可再分散乳膠粉對水泥穩(wěn)定碎石材料性能影響的試驗(yàn)研究

姚江龍,扈惠敏,韓風(fēng)

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

水泥穩(wěn)定碎石基層具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),是中國應(yīng)用最廣泛的道路基層形式。但以水泥穩(wěn)定碎石材料為代表的半剛性基層普遍存在溫縮、干縮和模量過大的問題,其固有的溫縮、干縮特性使瀝青路面易產(chǎn)生反射裂縫,水分通過裂縫進(jìn)入路面甚至是路基結(jié)構(gòu)中,在車輛動荷載和雨水、溫度等環(huán)境因素綜合作用下,加速道路結(jié)構(gòu)的破壞,降低道路的使用耐久性[1]。提升半剛性基層的抗裂性能,是道路基層材料研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

可再分散乳膠粉(膠粉)是一種高分子聚合物粉末,易于拌和、保水性好,是環(huán)境友好型材料,由聚合物乳液經(jīng)特殊工藝加工得到。在膠粉出現(xiàn)前,乳液作為聚合物材料的代表常用于建筑材料尤其是水泥基材料的改性中。張春雨等[2]在水泥砂漿中摻入PTB(Polytechnisch Bedrijf)公司產(chǎn)乳液,發(fā)現(xiàn)砂漿的壓縮韌性指數(shù)增大,拉伸和剪切黏結(jié)強(qiáng)度提高。姜克錦等[3]研究苯丙乳液對超細(xì)水泥膠漿性能影響,發(fā)現(xiàn)乳液提高了膠漿的拉伸變形能力及韌性,但對膠漿抗壓強(qiáng)度不利。苗福生等[4]通過多因素極差分析聚丙烯酸酯乳液對水泥混凝土性能的影響,認(rèn)為聚合物可以改善混凝土性能,對其抗壓強(qiáng)度具有重要影響。

膠粉是由乳液加工成的性質(zhì)更加穩(wěn)定的固體粉末,相比乳液更易于施工配比和包裝運(yùn)輸[5],并且由于加入了水溶性保護(hù)膠體,在漿體中更易分散均勻,是近年來水泥基材料改性方面的研究熱點(diǎn)。侯云芬等[6]、汪勝等[7]、張瑩[8]研究結(jié)果顯示膠粉會降低砂漿抗壓強(qiáng)度,但可有效改善砂漿的韌性。Liu等[9]試驗(yàn)得出摻入膠粉使水泥砂漿的干縮系數(shù)減小,砂漿柔韌性和抗裂性提高。Tian等[10]認(rèn)為膠粉可以顯著降低堿活化礦渣水泥的收縮率,抑制基體微裂紋發(fā)展,提高水泥的黏結(jié)性能。李偉等[11]將膠粉摻入水泥灌漿料中,發(fā)現(xiàn)材料壓折比隨齡期增長顯著降低。韓風(fēng)[12]通過試驗(yàn)研究8%摻量乳膠粉對水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度及性能的影響,發(fā)現(xiàn)其抗折強(qiáng)度增加,抗壓強(qiáng)度略有下降,抗干縮性能提高。為分析膠粉作用機(jī)理,彭宇等[13]利用掃描電鏡觀察改性漿體的微觀形貌,王培銘等[14]則通過 X射線斷層掃描設(shè)備研究改性砂漿孔結(jié)構(gòu)。

