膨脹劑含量對水泥穩(wěn)定碎石的力學性能和抗干縮性能影響研究

李 歡 李仲玉 魏 寧

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著我國公路的快速發(fā)展，在路面結(jié)構(gòu)中水泥穩(wěn)定碎石作為半剛性基層材料的應(yīng)用越來越普遍.但是水泥穩(wěn)定碎石本身有著它自己的收縮特性，所以在實際的道路應(yīng)用中面臨著許多問題，尤其是作為基層材料在外界環(huán)境作用下容易產(chǎn)生裂縫.在瀝青路面半剛性基層現(xiàn)場取芯觀測表明，裂縫中較多的是由于半剛性基層先開裂導致瀝青路面面層開裂的反射裂縫，這一比例超過50%[1].本文對水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻加膨脹劑來增強力學性能，減少收縮量，提高抗裂性能，從而達到延長路面使用壽命的預(yù)期目的.

1 原材料性質(zhì)

(1)水泥.采用金隅粉煤灰硅酸鹽水泥32.5級(P·F 32.5)，其基本物理性質(zhì)如表1所示.

表1 水泥基本性質(zhì)

(2)膨脹劑.生產(chǎn)廠家為河北圣通建材有限公司，其性質(zhì)如表2所示.

表2 膨脹劑性質(zhì)

(3)集料.礦料的篩分試驗如表3所示，集料的技術(shù)性質(zhì)如表4所示.水泥穩(wěn)定碎石的級配采用《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/F20-2015)中水泥穩(wěn)定碎石推薦范圍C-C-3,適用于二級及二級以下的公路，級配曲線如圖1所示.

表3 礦料的篩分試驗

表4 集料的技術(shù)性質(zhì)

圖1 試驗用的級配曲線

采用圖1級配曲線，分別以水泥：集料=3:97、4:96和5:95為混合料配合比.各組的混合料配合比組成及擊實試驗結(jié)果見表5.

表5 配比及擊實試驗結(jié)果

因為膨脹劑含量分別為相對應(yīng)水泥質(zhì)量的5%、7%和10%，外摻膨脹劑在同等的級配混合料中對水泥穩(wěn)定碎石的干密度和含水量影響效果不明顯，所以對摻有膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石未進行擊實試驗.

2 試件制取

根據(jù)擊實試驗結(jié)果確定試驗的最大干密度和最佳含水率，用靜力壓實法制取試件；無側(cè)限抗壓強度、間接抗拉強度和抗壓回彈模量均采用Φ150×150mm試件.試件采用靜壓法成型后試件脫模，脫模后的試件轉(zhuǎn)移到標準養(yǎng)護室[(20±2)℃，相對濕度≥95%]養(yǎng)護，養(yǎng)護至齡期的前1d，將試件浸泡24h，然后分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗、間接抗拉強度試驗和抗壓回彈模量試驗.干縮試驗選取中梁試件，尺寸為100mm×100mm×400mm，也是采用靜壓法成型，脫模后，在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，養(yǎng)護至齡期的前1d，將試件浸泡24h，浸泡完畢后擦干試件上的表面水，然后進行干縮試驗.

以水泥劑量分別為3%、4%和5%，膨脹劑摻量分別按相對應(yīng)水泥質(zhì)量的5%、7%和10%進行配合比設(shè)計，分析與研究膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石材料力學性能和抗干縮性能的影響.

3 力學性能分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度試驗和間接抗拉強度試驗及分析

將泡水后的試件放在萬能試驗機分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗和間接抗拉強度試驗，兩種試驗都按位移控制壓力機的加載速率為1mm/min，養(yǎng)護7d試件的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果和間接抗拉強度試驗結(jié)果如表6所示.

表6 7d無側(cè)限抗壓強度和間接抗拉強度

在《公路路面基層施工技術(shù)細則》(JTG/T F20-2015)中在基層結(jié)構(gòu)層中，公路等級二級及二級以下的公路其強度滿足要求.養(yǎng)護180d試件的無側(cè)限抗壓強度和間接抗拉強度試驗結(jié)果如表7所示.

表7 180d無側(cè)限抗壓強度和間接抗拉強度

由圖2和圖3可以得出，水泥穩(wěn)定碎石材料中摻入膨脹劑會使180d無側(cè)限抗壓強度和180d間接抗拉強度都有一定的提高作用.原因是在于膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石有著密實的作用[2]，水泥水化后Ca(OH)2與膨脹劑發(fā)生了復雜的化學反應(yīng)生成了鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)晶體，晶體填充了水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部微小的縫隙，從而摻膨脹劑的水穩(wěn)材料比未摻膨脹劑的水穩(wěn)材料更加密實些，導致其強度得到了提高.

