黏度時變水泥穩(wěn)定碎石材料抗凍性能試驗研究

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

1 研究背景

我國高寒地區(qū)分布十分廣泛，遍布西北、東北及西南部分高緯度或高海拔地區(qū)，區(qū)內(nèi)夜間氣溫低、冬季時間長、晝夜溫差和季節(jié)性溫差大[1-2]。嚴酷的自然地理環(huán)境不僅給公路施工造成諸多困難，亦使得公路在使用過程中出現(xiàn)諸多病害，造成公路遠未達到設(shè)計服役壽命便被破壞。在我國高寒地區(qū)瀝青路面工程中，水泥穩(wěn)定碎石材料被廣泛應(yīng)用于道路基層中，水穩(wěn)基層材料強度增長緩慢，施工周期長；同時受到車輛荷載的反復(fù)作用，在高寒山區(qū)晝夜溫差大、風(fēng)速高、干燥及季節(jié)性凍脹等因素影響下，公路路面極易產(chǎn)生干縮裂縫、溫縮裂縫，導(dǎo)致路面受凍融循環(huán)作用后其基層強度快速衰減，極易產(chǎn)生沉降或變形等嚴重病害問題。

目前，針對水泥穩(wěn)定類基層材料的研究主要集中于強度的影響和抗凍性能的研究。孫兆輝[3]通過正交試驗方法優(yōu)選出了無側(cè)限抗壓強度較高、干縮應(yīng)變小的集料級配組成方案；聚丙烯纖維可以有效改善水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮性能，同時提高其后期強度[4-6]；蔣應(yīng)軍等[7]、李頔等[8]分別采用靜壓法和振動試驗法成型試樣，通過室內(nèi)對比試驗表明：采用振動壓實方法成型的試樣集料排列更加緊密，無側(cè)限抗壓強度更高；林敏等[9]、宋云連等[10]對超早強水泥穩(wěn)定基層的力學(xué)性能及抗凍性能的研究結(jié)果表明：早強劑能有效提高水泥穩(wěn)定碎石的強度和抗凍性能，但未對其抗凍機理進行分析。

高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層存在早期強度增長慢，低溫(凍融)條件下路面收縮開裂、變形、沉降嚴重等問題。為縮短道路在高寒地區(qū)的施工周期，并提高其服役周期，需要求水泥穩(wěn)定碎石基層具有較高的早期強度，使得基層材料在較短的養(yǎng)護周期內(nèi)達到設(shè)計強度；同時要求結(jié)構(gòu)具有良好的抗凍性能，減少在大溫差氣候下裂縫的產(chǎn)生，以便保證道路的使用壽命。故本文通過采用課題組自主研發(fā)的黏度時變(SJP)漿液，對比SJP水泥穩(wěn)定碎石材料和普通水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能和抗凍性能，結(jié)合水泥結(jié)石體凍融試驗后的微觀結(jié)構(gòu)特征，對SJP水穩(wěn)材料的凍融損傷機理進行探討。

2 試驗概況

2.1 試驗原材料

(1)骨料取自成都市新都鎮(zhèn)順和砂石加工廠，部分細沙、集料各級配用量如表1所示。

(2)本次試驗選用峨眉山西南水泥有限公司生產(chǎn)的 “西南”牌復(fù)合硅酸鹽水泥(P.C32.5R)，其各項指標如表2所示。

表2 P.C32.5R水泥的主要技術(shù)指標Table 2 Main technical indexes of cement P.C32.5R

(3)選用課題組自主研發(fā)的SJP漿液[11]作為水泥穩(wěn)定碎石材料(簡稱水穩(wěn)材料)的膠結(jié)材料，與集料攪拌混合后形成SJP水穩(wěn)材料。

SJP漿液以水泥漿為基漿，摻加助劑1#(纖維素類溶劑)、助劑2#(鈣硅質(zhì)早強劑)、助劑3#(酰胺類穩(wěn)定劑)，各類材料配合比(質(zhì)量比)為m水泥∶m水∶m助劑1#∶m助劑2#∶m助劑3#=100∶60∶0.33∶2∶1.5。按一定順序加入助劑配合形成不同的漿液。

