,其次是摻X型凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石.基層的抗壓回彈模量越大,說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)的整體剛度越大.由文獻(xiàn)[9]可知,在交通荷載作用下,增大基層抗壓回彈模量,可以減少瀝青層層底彎拉應(yīng)力,延長(zhǎng)瀝青層的使用壽命,但抗壓回彈模量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致基層材料本身的彎拉應(yīng)力增大,從而影響基層材料的綜合利用,因此剛度應(yīng)與強(qiáng)度相適合.

2.3 干燥收縮性能

干燥收縮是指水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部因水分散失而導(dǎo)致的體積收縮,其基本原理為:水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部水分不斷散失,產(chǎn)生毛細(xì)管張力作用、吸附水及分子間力作用、礦物晶體或凝膠體的層間水作用和碳化脫水作用,從而導(dǎo)致基層整體體積變化[10].在交通荷載作用下,路面會(huì)產(chǎn)生反射裂縫并逐漸擴(kuò)展和延伸,影響公路的使用質(zhì)量和壽命.為研究凹凸棒石黏土品種及摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層干燥收縮性能的影響,按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[7],分別測(cè)試不同摻量下不同凹凸棒石黏土改良水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù),結(jié)果分別見(jiàn)圖2和圖3.

由圖2可知,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),水泥穩(wěn)定碎石基層材料干縮系數(shù)逐漸增加.X型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%,這與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)論一致.與空白試樣相比,摻X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土、Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石的50 d干縮系數(shù)分別減小約13.7%,7.4%和20.5%,且摻Y(jié)型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)最小.

凹凸棒石黏土作為外加劑在建材行業(yè)中應(yīng)用廣泛.文獻(xiàn)[11-12]指出,凹凸棒石黏土能夠改善水泥砂漿的流動(dòng)性,具有保水增稠作用,可提高水泥砂漿的抗?jié)B能力.由圖3可知,摻X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土、Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩(wěn)定碎石基層材料前15 d的失水率均小于基準(zhǔn)樣的失水率,說(shuō)明摻入適量的凹凸棒石黏土能夠減少基層材料初期水分的散失,從而減少干燥收縮,防止收縮開(kāi)裂的產(chǎn)生.

(a) X型凹凸棒石黏土

(b) Y型凹凸棒石黏土

(c) Y型煅燒凹凸棒石黏土

圖3 失水率與時(shí)間的關(guān)系

3 微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電子顯微鏡對(duì)摻凹凸棒石黏土水泥砂漿的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并與空白水泥砂漿進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖可知,與空白砂漿相比,摻凹凸棒石黏土的水泥砂漿中生成了更多的纖維狀水化產(chǎn)物,形成更多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將混合料連接成一個(gè)整體,從而增加了混合料的整體強(qiáng)度.這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是水泥水化反應(yīng)的結(jié)果.水泥水化反應(yīng)生成Ca(OH)2,繼而生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,這2種產(chǎn)物均具有明顯的膨脹性、增強(qiáng)性和抗水性[13],從而避免了基層結(jié)構(gòu)因溫度和濕度變化所引起的收縮,改善了水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能.因此,在水泥穩(wěn)定碎石基層中加入適量的凹凸棒石黏土,能夠提高基層強(qiáng)度,防止基層開(kāi)裂.

(a) 空白試樣

(b) X型凹凸棒石黏土

(d) Y型煅燒凹凸棒石黏土

4 結(jié)論

1) 凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均有不同程度的改善.X型凹凸棒石黏土與Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%.

2) Y型煅燒凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量影響最大,其次為X型凹凸棒石黏土.

3) 由干縮試驗(yàn)結(jié)果可知,X型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%,這與強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)論一致.在各自最佳摻量下,Y型煅燒凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的干縮系數(shù)影響最大,50 d干縮系數(shù)減小約20.5%.

4) 通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)的觀察,摻凹凸棒石黏土的水泥砂漿中能生成較多的纖維狀水化產(chǎn)物,形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將混合料連接成一個(gè)整體,使混合料更加密實(shí),從而提高混合料強(qiáng)度,避免干燥收縮的產(chǎn)生.

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Influence of palygorskite clay on properties of cement-stabilized macadam

Qu Meiyan1Ma Quanhong1Xu Xuesong2

(1School of Chemistry and Chemical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2Nanjing Road and Bridge Engineering Company, Nanjing 210046, China)

To avoid the occurrence of the shrinkage cracks of cement-stabilized macadam base and prolong the life span of pavement, palygorskite clay was mixed in cement-stabilized macadam base to improve the strength properties and crack resistance. The experimental results show that compared with the blank sample, the unconfined compressive strengths of the cement-stabilized macadam mixed by type X palygorskite clay, type Y palygorskite clay and type Y calcined palygorskite clay with the corresponding optimal contents increase by about 5.9%,5.4% and 21.5%,respectively, at the curing age of 7 d. And after 50 d, their dry-shrinkage coefficients reduce by about 13.7%, 7.4% and 20.5%, respectively. Meanwhile, the water loss rate of the cement-stabilized macadam mixed with palygorskite clay also decreases to a certain extent. The microstructure of the cement pastes mixed with palygorskite clay is observed by scanning electronic microscope. The results show that more fibrous hydration products and a net-like microstructure exist in the cement pastes mixed with palygorskite clay, inducing the great decrease of the number of the shrinkage cracks of the cement-stabilized macadam.

palygorskite clay; cement-stabilized macadam base; strength properties; crack resistance; microstructure

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.035

2014-10-21. 作者簡(jiǎn)介: 曲美燕(1989—),女,碩士生;馬全紅(聯(lián)系人),女,博士,副教授,mqh@seu.edu.cn.

江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013-C-04).

曲美燕,馬全紅，許雪松.凹凸棒石黏土對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(2):399-403.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.035

U414

A

1001-0505(2015)02-0399-05