含硫酸鹽半剛性基層材料對路基溫縮性能的影響研究

蒲翠玲

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

冰凍地區(qū)的半剛性瀝青路面產(chǎn)生裂縫的主要原因是溫度的收縮，溫度收縮裂縫與半剛性材料的土質(zhì)、類型、含水量及含鹽量等有關(guān)。半剛性基層溫度的收縮是隨著晝夜和季節(jié)的溫度變化產(chǎn)生的。近年來，由于各類半剛性材料具有良好的力學(xué)性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，被廣泛應(yīng)用于高等級公路路面基層或底基層材料。但是各類半剛性材料又具有易開裂的缺點(diǎn)[1]，使路面出現(xiàn)反射裂縫，從而影響路面穩(wěn)定性和使用效果。本文通過將摻有硫酸鈉的幾種半剛性混合料做成的試件進(jìn)行溫度收縮性能研究（溫度從+30℃～-30℃），得出幾種試件的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)，在研究過程中尋找硫酸鹽對材料溫縮性能的影響規(guī)律并總結(jié)出一些可供實(shí)際參考的結(jié)論。

1 半剛性基層材料的選取

本文按照《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）中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土試料準(zhǔn)備方法制備所需的材料[2]。該研究采用素土（黃土）摻不同比例鹽制成的人工鹽漬土，由于本文所用黃土屬于細(xì)粒土，其最大粒徑不超過25 mm，大于19 mm的顆粒含量不超過5%.根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）中對擊實(shí)試驗(yàn)的要求，對含有硫酸鹽的二灰土、水泥土以及石灰土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)[3]，即錘重為4.5 kg，錘擊面直徑為5.0 cm，落距為45 cm，試筒尺寸為內(nèi)徑10 cm，高12.7 cm，錘擊層數(shù)為5層，每層錘擊次數(shù)為27次，平均擊實(shí)功為2.687 J。確定幾種半剛性基層材料在不同含鹽量下的最大干密度及最佳含水量，按研究確定的最大干密度和最佳含水量制備混合料，并制備試件，將事先稱量并拌制好的試料裝入規(guī)格為5 cm×5 cm×24 cm的試模中搗實(shí)，將試模放在壓力機(jī)上采用400 kN的壓力將壓塊壓入試模內(nèi)，并在這個壓力下靜壓60 s，達(dá)到水泥初凝時間后再脫模，得到試件，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)保濕養(yǎng)生，每種混合料制備平行試件3個[4]。

2 室內(nèi)溫縮性能研究方法

根據(jù)實(shí)際工程施工需要，選擇半剛性材料為二灰穩(wěn)定土（10∶15∶75)、二灰穩(wěn)定土（10∶45∶45）、10%水泥穩(wěn)定土及10%石灰穩(wěn)定土作為研究的主要對象，并對含硫酸鹽量不同進(jìn)行劃分，確定含硫酸鹽量為0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.5%五種。將浸潤過的試料加入事先確定比例的石灰粉煤灰、水泥或石灰并進(jìn)行拌和。拌和過程中，加入預(yù)留的3%的水，使試料含水量達(dá)到最佳含水量。

當(dāng)試件養(yǎng)生時間結(jié)束后，將型號相同的兩應(yīng)變片分別粘貼在被測試件和線膨脹系數(shù)為已知的試件上，如圖1所示。該研究采用的應(yīng)變片是由陜西漢中中航電測儀器股份有限公司生產(chǎn)的BQ120-80AA型電阻應(yīng)變片；應(yīng)變儀使用的是江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YE2533程控靜態(tài)應(yīng)變儀（如圖2所示）；高低溫交變環(huán)境箱及溫度補(bǔ)償片等設(shè)備和材料，采集隨溫度變化引起的電阻變化值。

圖1 粘貼應(yīng)變片的小梁

圖2 YE2533程控靜態(tài)應(yīng)變儀

為使溫度的讀取更加精確，研究專用溫縮高低溫交變環(huán)境箱對試件進(jìn)行恒溫控制，人工調(diào)節(jié)溫度變化，每間隔1.5 h降低溫度5℃，溫度變化范圍為30℃～-30℃，預(yù)計一組試件需要進(jìn)行18 h，電腦自動采集數(shù)據(jù)。

3 溫縮性能研究結(jié)果及分析

4種不同含鹽量下的半剛性基層材料的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系曲線分別如圖3～圖10所示。