2.2 試樣制備

本次試驗把質(zhì)量比為3.5%的水泥摻入水泥穩(wěn)定碎石混合料中，預(yù)定含水量分別為4.5%，4.8%，5.1%，5.4%，按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[12]中振動壓實試驗方法進行擊實試驗，通過試驗結(jié)果確定最佳含水量和最大干密度分別為5.1%和2.29 g/cm3(忽略助劑摻量的影響)。試樣為Φ150 mm×150 mm的圓柱體，振動壓實，0.5 h后脫模裝入塑料袋內(nèi)，并在恒溫(20±2)℃、相對濕度95%的保濕條件下養(yǎng)護至1，3，7，14，28 d齡期進行無側(cè)限抗壓強度試驗，且在相應(yīng)齡期的最后1天將試樣飽水。凍融循環(huán)試驗前，將試樣放入20 ℃的水中養(yǎng)護1 d；分別將普通水穩(wěn)材料和SJP水穩(wěn)材料試樣的一半放入凍融試驗裝置中，剩余部分試樣用于做對比試驗。

2.3 試驗方法

2.3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

將試樣養(yǎng)護至規(guī)定齡期后對其進行單軸無側(cè)限抗壓強度試驗，每個齡期6個試樣，結(jié)果采用3倍均方差方法剔除異常值后取平均值。試驗在CSS-44300電子萬能試驗機上進行，單軸無側(cè)限抗壓強度試驗以1 mm/min的剪切速率進行。

2.3.2 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗依據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTG E51—2009)[12]進行，選用養(yǎng)護28 d后的標準試樣，養(yǎng)護齡期的最后1天將待測試樣從養(yǎng)護箱中取出，飽水24 h，然后置于低溫箱中開始凍結(jié)。試樣凍結(jié)溫度從20 ℃降低到-18 ℃，融化溫度為20 ℃，凍結(jié)時間為16 h，融化時間為8 h。如此反復(fù)，每個凍融循環(huán)周期為24 h。測定凍融5，10，15，20次后試樣的無側(cè)限抗壓強度，并對試樣質(zhì)量的變化及外觀拍照進行記錄。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 無側(cè)限抗壓強度

通過對不同齡期試樣的無側(cè)限抗壓強度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后，得到各齡期無側(cè)限抗壓強度的結(jié)果如表3所示，抗壓強度隨齡期的變化曲線見圖1。

表3 SJP與普通水穩(wěn)材料強度對比
Table 3 Comparison of strength between SJP andordinary cement stabilizing material

齡期/d水穩(wěn)層抗壓強度/MPa普通水穩(wěn)材料SJP水穩(wěn)材料13.964.3635.786.1876.897.31147.328.15287.828.86

圖1 SJP與普通水穩(wěn)材料各齡期抗壓強度對比曲線Fig.1 Curves of compressive strength of SJP and ordinary cement stabilizing material at different ages

通過表3和圖1可以看出，水穩(wěn)材料的無側(cè)限抗壓強度隨齡期的增加呈現(xiàn)早期(7 d前)強度增長快、后期(7 d后)強度增長緩的趨勢，2種水穩(wěn)材料養(yǎng)護齡期3 d的無側(cè)限抗壓強度均可以達到設(shè)計的施工的強度(5～6 MPa)要求。

SJP水穩(wěn)材料3 d的抗壓強度比普通水穩(wěn)材料強度高7%左右，28 d的強度高13%左右。與普通水穩(wěn)材料相比，SJP水穩(wěn)材料具有前期強度增長較快、后期強度較普通水穩(wěn)材料高的特點。這主要是因為SJP漿液在纖維素類助劑的作用下產(chǎn)生大量的纖維針狀水泥水化衍生物，水化產(chǎn)物間相互穿插，充填于水泥顆粒之間，形成的“聯(lián)帶”將水泥顆粒連接更緊密[13-14]，有效提高了SJP漿液的黏聚力，與級配骨料混合時，將其中的細小顆粒黏結(jié)得更加緊密，從而提高了SJP水穩(wěn)材料的早期強度；同時硅鈣類助劑的加入使得C-S-H(Ca-SiO2-H2O)凝膠產(chǎn)量增多，C-S-H與纖維狀水泥衍生物相結(jié)合使得水泥水化的晶胚加速形成，從而后期強度更高。

3.2 質(zhì)量損失率

水穩(wěn)材料經(jīng)過n次凍融循環(huán)后試樣質(zhì)量的變化率Wn(%)可按式(1)計算[9]。

(1)

