超吸水樹脂在水泥穩(wěn)定碎石基層中的應(yīng)用研究

趙 曜， 李兆南

(1.江蘇省儀征市公路管理站， 江蘇 揚州 211400； 2.江蘇省揚州市公路管理處， 江蘇 揚州 22500)

0 引言

我國高等級公路普遍使用的結(jié)構(gòu)類型是半剛性基層瀝青路面，在各種半剛性基層中，水泥穩(wěn)定碎石由于具有強度高、穩(wěn)定性好、整體性強的特點，廣泛應(yīng)用于高等級公路基層。但是在道路的實際使用過程中還是出現(xiàn)了不少問題，主要病害為水損害和裂縫[1]。目前提升水穩(wěn)基層抗裂性能的方法有：面層和基層加鋪抗裂土工格柵層；對基層進(jìn)行預(yù)制裂縫減緩反射裂縫的出現(xiàn)；優(yōu)化水穩(wěn)基層混合料的組分等[2-3]。聚合物主要有纖維和樹脂，已有學(xué)者將超吸水樹脂(SAP)作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑應(yīng)用于水泥混凝土中[4-6]。SAP能夠大幅度降低水泥混凝土的自收縮從而預(yù)防早期開裂，提升混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性，改善混凝土的和易性[7-10]。

本文研究了SAP的基本性能和摻加SAP對水穩(wěn)基層基本性能的影響，為將SAP應(yīng)用于水穩(wěn)基層中提供理論依據(jù)。

1 原材料性能

1.1 水泥

采用海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5緩凝水泥。水泥的化學(xué)成分見表1。

表1 水泥的基本性能指標(biāo)類別標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%安定性/mm凝結(jié)時間/min抗折強度/MPa抗壓強度/MPa初凝終凝3 d7 d3 d7 d 試驗結(jié)果27.61.03123785.07.624.946.3規(guī)范要求—≤5.0≥180≥360≥3.5≥6.5≥17.0≥42.5

1.2 超吸水樹脂

采用水泥混凝土專用的超吸水樹脂，外觀為白色粉末。選用3種不同細(xì)度的超吸水樹脂，其基本物理性能見表2。

1.3 集料

規(guī)格分別為9.5～31.5、4.75～9.5、2.36～4.75、0～2.36mm，集料有：碎石1#、2#、3#和4#這4種，碎石混合料級配組成見表3。

表2 3種超吸水樹脂性能對比吸水樹脂pH值粒度分布/%<75μm75～106μm106～150μm>150μm密度/g·cm-3 吸水速率(生理鹽水,1 g)/s鹽水吸收量(1 g)/g保水量(250 g)/g加壓吸收量(0.3 PSI,1 g)/g蒸餾水吸收量(1 g)/g自來水吸收量(1 g)/gSAP-Ⅰ6.30.01.960.537.60.6415522817360.0210.8SAP-Ⅱ5.931.042.120.26.70.5742673326410.8326.1SAP-Ⅲ6.10.00.00.0100.00.7131381612200.0153.2

表3 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配組成集料比例/%通過下列孔篩(mm)的質(zhì)量百分比/%31.526.519.09.54.752.360.60.0751#料45.045.043.124.52.50.90.50.40.12#料33.033.033.033.027.58.32.90.70.13#料4.04.04.04.04.03.50.70.22.64#料18.018.018.018.018.017.915.00.70.1 混合料合成級配100.098.179.550.230.619.19.72.8

2 試驗方法

釋水能力測試方法：稱取SAP(SAP-Ⅰ、SAP-Ⅱ、SAP-Ⅲ)1 g左右，記為質(zhì)量m1;加300g左右水，記為質(zhì)量m2;置于燒杯中(空燒杯質(zhì)量記為m0)，攪拌充分后，稱總質(zhì)量m3。另外加一組空白試驗，在燒杯中加入300g水，作為對比試驗。將3組燒杯置于60℃的烘箱中，每隔一段時間(由于一開始水分較多，可以先隔20min；后期水分蒸發(fā)差不多之后，隔30min)稱取每組燒杯質(zhì)量，繪制隨著時間變化的質(zhì)量損失圖，最終直至燒杯質(zhì)量不再變化為止。