以上研究結(jié)果顯示,膠粉在以水泥砂漿為代表的水泥基材料中應(yīng)用廣泛且改性效果良好,可以顯著提升水泥砂漿的抗裂性能,而將膠粉應(yīng)用于水穩(wěn)碎石材料的強(qiáng)度、性能影響及微觀機(jī)理分析的系統(tǒng)性研究尚處于空白狀態(tài)。因此,現(xiàn)試驗(yàn)研究不同摻量膠粉對水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律及膠粉水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮、溫縮性能,并通過X射線斷層掃描和掃描電鏡微觀試驗(yàn)分析膠粉的作用機(jī)理,為提升道路水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性能提供新的技術(shù)途徑。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如表1所示,質(zhì)量符合規(guī)范要求。水泥膠砂試驗(yàn)所用集料為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)所用集料為石灰?guī)r,分為四檔,分別為1#(20～30 mm)、2#(10～20 mm)、3#(5～10 mm)、4#(0～5 mm),集料技術(shù)指標(biāo)如表2所示,符合規(guī)范要求。膠粉外觀為白色粉末狀,是聚乙烯醇(polyvinyl alcoho,PVA)和乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate copolymer,EVA)共聚共混物,其平均粒徑、細(xì)度等物理指標(biāo)符合《可再分散性乳膠粉》(GB/T 29594—2013)規(guī)范的要求,但規(guī)范中缺乏強(qiáng)度指標(biāo)。用于水泥穩(wěn)定碎石中的膠粉,其黏結(jié)強(qiáng)度是重要指標(biāo)。制作5%、10%膠粉的膠粉膠砂試件(不加水泥),尺寸同水泥膠砂試件相同,測試試件的抗壓、抗折強(qiáng)度,結(jié)果如表3所示。膠粉單獨(dú)作為膠凝劑使用時,膠粉膠砂試件具有較高的強(qiáng)度,但低于P·O42.5普通硅酸鹽水泥試件的強(qiáng)度。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 可再分散乳膠粉膠砂強(qiáng)度

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 膠粉水泥膠砂試驗(yàn)

水泥膠砂試驗(yàn)步驟簡易、成型方便,同時與水泥混凝土或水泥穩(wěn)定碎石材料具有類似的規(guī)律性。通過水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn),探究不同膠粉摻量、不同膠粉類別對水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度、壓折比指標(biāo)的影響,為膠砂水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)參數(shù)選用奠定基礎(chǔ)。水泥用量分別選用5%、33%,5%水泥用量同水泥穩(wěn)定碎石材料水泥用量接近。膠粉摻量為水泥用量的百分比,具體試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表4 水泥膠砂試驗(yàn)方法參數(shù)

1.2.2 膠粉水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度試驗(yàn)

(1)配合比設(shè)計(jì)。級配類型選用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)表4.5.4中的C-B-1級配,水穩(wěn)碎石混合料合成級配如表5所示。依據(jù)《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 T 0804—1994節(jié)的丙法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),確定混合料的最佳含水量與最佳干密度。設(shè)計(jì)兩組擊實(shí)試驗(yàn),水泥穩(wěn)定碎石及膠粉水泥穩(wěn)定碎石,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,加入膠粉的水泥穩(wěn)定碎石混合料最佳含水量下降,最大干密度增加。

圖1 擊實(shí)曲線

表5 混合料合成級配

(2)抗壓、抗折強(qiáng)度。參照J(rèn)TG E51—2009規(guī)程中相關(guān)試驗(yàn)要求,開展不同膠粉用量、不同齡期的膠粉水穩(wěn)碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度為圓柱體試件,抗折強(qiáng)度采用梁式試件,試驗(yàn)參數(shù)如表6所示。

表6 膠粉水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)

1.2.3 膠粉水泥穩(wěn)定碎石收縮試驗(yàn)

采用φ100 mm×100 mm的圓柱形試件進(jìn)行收縮試驗(yàn),每組制作三個試件。同梁式試件相比,圓柱體試件制作及過程稱重更方便,容易控制試驗(yàn)誤差,試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

(1)干縮試驗(yàn)。試件養(yǎng)生7 d后開始試驗(yàn)。測定初始長度,在待測點(diǎn)用強(qiáng)力膠水粘貼玻璃片,安裝千分表,將千分表清零,如圖2所示。試驗(yàn)溫度控制室內(nèi)處于恒溫狀態(tài)。第1～7天每天記錄數(shù)據(jù),第8～28天每2 d記錄1次數(shù)據(jù),得到精確的失水率和變形量數(shù)據(jù)。

圖2 干縮試驗(yàn)

