復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石路用性能研究

曹駿駒

(江蘇省交通工程建設(shè)局，南京 210001)

水泥穩(wěn)定碎石具有良好的整體性、力學(xué)強(qiáng)度、抗水性和耐凍性等特點(diǎn)，被廣泛用于高等級(jí)公路的基層。但它的脆性較大，在工程應(yīng)用中因受溫度、濕度影響，基層經(jīng)常開裂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成瀝青路面出現(xiàn)裂縫。目前，針對(duì)水泥穩(wěn)定碎石路面裂縫防治方面的研究多數(shù)是通過降低水泥穩(wěn)定碎石的收縮性能，提高抗裂性能。這類研究主要集中在膨脹劑、減縮劑、纖維和乳化瀝青等外加劑[1-9]、養(yǎng)生溫度[10]和集料集配[11-12]等對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的影響。摻外加劑在一定程度上能抑制水泥穩(wěn)定碎石出現(xiàn)早期收縮裂縫，提高其抗裂性能，復(fù)摻膨脹劑和減縮劑在水泥穩(wěn)定碎石中應(yīng)用較少，程箭等[13]研究了復(fù)摻膨脹劑和減縮劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩種外加劑顯著改善水泥穩(wěn)定碎石的脆性，提高其抗裂性，但力學(xué)性能疊加效應(yīng)不顯著。因此，在水泥穩(wěn)定碎石中摻膨脹劑和減縮劑是否出現(xiàn)疊加效應(yīng)，有必要進(jìn)一步研究。本文研究了復(fù)摻膨脹劑和減縮劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、劈裂回彈模量等強(qiáng)度性能和干縮性能的影響，以期為工程應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 級(jí)配組成

采用江蘇省宿遷市發(fā)展大道集料，該集料級(jí)配良好，水泥穩(wěn)定碎石中集料的顆粒組成如表1所示，集料篩分結(jié)果如表2所示，集料級(jí)配曲線如圖1所示。土工試驗(yàn)在強(qiáng)度性能試驗(yàn)前完成。

表1 水泥穩(wěn)定碎石中集料的顆粒組成 (%)

表2 集料篩分結(jié)果 (%)

圖1 集料級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)材料

水泥選用海螺牌PO42.5硅酸鹽水泥；膨脹劑采用中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院UEA-H型膨脹劑，其為硫鋁酸鈣類膨脹劑，具有含堿量低、不會(huì)引起堿骨料反應(yīng)、流動(dòng)性能好等特點(diǎn)；減縮劑采用海韻牌BT-500型減縮劑，其由聚羧酸系原料配制，與膨脹劑相比，聚羧酸系高效減縮劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能無副作用，具有一定程度的改善作用。膨脹劑和減縮劑為固體，將兩種外加劑先摻入水泥，再與集料拌和。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過擊實(shí)試驗(yàn)確定水泥穩(wěn)定碎石基層的最大干密度和最佳含水量，在最佳含水量條件下制作成型試件，再進(jìn)行室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)和干縮試驗(yàn)。水泥穩(wěn)定碎石的水泥摻量為4.5%，結(jié)合膨脹劑和減縮劑的推薦摻量[13]，本試驗(yàn)選用具有代表性的摻量，膨脹劑摻量為4%、6%、8%，減縮劑摻量為1%、2%、3%，外加劑摻量為所占水泥用量的比例。本試驗(yàn)的4組摻量配比中，膨脹劑摻量遞增，減縮劑摻量遞減，并設(shè)置空白對(duì)照組(第1組)，以便在進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析時(shí)，更直觀地體現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能和干縮性能變化規(guī)律。試件中膨脹劑和減縮劑摻量如表3所示。

表3 試件中膨脹劑和減縮劑摻量 (%)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 最佳含水量

按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[14]進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，確定水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度和最佳含水量。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 強(qiáng)度性能

為研究復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能，在最佳含水量條件下，進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能(7 d、28 d)試驗(yàn)，包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)和劈裂回彈模量試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、劈裂回彈模量等指標(biāo)相關(guān)性較好，可以作為水泥穩(wěn)定碎石的主要路用指標(biāo)?！豆窞r青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[15]將7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為路面基層的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。劈裂強(qiáng)度和劈裂回彈模量對(duì)評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性有著重要意義。按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[14]試驗(yàn)方法，圓柱形試件成型高度150 mm、直徑150 mm，待上下壓柱都?jí)喝朐嚹：缶S持壓力2 min。成型壓實(shí)度98%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度(20±2)℃，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生濕度95%以上。