圖3 二灰土（10∶15∶75）的溫縮應(yīng)變與溫度變化關(guān)系

3.1 不同含鹽量下二灰土（10∶15∶75）的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系

從圖3可以得出，不含硫酸鈉的二灰土（10∶15∶75）溫縮應(yīng)變隨溫度逐漸降低呈現(xiàn)負(fù)值，且負(fù)值越來越小，表明隨溫度降低，收縮逐漸增大。4種不同硫酸鈉含量的二灰土（10∶15∶75）的溫縮應(yīng)變隨溫度的降低緩慢增大，當(dāng)溫度達(dá)到0℃～-5℃時，溫縮應(yīng)變達(dá)到最大；隨后隨著溫度的降低，溫縮應(yīng)變急劇變小，當(dāng)溫度達(dá)到-30℃，溫縮應(yīng)變達(dá)到最小，這是由于析出Na2SO4·10H2O晶體使試件體積膨脹造成的[5]。在0℃～-5℃以上時，試件中析出越來越多的晶體，試件體積膨脹量越來越大；在-5℃以下時，試件中析出的晶體不再增多，而試件裂縫越來越大，所以溫縮應(yīng)變越來越小。從圖4可以得出，4種不同硫酸鈉含量的二灰土（10∶15∶75）的溫縮系數(shù)隨溫度降低逐漸增大，當(dāng)溫度在-15℃～-20℃之間時，溫縮系數(shù)達(dá)到最大，隨后急劇減小。

圖4 二灰土（10∶15∶75）的溫縮系數(shù)與溫度變化關(guān)系

3.2 不同含鹽量下二灰土（10∶45∶45）的溫縮應(yīng)變及溫縮系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

從圖5可以得出，不含硫酸鈉的二灰土（10∶45∶45）的溫縮應(yīng)變隨著溫度逐漸降低呈現(xiàn)負(fù)值，且負(fù)值越來越小，表明隨溫度降低，收縮逐漸增大。4種不同硫酸鈉含量的二灰土（10∶45∶45）的溫縮應(yīng)變隨溫度的降低緩慢增大，當(dāng)溫度達(dá)到0℃左右時，溫縮應(yīng)變達(dá)到最大；隨后隨著溫度的降低，溫縮應(yīng)變急劇變小。這是由于析出Na2SO4·10H2O晶體使試件體積膨脹造成的[5]。從研究中可以看出，在0℃以上，試件中析出越來越多的晶體，試件的體積膨脹量越來越大；在0℃以下時，試件中析出晶體不再增多，而試件溫縮裂縫越來越大，所以溫縮應(yīng)變越來越小。從圖6可以得出，4種不同硫酸鈉含量的二灰土（10∶45∶45）的溫縮系數(shù)隨溫度降低逐漸增大，當(dāng)溫度在-15℃～-20℃之間時，溫縮系數(shù)達(dá)到最大，隨后急劇減小。

圖5 二灰土（10∶45∶45）的溫縮應(yīng)變與溫度變化關(guān)系

圖6 二灰土（10∶45∶45）的溫縮系數(shù)與溫度變化關(guān)系

3.3 不同含鹽量下10%水泥土的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

從圖7可以得出，不含硫酸鈉的10%水泥土的溫縮應(yīng)變隨溫度逐漸降低出現(xiàn)負(fù)值，且負(fù)值越來越小，表明隨溫度的降低，不含硫酸鈉的10%水泥土的溫縮逐漸增大。4種不同硫酸鈉含量的10%水泥土的溫縮應(yīng)變隨溫度降低緩慢增大，當(dāng)溫度達(dá)到5℃左右時，溫縮應(yīng)變達(dá)到最大，隨后隨溫度的降低，溫縮應(yīng)變急劇變小，當(dāng)溫度達(dá)到-30℃左右時，溫縮應(yīng)變達(dá)到最小，這是由于析出Na2SO4·10H2O晶體使試件體積膨脹造成的[5]。在5℃以上時，試件中析出越來越多的晶體，試件的體積膨脹量越來越大；在5℃以下時，試件中析出的芒硝晶體不再增多，溫縮裂縫越來越大，溫縮應(yīng)變也越來越小。4種不同硫酸鈉含量的10%水泥土試件在30℃左右時，溫縮應(yīng)變不為零，表明試件在30℃時已經(jīng)產(chǎn)生體積膨脹，這是由于10%水泥土試件在恒定溫度為30℃的過程中有Na2SO4·10H2O晶體析出，出現(xiàn)體積膨脹。從圖8可以得出，10%水泥土的溫縮系數(shù)隨溫度降低逐漸增大，當(dāng)溫度在-5℃左右時，溫縮系數(shù)達(dá)到最大，隨后急劇減小。

圖7 10%水泥土的溫縮應(yīng)變與溫度變化關(guān)系

圖8 10%水泥土的溫縮系數(shù)與溫度變化關(guān)系

3.4 不同含鹽量下10%石灰土的溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)隨溫度變化規(guī)律

