水泥穩(wěn)定碎石基層摻加SBR膠乳抗裂性能研究

曹軍

摘要：針對高等級(jí)公路水泥穩(wěn)定碎石基層材料的開裂問題，提出在水泥穩(wěn)定碎石材料中摻加SBR膠乳來改善其物理力學(xué)性能，特別是抗裂性能;通過環(huán)境掃描電子顯微鏡對摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，揭示SBR膠乳對水泥穩(wěn)定碎石材料抗裂性能的改善機(jī)理。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石? SBR膠乳? 抗裂性能? 環(huán)境掃描電鏡? 改善機(jī)理

1 概述

水泥穩(wěn)定碎石材料因其強(qiáng)度高、剛度大、整體性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于我國高速公路基層。但水泥穩(wěn)定碎石材料作為一種散粒體材料具有很大的缺點(diǎn)，那就是其很容易在溫度變化及水分散失時(shí)產(chǎn)生很大的收縮變形，進(jìn)而會(huì)形成基層的收縮裂縫。導(dǎo)致瀝青面層形成反射裂縫，并且由于雨水的浸入，在交通荷載作用下，路面表面出現(xiàn)唧漿、坑洞，從而影響了路面的使用性能和壽命。本文提出以SBR膠乳為摻加劑，對水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行了宏觀試驗(yàn)及微觀試驗(yàn)，對SBR膠乳對水泥穩(wěn)定碎石材料的改善性能及機(jī)理進(jìn)行分析。

2 原材料性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)方法

2.1原材料性質(zhì)

本試驗(yàn)采用鎮(zhèn)江船山廠“寶船”32.5水泥。改性劑采用江陰榮成路橋材料開發(fā)有限公司的SBR1500膠乳。摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配均采用常用的一級(jí)公路現(xiàn)場施工級(jí)配，見表1。

2.2試驗(yàn)方法

摻加SBR膠乳后的水泥穩(wěn)定碎石材料的組成設(shè)計(jì)見表2。試驗(yàn)中，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》 （ JTJ057-94）所規(guī)定方法進(jìn)行試驗(yàn)，使用路面強(qiáng)度試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)。干縮和溫縮試驗(yàn)所用試件為10cm×10cm×40cm的小梁試件，用振動(dòng)擊實(shí)儀成型。干縮和溫縮試驗(yàn)采用高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱以及千分表進(jìn)行。微觀試驗(yàn)采用28d齡期的摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石材料的斷面薄片， 在XL--30ESEM環(huán)境掃描電子顯微鏡下進(jìn)行。

3 宏觀試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1無側(cè)限抗壓及劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

對于SBR膠乳摻量不同的水泥穩(wěn)定碎石材料試件進(jìn)行了28d無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加SBR膠乳并不能顯著提高水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，在摻量較少時(shí)會(huì)呈現(xiàn)略微降低的趨勢，但當(dāng)SBR膠乳摻量達(dá)到15%時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值相比不摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石材料要高，此后隨著摻量增加，強(qiáng)度有所增長，但幅度不大。而摻加SBR膠乳對水泥穩(wěn)定碎石材料劈裂強(qiáng)度有較大影響，隨著SBR膠乳摻量的增加，水泥穩(wěn)定碎石材料的劈裂強(qiáng)度增長較快，摻量達(dá)到15%時(shí)增幅達(dá)到了21.8%，此后再增加摻量劈裂強(qiáng)度值提高不大。

3.2干縮性能評價(jià)

水泥穩(wěn)定碎石干燥收縮是由于其內(nèi)部含水量的變化而引起整體宏觀體積收縮的現(xiàn)象。為了分析材料的干縮規(guī)律，常采用干縮系數(shù)αd（單位含水量t改變所引起材料的應(yīng)變值）表征材料干燥收縮程度。干縮系數(shù)就是材料對水的敏感系數(shù);干縮系數(shù)大，表示材料對水敏感，干縮系數(shù)小，表示材料對水不敏感。在某種程度上，干縮系數(shù)可以用來表述材料的抗裂性能。

計(jì)算干縮系數(shù)，對摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石材料干縮性能進(jìn)行評價(jià)，見表4。結(jié)果顯示，在摻量范圍內(nèi)，摻加SBR膠乳能夠有效的降低水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮系數(shù)，從而也表明摻加SBR膠乳對水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂產(chǎn)生了積極的作用。

3.3溫縮性能指標(biāo)與評價(jià)