式中：M0為凍融循環(huán)前試樣的質(zhì)量；Mn為n次凍融循環(huán)后試樣的質(zhì)量。

凍融循環(huán)作用使水穩(wěn)材料的質(zhì)量發(fā)生變化，主要由2部分構(gòu)成：一是試樣在水槽中融化時表面或邊緣的細骨料會不斷剝落使其質(zhì)量減小；二是試樣在反復(fù)凍融循環(huán)作用下會出現(xiàn)細小的裂縫，融化的過程中水分遷移使得質(zhì)量增加。實際試驗過程中，邊緣骨料剝落的質(zhì)量要遠大于水分遷移至裂縫的質(zhì)量，所以整個凍融試驗后，總體質(zhì)量不斷減小。凍融循環(huán)試驗過程中觀測到普通水穩(wěn)材料試樣掉塊非常明顯，SJP水穩(wěn)材料試樣表面剝落量相對較少。分別對1，2，3，4，5，10，15，20次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率進行測量并計算，其結(jié)果如表4所示。

表4 平均質(zhì)量損失率Table 4 Average mass loss rate

由表4可知，隨著凍融次數(shù)的增加，平均質(zhì)量損失率呈增大趨勢。5次凍融循環(huán)前，普通水穩(wěn)材料在2，3，4，5次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率比凍融1次時分別增長85.3%，122.1%，188.2%，230.9%；而SJP水穩(wěn)材料分別增長71.2%，96.6%，145.8%，206.8%。結(jié)果表明：普通水穩(wěn)材料在初期凍融循環(huán)時質(zhì)量損失率累積更快； 5次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失率均呈線性增長，15次凍融循環(huán)時試樣邊緣掉塊較明顯，傳統(tǒng)水泥水穩(wěn)材料質(zhì)量損失率為4.62%，SJP水穩(wěn)材料質(zhì)量損失率為3.68%。從質(zhì)量損失率來看，SJP水穩(wěn)材料凍融后的耐久性能更好。

3.3 凍融后抗壓強度與抗凍系數(shù)

水穩(wěn)材料凍融循環(huán)后試樣的抗凍系數(shù)BDR可用式(2)計算。

(2)

式中： RDC為凍融后試樣的無側(cè)限抗壓強度；RC為未凍試樣浸水24 h后的無側(cè)限抗壓強度。

利用凍融前后試樣無側(cè)限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)，采用3倍均方差方法剔除異常值后取平均值，繼而采用式(2)計算不同凍融循環(huán)次數(shù)后試樣的抗凍系數(shù)，凍融后的抗壓強度和凍融系數(shù)計算結(jié)果如表5所示。

強度衰減曲線如圖2(a)所示。從圖2(a)可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，2種水穩(wěn)材料抗壓強度的變化趨勢基本一致。

表5 凍融后的抗壓強度及抗凍系數(shù)Table 5 Compressive strength and frost resistance coefficient after different cycles of freezing and thawing

凍融循環(huán)次數(shù)較少時，其抗壓強度緩慢減小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗壓強度衰減速率增大，這是因為試樣在多次凍融循環(huán)的作用下，裂紋逐漸擴展并貫通，加速破壞。由于SJP水穩(wěn)材料的后期強度較高，在相同凍融循環(huán)次數(shù)后，SJP水穩(wěn)材料的強度更高。根據(jù)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的抗壓強度，得到了SJP水穩(wěn)材料強度衰減曲線，曲線擬合度均較高?？箖鱿禂?shù)隨凍融次數(shù)的變化趨勢與其強度衰減趨勢基本一致(圖2(b))。

SJP0510152023456789 /MPa05101520BRD/%y=8.921-0.151x-0.004x2R2=0.987y=7.840-0.188x-0.003x2R2=0.990y=1-0.016 9x-0.005x2R2=0.988y=1-0.024 8x-0.004x2R2=0.989(a) (b) 10090807060504030圖2 2種水穩(wěn)定材料的強度衰減曲線和抗凍系數(shù)變化曲線Fig.2 Curves of strength attenuation and frost resistance coefficient

試驗結(jié)果表明：5次和10次凍融循環(huán)后，SJP水穩(wěn)材料的抗壓強度均比傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的抗壓強度分別高21%和15%左右，15次凍融后高39%左右，20次凍融后高38%左右。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，SJP水穩(wěn)材料的耐凍系數(shù)BDR值均大于傳統(tǒng)水穩(wěn)材料，5，10，15，20次凍融循環(huán)后，SJP水穩(wěn)材料的抗壓強度與未凍融的相比分別減小了7%，21%，37%，55%，而傳統(tǒng)水穩(wěn)材料的抗壓強度分別減小13%，27%，46%，63%，這表明經(jīng)受凍融循環(huán)作用后，SJP水穩(wěn)材料的強度衰減速率要比傳統(tǒng)水穩(wěn)層強度衰減速率慢，SJP助劑的加入提高了水穩(wěn)材料的抗凍融能力及其在低溫條件下的耐久性能。