水穩(wěn)試件的干縮試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗和劈裂試驗分別按照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中的T0854-2009、T0805-1994和T0806-1994進(jìn)行。

養(yǎng)生條件及方法按照J(rèn)TG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料養(yǎng)生試驗方法進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 SAP基本性能

SAP-Ⅰ

SAP-Ⅱ

SAP-Ⅲ

不同類型SAP的吸水能力如圖1所示。從3種SAP吸水后的狀態(tài)來看，SAP-Ⅰ吸水較為均勻，形成的凝膠狀物質(zhì)分布均勻;SAP-Ⅱ吸水較為緩慢，局部有顆粒結(jié)團(tuán)現(xiàn)象;SAP-Ⅲ吸水速率適中，但吸水率較低。結(jié)合表2可知，SAP-Ⅰ粒徑主要分布在100～150μm之間，粒徑處于中間；SAP-Ⅱ粒徑主要在75～100μm之間，粒徑較小，所以吸水分散、困難；SAP-Ⅲ粒徑大于150μm，粒徑較大，所以吸水緩慢。

3種SAP的釋水能力結(jié)果如圖2所示。由圖可知，不加SAP的燒杯中的水分質(zhì)量蒸發(fā)得最快，而SAP-Ⅲ和SAP-Ⅰ的水分蒸發(fā)速度為其次，最慢的是SAP-Ⅱ。SAP-Ⅱ的釋水能力最慢，這主要是由于SAP-Ⅱ吸水過后，結(jié)團(tuán)、分散性較差，導(dǎo)致水分難以釋放；而SAP-Ⅰ、SAP-Ⅲ吸水后成為較均勻的凝膠狀物質(zhì)，在一定溫度條件下，水分逐漸釋放蒸發(fā)，速率低于純水的蒸發(fā)速率，說明SAP樹脂具有一定的保水能力。

圖2 3種SAP的質(zhì)量變化圖

考慮到SAP吸水后易形成凝膠，導(dǎo)致難以分散，從而不能在水泥穩(wěn)定碎石混合料中均勻地分布。因此配制時，對SAP不進(jìn)行預(yù)濕，而是將其直接與膠凝材料預(yù)先干拌均勻后使用。通過設(shè)計正交試驗，確定樹脂的類型、最佳摻量(占膠凝材料百分比)和額外引水量(樹脂的倍數(shù))。正交試驗方案如表4～6所示。

表4 因素水平表因素水平超吸水樹脂類型A超吸水樹脂摻量B額外引水量C1SAP-Ⅰ0.6%10倍2SAP-Ⅱ0.8%20倍3SAP-Ⅲ1.0%30倍

表5 正交試驗方案因素序號ABC3 d無側(cè)限抗壓強度/MPa7 d無側(cè)限抗壓強度/MPa111110.4110.62212210.8811.05313310.2210.3942129.649.8952239.9410.06623110.8710.9973139.9310.12832110.3610.51933210.5810.73

表6 試件7 d強度極差分析組號k1k2k3極差RA10.6910.3110.450.24B10.2110.5410.700.49C10.7110.5610.190.52

通過k的大小來分析單因素各水平對試驗結(jié)果的影響大小，通過R的大小來判斷各因素的影響主次。由表6可知，因素的優(yōu)水平為：SAP-Ⅰ、超吸水樹脂摻量1.0%、額外引水量10倍；影響主次順序為：額外引水量、超吸水樹脂摻量、超吸水樹脂類型。

3.2 SAP水穩(wěn)配合比設(shè)計

基于前文超吸水樹脂對水泥穩(wěn)定碎石的強度、收縮和耐久性影響規(guī)律的研究結(jié)果，確定SAP的類型為SAP-Ⅰ，摻量為水泥用量的1%，額外引水量為SAP質(zhì)量的10倍。開展摻入SAP的水泥穩(wěn)定碎石混合料的配合比設(shè)計研究，主要是級配、最佳含水量、水泥摻量等參數(shù)的確定。因為需要額外加水，因此將水穩(wěn)碎石的最佳含水量在4.5%～5.5%間進(jìn)行配合比設(shè)計。