從圖9可以得出，不含硫酸鈉石灰土的溫縮應(yīng)變隨溫度逐漸降低而出現(xiàn)負(fù)值，且負(fù)值越來越小，說明隨溫度的降低，溫縮應(yīng)變逐漸增大。4種不同硫酸鈉含量的10%石灰土的溫縮應(yīng)變隨溫度降低緩慢增大，當(dāng)溫度達(dá)到-15℃～-20℃時，溫縮應(yīng)變達(dá)到最大，隨后隨著溫度的降低，溫縮應(yīng)變急劇變小，當(dāng)溫度達(dá)到-30℃，溫縮應(yīng)變達(dá)到最小。這是由于析出Na2SO4·10H2O晶體使試件體積膨脹造成的[5]，在-15℃以上時，試件中析出越來越多的晶體，試件的體積膨脹量越來越大；在-15℃以下時，試件中析出的晶體不再增多，溫縮裂縫越來越大，溫縮應(yīng)變越來越小。由圖10可以得出，4種不同硫酸鈉含量的10%石灰土溫縮系數(shù)隨溫度降低逐漸增大，溫度在-5℃左右時，溫縮系數(shù)達(dá)到最大，而后又急劇減小。隨含鹽量的增大，平均溫縮應(yīng)變也增大，這是由于Na2SO4與石灰穩(wěn)定土中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)：Na2SO4+Ca(OH)2＝CaSO4+2NaOH，使得Ca(OH)2和 Na2SO4含量均減少，材料內(nèi)部呈現(xiàn)堿性，而土壤中的有機(jī)質(zhì)呈酸性，二者發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，堿性降低，Na2SO4·10H2O晶體量減少，從而穩(wěn)定土的溫縮效應(yīng)變大。

圖9 10%石灰土的溫縮應(yīng)變與溫度變化關(guān)系

圖10 10%石灰土的溫縮系數(shù)與溫度關(guān)系

綜合以上可以得出，試件中粉煤灰含量較多時，試件溫縮應(yīng)變較小，這與粉煤灰的物理性質(zhì)有關(guān)，粉煤灰是一種空心的玻璃體結(jié)構(gòu)，感溫性能較差，增加粉煤灰含量能使得材料在一定溫度范圍內(nèi)溫度收縮效應(yīng)減小，隨著溫度降低，粉煤灰的這種影響減弱。以上4種試件在+15℃～-5℃之間時溫縮應(yīng)變均較大，是由于試件體積膨脹量達(dá)到最大造成的，這表明試件的鹽脹性在+15℃～-5℃之間時較劇烈，-10℃～-20℃是最不利的溫度區(qū)間。

4 結(jié)語

a）在半剛性基層材料中加入適量的硫酸鈉，能有效地抑制溫縮裂縫的產(chǎn)生，但是硫酸鈉的含量太大對路基又有危害，因此必須控制含鹽量。本文提出一個較為合理的含鹽量范圍，建議容許含鹽量應(yīng)控制在0.4%以內(nèi)。

b）在半剛性基層材料的配比中適當(dāng)?shù)卦龃蠓勖夯一蛩嗟暮磕苡行У販p少溫縮裂縫的產(chǎn)生。

c）硫酸鈉存在一個劇烈鹽脹的溫度區(qū)間（+15℃～-5℃），在該區(qū)間內(nèi)半剛性材料的溫縮應(yīng)變最小，因此在+15℃～-5℃之間進(jìn)行鹽漬化半剛性基層的施工，能有效地減少溫縮裂縫的產(chǎn)生，-10℃～-20℃是最不利的溫度區(qū)間。

d）通過對幾種半剛性基層材料溫縮應(yīng)變和溫縮系數(shù)的大小比較以及在不同溫度區(qū)間數(shù)值的分布規(guī)律可以看出，二灰土（10∶45∶45）和水泥穩(wěn)定土更適用于鹽漬土地區(qū)道路。

e）對于二灰類穩(wěn)定土材料溫度在+30℃～-10℃之間時，增加含鹽量有利于降低溫度收縮，溫度在-10℃以下時，溫縮性能顯著增大；對于水泥穩(wěn)定土和石灰類穩(wěn)定土而言，溫度在+30℃～-5℃之間時，增加含鹽量有利于降低溫縮性能，溫度在-5℃以下時，溫縮性能顯著增大。

f）就溫縮性能而言，為了有效地減少溫縮裂縫的產(chǎn)生，可以根據(jù)實(shí)際情況采用較厚的瀝青面層，或采用感溫性能較差的材料作為基層材料，這樣基層材料受溫度的影響不太明顯，相應(yīng)地減少溫縮裂縫產(chǎn)生的機(jī)率。