2.2.3 干縮性能

為研究水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[14]進(jìn)行干縮試驗(yàn)。選擇100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件，每組成型7個(gè)試件，其中3個(gè)試件用于測(cè)定收縮變形，3個(gè)試件用于測(cè)量干縮失水率，1個(gè)試件備用。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可知：

(1) 7 d齡期時(shí)，3組復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度都增大，可能是因?yàn)橐环矫鏈p縮劑在一定程度上改善了水泥水化條件，水泥分布更加均勻；另一方面水泥與膨脹劑生成的鈣礬石填充了試件內(nèi)部空隙，改善了其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。

(2) 7 d齡期時(shí)，第2組試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值。隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降，說明后期摻量的調(diào)整延緩了水泥水化，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低。結(jié)果表明，實(shí)際工程中，合理?yè)搅康耐饧觿?duì)提升水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度，同時(shí)控制施工成本至關(guān)重要。

(3) 28 d齡期時(shí)，第2組試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低，隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。綜合分析可得，第3組試件表現(xiàn)最穩(wěn)定，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升顯著。

3.2 劈裂強(qiáng)度

復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度

由圖3可知：

(1) 7 d齡期時(shí)，第2組試件劈裂強(qiáng)度輕微降低。隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，第3組試件的劈裂強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后下降。原因可能是摻入膨脹劑后，導(dǎo)致試件自由膨脹劈裂強(qiáng)度下降，但膨脹劑與水泥生成的鈣礬石在一定程度上改善了內(nèi)部缺陷，劈裂強(qiáng)度提高；另外，減縮劑具有減水作用，但會(huì)帶來緩凝、級(jí)配改變等副作用，多因素耦合作用下，劈裂強(qiáng)度發(fā)生如上變化。

(2) 28 d齡期時(shí)，隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，試件劈裂強(qiáng)度先上升后下降。與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化類似，第2組試件抗裂性能提升呈現(xiàn)抑制作用，導(dǎo)致其在7 d齡期時(shí)，劈裂強(qiáng)度反而降低，在28 d齡期時(shí)才有所體現(xiàn)。原因可能是水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度較高，劈裂強(qiáng)度很低，其破壞形式多為拉裂，導(dǎo)致其劈裂強(qiáng)度的變化較為敏感。

3.3 劈裂回彈模量

復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的劈裂回彈模量如圖4所示。

圖4 復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的劈裂回彈模量

由圖4可知：

(1) 7 d齡期時(shí)，復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的劈裂回彈模量顯著提高；隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，試件劈裂回彈模量不斷提升。

(2) 28 d齡期時(shí)，隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，試件的劈裂回彈模量先增大后減??；隨著齡期增加，摻外加劑試件劈裂回彈模量增長(zhǎng)幅度較小，且隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，劈裂回彈模量后期增長(zhǎng)幅度下降。結(jié)果表明，摻外加劑抑制了試件的劈裂回彈模量的后期增長(zhǎng)，膨脹劑增加，減縮劑減少，該抑制作用增強(qiáng)。在實(shí)際工程中，復(fù)摻外加劑可通過減少膨脹劑摻量，增加減縮劑摻量，提高水泥穩(wěn)定碎石劈裂回彈模量的后期增長(zhǎng)，以提高水泥穩(wěn)定碎石的剛度。

3.4 干縮性能

本試驗(yàn)對(duì)復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與齡期的關(guān)系進(jìn)行了研究，累計(jì)干縮應(yīng)變與齡期的關(guān)系如圖5所示，干縮系數(shù)與齡期的關(guān)系如圖6所示。

圖5 累計(jì)干縮應(yīng)變與齡期的關(guān)系

圖6 干縮系數(shù)與齡期的關(guān)系

由圖5和圖6可知：

(1) 復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與齡期呈現(xiàn)正相關(guān)，復(fù)摻外加劑試件的累計(jì)干縮應(yīng)變—齡期曲線和干縮系數(shù)—齡期曲線都居于未摻外加劑試件的對(duì)應(yīng)曲線之下，表明復(fù)摻膨脹劑和減縮劑可以改善水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能。

(2) 試驗(yàn)初期，復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變—齡期曲線和干縮系數(shù)—齡期曲線較為陡峻，之后逐漸趨于平緩，說明復(fù)摻膨脹劑和減縮劑能明顯降低水泥穩(wěn)定碎石初期累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)，顯著改善其干縮應(yīng)變作用。