依據(jù)《江蘇省江都至廣陵高速公路改擴(kuò)建工程超吸水樹脂水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計與施工指南》和設(shè)計經(jīng)驗，按水泥劑量3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%比例制備試件，采用重型擊實法確定各組水泥穩(wěn)定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度，試驗結(jié)果見表7。

表7 水泥穩(wěn)定碎石擊實試驗結(jié)果水泥劑量/%最佳含水量/%最大干密度/(g·cm-3)3.54.52.3614.04.82.3724.55.02.3905.05.42.4065.55.52.428

根據(jù)試驗確定的最佳含水量和最大干密度，采用靜壓法成型無側(cè)限抗壓強度試件，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表8。

規(guī)范要求水泥穩(wěn)定碎石靜壓法無側(cè)限抗壓強度代表值不小于4.0 MPa，因此本次水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計水泥劑量取4.5%。超吸水樹脂水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計結(jié)果見表9。

表8 水泥穩(wěn)定碎石混合料7 d靜壓法無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果水泥劑量/%強度代表值/MPa3.52.74.03.54.54.35.04.85.55.3

根據(jù)所用的集料、水泥等原材料，進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石室內(nèi)配合比設(shè)計，試驗得到水泥劑量為4.5%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料強度性能滿足設(shè)計要求。本次配合比設(shè)計結(jié)果可用于超吸水樹脂水泥穩(wěn)定碎石混合料的施工指導(dǎo)。

3.3 SAP水穩(wěn)物理性能分析

表9 水泥穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計結(jié)果下列各種材料所占比例/%1#料2#料3#料4#料水泥劑量/%最大干密度/(g·cm-3)最佳含水量/%強度代表值/MPa45.033.04.018.04.52.3905.04.3

測定7 d和28 d的抗壓強度，以及7 d的劈裂強度，并與普通水穩(wěn)基層混合料進(jìn)行對比，評價摻入SAP對水穩(wěn)基層強度的影響，試驗結(jié)果見表10。

表10 SAP水穩(wěn)與普通水穩(wěn)的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度類型無側(cè)限抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa7 d28 d7 d普通水穩(wěn)3.944.620.35SAP水穩(wěn)4.475.870.41

從表10可以看出，摻加SAP水穩(wěn)試件7d強度值是普通水穩(wěn)的1.13倍，28d強度值則是普通水穩(wěn)試件的1.27倍，說明加入SAP能夠明顯提升水穩(wěn)基層的早期及長期抗壓強度;普通水穩(wěn)的劈裂強度只有0.35MPa，而SAP水穩(wěn)能夠達(dá)到0.41MPa，是普通水穩(wěn)的1.14倍，可見SAP的加入有利于提升水穩(wěn)的劈裂強度。這主要是因為SAP吸水后體積變大形成凝膠，在水泥顆粒和集料間起到潤滑的作用，可以提升結(jié)合料的和易性，也使得試件成型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密;而水穩(wěn)試件的強度主要來源于在外力作用下集料間的緊密相嵌，水泥只是起到膠結(jié)的作用。在水泥混凝土中摻入SAP會一定程度上降低試件的早期強度，但是由于水泥混凝土和水穩(wěn)基層強度形成的來源差異，使得加入SAP的水穩(wěn)基層具有比普通水穩(wěn)基層更好的組成結(jié)構(gòu)。因此，SAP的加入能提升水穩(wěn)基層的力學(xué)性能。

3.4 體積穩(wěn)定性

對比研究了普通水穩(wěn)試件和SAP水穩(wěn)試件的干縮應(yīng)變，結(jié)果如圖3所示。

圖3 SAP水穩(wěn)與普通水穩(wěn)的干縮應(yīng)變

從圖3中可以看出，SAP水穩(wěn)的干縮應(yīng)變均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通水穩(wěn)，尤其是在14d時，大約只有普通水穩(wěn)的一半。試驗共監(jiān)測了3個月的干縮應(yīng)變，從1個月到3個月之間，SAP水穩(wěn)干縮應(yīng)變基本維持在0.02%左右，而普通水穩(wěn)的干縮應(yīng)變在0.04%左右。說明SAP的加入，降低了水穩(wěn)基層的干燥收縮，提升了水穩(wěn)基層的抗裂性能。從干縮應(yīng)變隨時間的變化趨勢可知，水穩(wěn)基層的干縮應(yīng)變1個月后基本維持穩(wěn)定。這主要是由于水穩(wěn)基層中的水泥在1個月內(nèi)完成了80%的水化作用，水分基本被消耗，后期由水分蒸發(fā)而引起的干燥收縮變形小，基本維持在1個月時的干燥收縮變形量。