為了分析材料的溫縮規(guī)律，常采用溫縮系數(shù)αt（單位溫度t改變所引起材料的應(yīng)變值）來表征材料溫度收縮程度。溫縮系數(shù)就是材料對溫度的敏感系數(shù)：溫縮系數(shù)大，表示材料對溫度變化敏感;溫縮系數(shù)小，表示材料對溫度變化不敏感。從溫縮試驗(yàn)的結(jié)果可知，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，摻加SBR膠乳能夠降低水泥穩(wěn)定碎石材料的溫縮系數(shù)，從而也說明摻加SBR膠乳能夠較顯著的提高水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂性能，見表4。

4 微觀試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1環(huán)境電子掃描結(jié)果

為了更加深入的探討SBR膠乳改性水泥穩(wěn)定碎石的改性機(jī)理，揭示摻入SBR膠乳后材料微觀結(jié)構(gòu)的改變和宏觀性能的改善之間的聯(lián)系，本文借助微觀試驗(yàn)手段，對SBR膠乳改性水泥穩(wěn)定碎石的機(jī)理進(jìn)行研究。取28d齡期的摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石材料的斷面薄片，

在XL-30ESEM掃描電鏡下觀察微觀結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

4.2改善機(jī)理分析

對微觀照片進(jìn)行分析可以得出，SBR膠乳對水泥穩(wěn)定碎石材料的改善機(jī)理大致可分為兩個(gè)方面。

1）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形成

由ESEM照片可以直觀地看出，水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部孔隙率較大，存在眾多的微裂縫與裂隙，加上薄弱的界面區(qū)的存在，整個(gè)體系呈現(xiàn)為空間不連續(xù)的結(jié)構(gòu)。隨著SBR膠乳摻量的增加，SBR膠乳成膜趨于完整連續(xù)，SBR膠乳膜與水泥水化產(chǎn)物相互交織形成空間骨架結(jié)構(gòu)，從而大幅度改善水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部結(jié)構(gòu);SBR膠乳摻量達(dá)到20%時(shí)，SBR膠乳已形成較為完善的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部特別是界面區(qū)的孔隙減少，整個(gè)體系呈現(xiàn)為初步的連續(xù)結(jié)構(gòu)，材料明顯細(xì)化，進(jìn)一步提高水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的完整性。

2）過渡區(qū)的改善

水泥穩(wěn)定碎石材料是由集料、水泥水化產(chǎn)物和水、氣等組成的多相復(fù)合體，各相之間尤其是水泥石與粗細(xì)集料之間的過渡區(qū)是水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要組成部分。由于水泥石與粗細(xì)集料的收縮系數(shù)不一致，在溫濕變化作用下過渡區(qū)容易出現(xiàn)細(xì)微裂縫;此外，集料表面也易形成水膜，導(dǎo)致過渡區(qū)的水灰比較大。以上作用導(dǎo)致過渡區(qū)強(qiáng)度低且充滿微細(xì)裂縫，成為水泥穩(wěn)定碎石材料中的薄弱部分，受外力時(shí)這些裂縫易擴(kuò)展導(dǎo)致整個(gè)材料的破壞，且易成為外界腐蝕性因素滲透的通道。在水泥穩(wěn)定碎石材料中摻入SBR膠乳后，過渡區(qū)有所改善，SBR膠乳摻量為10%時(shí)，SBR膠乳開始成膜，由于摻量較少，膠乳膜呈不連續(xù)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍較為松散，過渡區(qū)與粗集料的粘結(jié)有所加強(qiáng)，強(qiáng)度提高;隨著SBR膠乳摻量的增加，SBR膠乳成膜趨于完整，到摻量達(dá)到20%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部特別是界面區(qū)的孔隙減少，過渡區(qū)主要為C-S-H凝膠與SBR膠乳填充，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度較高。得到很好的改善。

另外，具有較高柔韌性的SBR膠乳在水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部起著“架橋”等作用，摻SBR膠乳的水泥穩(wěn)定碎石材料向一種連續(xù)密實(shí)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，宏觀性能表現(xiàn)為材料的劈裂強(qiáng)度提高、柔韌性增大等特點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）摻加SBR膠乳不能夠顯著提高水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但對其劈裂強(qiáng)度的提高效果明顯;

（2）從各抗裂評價(jià)指標(biāo)看，摻加SBR膠乳后，水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮性能和溫縮性能都有很好的改善;

（3）從微觀試驗(yàn)結(jié)果看，摻加SBR膠乳能夠提高水泥穩(wěn)定碎石材料內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的完整性，改善水泥穩(wěn)定碎石材料的過渡區(qū)。

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