(3) 各齡期條件下，第3組試件的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)始終最小。28 d齡期時(shí)，第3組試件累計(jì)干縮應(yīng)變比未摻外加劑(第1組)試件降低了21.8%，干縮系數(shù)比未摻外加劑(第1組)試件降低了24.4%，說明對(duì)于減少干縮變形，復(fù)摻膨脹劑和減縮劑存在最佳摻量。

本試驗(yàn)對(duì)復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、累計(jì)干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系進(jìn)行了研究，累計(jì)干縮應(yīng)變與失水率的關(guān)系如圖7所示，累計(jì)干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系如圖8所示。

圖7 累計(jì)干縮應(yīng)變與失水率的關(guān)系

圖8 累計(jì)干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系

由圖7和圖8可知：

(1) 當(dāng)失水率小于2%時(shí)，未摻外加劑(第1組)水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)增速明顯大于復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)；當(dāng)失水率超過3%時(shí)，其累計(jì)干縮系數(shù)急劇增加，原因可能是水泥穩(wěn)定碎石試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，干縮裂縫在短時(shí)間暴露情況下表面大孔隙的自由水揮發(fā)導(dǎo)致試件干縮，長(zhǎng)時(shí)間暴露則毛細(xì)孔水揮發(fā)，干縮裂縫大大增加。

(2) 隨著失水率的增加，各組試件的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)均逐漸增大，在失水率達(dá)到臨界值后，試件累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)陡增。本試驗(yàn)各摻量條件下， 水泥穩(wěn)定碎石的臨界失水率為2%～3%，試件失水率達(dá)到該值后其干縮裂縫數(shù)量急劇增加。

(3) 試件暴露初期，第4組試件的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)最小，抗開裂能力強(qiáng)；長(zhǎng)時(shí)間暴露后，達(dá)到臨界失水率時(shí)，第3組試件的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)最小。結(jié)果表明第4組試件早期抗裂性能最好，后期第3組試件的外加劑通過水化反應(yīng)，補(bǔ)償試件收縮的能力更穩(wěn)定，外加劑摻量更合理。

4 結(jié)論

(1) 復(fù)摻膨脹劑和減縮劑后，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和劈裂回彈模量等指標(biāo)均有所提高；隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，上述指標(biāo)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

(2) 第2組試件(復(fù)摻4%膨脹劑和3%減縮劑)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度提升呈現(xiàn)抑制作用，且對(duì)劈裂強(qiáng)度的抑制作用比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的抑制作用表現(xiàn)得更早。復(fù)摻外加劑，水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度變化更敏感。

(3) 隨著齡期增加，摻外加劑水泥穩(wěn)定碎石的劈裂回彈模量增長(zhǎng)較小，且隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，劈裂回彈模量后期增量減少。結(jié)果表明摻外加劑抑制了水泥穩(wěn)定碎石劈裂回彈模量的后期增長(zhǎng)，膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，該抑制作用增強(qiáng)。在實(shí)際工程中，復(fù)摻外加劑可通過減少膨脹劑摻量、增加減縮劑摻量的方式提高水泥穩(wěn)定碎石劈裂回彈模量的后期增長(zhǎng)。

(4) 復(fù)摻膨脹劑和減縮劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、干縮系數(shù)與齡期呈正相關(guān)，復(fù)摻外加劑有助于改善水泥穩(wěn)定碎石的干縮抗裂性能，且初期的改善效果更好。

(5) 隨著失水率的增加，各外加劑摻量的水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)均逐漸增大，在失水率達(dá)到臨界值后，其累計(jì)干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)陡增。本試驗(yàn)各外加劑摻量條件下，水泥穩(wěn)定碎石的臨界失水率為2%～3%，失水率達(dá)到該值后，水泥穩(wěn)定碎石干縮裂縫數(shù)量急劇增加。

(6) 水泥穩(wěn)定碎石復(fù)摻膨脹劑和減縮劑存在最佳摻量。綜合考慮無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、劈裂回彈模量和干縮應(yīng)變等指標(biāo)，本試驗(yàn)條件下，復(fù)摻6%膨脹劑和2%減縮劑的水泥穩(wěn)定碎石在力學(xué)性能和干縮性能等方面表現(xiàn)更優(yōu)異，更穩(wěn)定。