3.4 凍融損傷機理分析

上述試驗結(jié)果表明：SJP水穩(wěn)材料具有前期強度增長快、后期強度更高、抗凍性較好的特性。為研究其抗凍機理，對普通水泥結(jié)石體和SJP漿液結(jié)石體凍融循環(huán)25次后的試樣進行掃描電鏡觀測(水泥穩(wěn)定碎石材料做電鏡掃描試驗難度大，故測試黏結(jié)材料凍融循環(huán)后的微觀結(jié)構(gòu)特征)，如圖3所示。下面結(jié)合凍融后結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)特征對SJP水穩(wěn)材料的抗凍機理進行分析與討論。

水泥的主要礦物成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣及鐵鋁酸四鈣等。水泥的水化產(chǎn)物主要為C-S-H凝膠、氫氧化鈣(Ca(OH)2)、鈣礬石(Aft)、單硫型水化硫鋁酸鈣(Afm)。其中C-S-H凝膠是Ca-SiO2-H2O系統(tǒng)中存在的三元化合物總稱，是硅酸鹽水泥的最主要水化產(chǎn)物和水泥基材料強度的主要來源。從圖3(a)可以看出，水泥結(jié)石體中Aft的含量較高，主要分布在水化的水泥顆粒周圍，同時在微觀結(jié)構(gòu)中可以看到大量的Ca(OH)2六方晶體與鈣礬石交叉排列，致使水泥漿結(jié)石體中的C-S-H產(chǎn)物之間的膠結(jié)度下降，體系中孔隙率增大。對比可知SJP結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)與普通水泥結(jié)石已明顯不同，見圖3(b)。

圖3 普通水泥液與SJP漿液結(jié)石體電鏡圖Fig.3 SEM images of ordinary cement slurry and SJP stone

在SJP漿液結(jié)石體中水化硅酸鈣凝膠C-S-H的含量增加，相應(yīng)的Aft鈣礬石和Ca(OH)2的含量顯著降低，同時C-S-H與纖維狀水泥衍生物相結(jié)合形成“聯(lián)帶”，使得水化產(chǎn)物之間的膠結(jié)更加緊密、漿液結(jié)石體的大孔隙減小、微孔隙增多、孔隙率減少，孔隙間距減小、結(jié)構(gòu)更加致密，從而使得SJP水穩(wěn)材料的后期強度更高，并且有效地提高了過渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力，整體上具有更高的抗壓強度。在往復(fù)的凍融循環(huán)過程中，SJP漿液結(jié)石體纖維針狀水泥水化衍生物形成了 “聯(lián)帶”，能有效地減緩結(jié)石體內(nèi)部冰晶膨脹壓的擴散速度。因此隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，SJP水穩(wěn)材料的質(zhì)量損失率和強度衰減速率均要低于普通水穩(wěn)材料，顯著提高了其在凍融條件下的耐久性。

4 結(jié) 論

(1)水穩(wěn)層不同齡期的抗壓強度試驗表明：SJP 水穩(wěn)材料3 d的抗壓強度比普通水穩(wěn)材料強度高7%左右，28 d的強度高13%左右，與傳統(tǒng)材料相比，SJP水穩(wěn)材料具有前期強度增長較快、后期強度較普通水穩(wěn)材料高的特點。

(2)SJP水穩(wěn)材料的凍融試驗表明：凍融循環(huán)作用后，SJP水穩(wěn)材料的質(zhì)量損失率和強度衰減速率均要低于普通水穩(wěn)材料，SJP漿液能有效地提高水穩(wěn)材料在凍融條件下的耐久性能。

(3)通過掃描電鏡結(jié)果得到：SJP漿液結(jié)石體在纖維素類助劑的作用下，纖維狀衍生物形成的“聯(lián)帶”能夠有效抵抗凍融作用下毛細孔中冰晶產(chǎn)生膨脹壓力；硅鈣類助劑增加了C-S-H產(chǎn)量，與纖維狀水化衍生物相結(jié)合，使得骨料結(jié)合得更加緊密，能有效減緩水穩(wěn)材料在凍融條件下的累積損傷。