3.5 SAP水穩(wěn)層在工程中的應(yīng)用

施工工藝對于水泥穩(wěn)定碎石的強度形成和干、溫縮特性有較大的影響。通過現(xiàn)場施工，研究合適的超吸水樹脂水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)工藝和施工工藝，并對依托項目進(jìn)行現(xiàn)場取芯和長期性能觀測。課題試驗段落為江蘇省某條高速公路改建工程下行方向，試驗段總長960m；相鄰普通路段與SAP試驗段施工工藝一致，作為對比路段。后期性能觀測均采用這2個路段進(jìn)行對比。

為便于監(jiān)測現(xiàn)場水穩(wěn)上、下基層濕度變化情況，課題組在試驗段施工時，同時在相鄰普通路段和SAP水穩(wěn)試驗段落硬路肩中間的上基層中間位置預(yù)埋了濕度傳感器(精度±3%)。定期對2個路段的濕度進(jìn)行觀測，評估SAP水穩(wěn)內(nèi)養(yǎng)生的效果。

3.5.1取芯情況

SAP路段和普通路段現(xiàn)場取芯情況見圖4。SAP水穩(wěn)試驗段落總長960m，養(yǎng)生7d過后，每隔100～150m進(jìn)行取芯，芯樣均完整且取出了上、下基層連續(xù)芯樣，說明SAP水穩(wěn)強度滿足要求；而相鄰普通水穩(wěn)路段，芯樣完整但上、下基層不連續(xù)。對比2個路段，SAP水穩(wěn)芯樣上、下基層完整且連續(xù)，說明采用兩層連鋪工藝時，SAP能夠增加上、下基層的粘結(jié)性能。

a) SAP試驗路段

b)普通路段

3.5.2水穩(wěn)內(nèi)部濕度檢測情況

為監(jiān)測2個路段的內(nèi)部濕度，定期記錄前期預(yù)埋的濕度傳感器示數(shù)，記錄時間分別為1、3、7、15、28d，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同時間濕度變化曲線

由圖5可知，30 d后SAP水穩(wěn)的濕度下降幅度明顯小于普通水穩(wěn)路段，而7 d之前兩者濕度相當(dāng)。主要是由于7d之前，進(jìn)行灑水養(yǎng)生，兩者濕度相當(dāng)；后期不進(jìn)行灑水養(yǎng)生時，普通水穩(wěn)的水分蒸發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部濕度降低,而SAP水穩(wěn)由于SAP內(nèi)部儲水并能釋放水分，濕度下降幅度較小，從而保證了水穩(wěn)內(nèi)部的濕度。

4 結(jié)語

1) 研究了3種SAP的吸水和釋水能力，發(fā)現(xiàn)SAP的粒徑越小，其比表面積越大，吸水能力就越好，釋水速率也越快。通過正交試驗，確定了水穩(wěn)中摻入SAP的最優(yōu)水平為:SAP-Ⅰ、超吸水樹脂摻量1.1%、額外引水量10倍。

2) 根據(jù)所用的集料、水泥等原材料，進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石室內(nèi)配合比設(shè)計，試驗得到水泥劑量為4.5%時，水泥穩(wěn)定碎石混合料強度性能滿足設(shè)計要求。

3) SAP水穩(wěn)試件的無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度均高于普通水穩(wěn)試件，說明加入SAP能夠提升水穩(wěn)基層的早期及長期抗壓強度。

4) 與普通抗裂水穩(wěn)試件相比，SAP水穩(wěn)的干縮應(yīng)變降低了52.5%，說明SAP的加入提升了水穩(wěn)基層的抗裂性能。

5)通過現(xiàn)場取芯和室內(nèi)試驗結(jié)果可知，采用兩層連鋪工藝時，SAP有利于上、下基層的層間粘結(jié)；從現(xiàn)場濕度監(jiān)測結(jié)果來看，后期SAP水穩(wěn)路段的濕度下降幅度明顯小于普通水穩(wěn)路段。