圖2 180d無側(cè)限抗壓強度增長率 圖3 180d間接抗拉強度增長率

3.2 抗壓回彈模量試驗及分析

剛度反映著材料抵抗彈性變形的能力.在宏觀的彈性范圍內(nèi)，材料的剛度是材料受到的荷載與在此荷載的作用下發(fā)生的位移之間的比值，即引起單位位移所需要的荷載.剛度的倒數(shù)稱之為柔度，即材料受單位荷載所發(fā)生的位移.

用頂面法，將泡水后的試件放在萬能試驗機進行抗壓回彈模量試驗，試驗的加卸載速率為1mm/min，先用最大荷載的一半進行兩次加卸載預(yù)壓試件，使試件頂面與加載板接觸良好，將預(yù)定的單位壓力分成6等份，作為每次施加的壓力值，逐級加卸載.養(yǎng)護180d未摻膨脹劑試件的抗壓回彈模量試驗結(jié)果如表6所示.

由圖4可以得出，摻膨脹劑后，水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈得到了提高，膨脹劑與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成鈣礬石(AFt)晶體，膠凝產(chǎn)物增多[3].膨脹劑的加入使材料生成了較多膠結(jié)物，所以剛度有一定程度的增大[4].養(yǎng)護180d試件的抗壓回彈模量試驗結(jié)果如表8所示.

表8 抗壓回彈模量

圖4 180d抗壓回彈模量增長率

4 抗干縮性能分析

4.1 干縮試驗及分析

水泥穩(wěn)定碎石材料收縮可分為由于失去水分引起的干燥收縮和由于外界溫度變化引起的溫度收縮兩種，這兩種收縮是基層開裂的主要原因.

根據(jù)參考文獻對3%水泥中摻膨脹劑的4組12個水泥穩(wěn)定碎石試件進行干縮試驗，養(yǎng)護齡期180d，干縮試驗采用千分表法.在試驗的過程中將試驗放在室內(nèi)的干縮儀上，安裝好千分表后調(diào)整好刻度，每天讀取干縮數(shù)據(jù)并記錄下來，并對數(shù)據(jù)按式(1)、(2)進行計算，分析干縮結(jié)果如圖5所示.

圖5 觀測時間與累計干縮應(yīng)變的關(guān)系 圖6 失水率與累計干縮應(yīng)變的關(guān)系

(1)

(2)

式中:εd-單位長度收縮量(×10-6)；Δl-干縮量(×10-6)；l-試件的長度(mm);

αd-干縮系數(shù)(×10-6/%)；Δω-失水率(%).

如圖5、圖6和圖7所示，整體趨勢都是先較快的增長然后再緩慢增長，摻膨脹劑的試件總體上來說要比未摻膨脹劑的試件抗裂性能好.如圖8所示，膨脹劑與Ca(OH)2生成鈣礬石使結(jié)構(gòu)更加密實，從而減少毛細管的張力[4].由于膨脹劑的摻入使材料變得更加密室，孔隙率相對較少，受毛細管張力、吸附力和分子間作用以及層間水作用相對來說也較小，所以干縮系數(shù)較小.

圖7 觀測時間與干縮系數(shù)的關(guān)系 圖8 膨脹劑含量與干縮系數(shù)的關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)在水泥穩(wěn)定碎石材料中摻入膨脹劑，膨脹劑會與混合料中的物質(zhì)發(fā)生復雜的化學反應(yīng)，生成新的物質(zhì)使試件本身發(fā)生微膨脹.主要的作用機理是水泥水化反應(yīng)后大量的Ca(OH)2與膨脹劑發(fā)生化學反應(yīng)生成鈣礬石(AFt)，鈣礬石的形成，使整個的水泥穩(wěn)定碎石材料試件結(jié)構(gòu)更加密實，可以降低毛細管張力.

(2)在水泥穩(wěn)定碎石基層材料中摻加膨脹劑能使其無側(cè)限抗壓強度和間接抗拉強度增強.

(3)膨脹劑能減緩水泥穩(wěn)定碎石的早期干縮累積量，對延緩和減少干縮裂縫是有利的.