(2)溫縮試驗(yàn)。試件養(yǎng)生7 d后,放入105 ℃的烘箱烘干12 h至恒重。然后將試件放到干燥通風(fēng)處,至常溫。測量試件的初始長度,安裝千分表放入高低溫交變試驗(yàn)箱,如圖3所示。高低溫交變試驗(yàn)箱的溫度范圍設(shè)置為50～-25 ℃,共6個溫度級別,每級別溫差為15 ℃,降溫速率設(shè)置為1.5 ℃/min,溫度降到設(shè)定級位時保溫2 h,在保溫結(jié)束前5 min內(nèi)讀取千分表讀數(shù)。

圖3 溫縮試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膠粉水泥膠砂強(qiáng)度

2.1.1 不同膠粉類型膠粉膠砂強(qiáng)度

初選8020、8050兩種乳膠粉,制作膠粉水泥膠砂試件(水泥用量5%),膠粉摻量分別為10%、20%、30%、40%,測試試件的7 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,并得到壓折比,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同類型膠粉水泥膠砂試驗(yàn)

在水泥膠砂中加入膠粉,膠粉用量在10%～40%時,膠砂抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都明顯提升,膠粉用量越大,強(qiáng)度提升越高。對比壓折比指標(biāo),8050膠粉水泥膠砂的壓折比小于8020膠粉。壓折比是反映水泥基材料抗裂性的有效指標(biāo),壓折比越低,材料的抗裂性越好。綜合強(qiáng)度及壓折比指標(biāo),選用8050膠粉進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 不同水泥用量膠粉膠砂強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定碎石屬于低水泥用量混凝土材料,對比低水泥用量(5%)、高水泥用量(33%)水泥膠砂試件的強(qiáng)度特性,為水泥穩(wěn)定碎石膠粉用量選用提供技術(shù)參數(shù),不同水泥用量膠粉膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、圖6所示。低水泥用量膠砂試件膠粉用量為10%、20%、30%、40%,高水泥用量膠砂試件膠粉用量為1%、2%、3%、4%。

圖5 低水泥用量(5%)組膠粉膠砂強(qiáng)度及壓折比

圖6 高水泥用量(33%)組膠粉膠砂強(qiáng)度及壓折比

在不同水泥劑量下,膠粉對水泥砂漿的強(qiáng)度影響規(guī)律不同。在低水泥用量時,隨著膠粉用量增加,膠粉水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度均增大;在膠粉用量大于10%時,其壓折比呈顯著下降趨勢。高水泥劑量(33%)時,隨著膠粉摻量的增加,膠砂試件的抗壓、抗折強(qiáng)度均下降。膠砂試件的壓折比在膠粉摻量3%時壓折比最低,抗裂性能最好。對比試驗(yàn)結(jié)果,在低水泥用量的建筑材料中(如水泥穩(wěn)定碎石),膠粉對強(qiáng)度及抗裂性的改進(jìn)效果更為顯著。

2.2 膠粉水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度

2.2.1 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是施工過程中,半剛性基層材料的配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)。不同膠粉摻量水穩(wěn)碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖7所示。

圖7 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

膠粉摻量5%時,膠粉水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度最高,比不摻加膠粉的水泥穩(wěn)定碎石提高9.8%。膠粉摻量10%時,強(qiáng)度略高于不摻膠粉的水泥穩(wěn)定碎石。膠粉摻量超過11%后,膠粉水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度開始下降。綜合考慮7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)性,膠粉摻量 5%、10%是適用的。

2.2.2 不同齡期抗壓強(qiáng)度

膠粉水穩(wěn)碎石混合料(膠粉用量5%、10%)的7、28、90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖8所示。膠粉水泥穩(wěn)定碎石材料隨著齡期增加,強(qiáng)度增長顯著。膠粉摻量5%時,各齡期抗壓強(qiáng)度最高,28、90 d抗壓強(qiáng)度較水泥穩(wěn)定碎石分別提高4.9%、10.4%。

圖8 水穩(wěn)碎石混合料不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.2.3 90 d抗折強(qiáng)度

采用四點(diǎn)彎曲法進(jìn)行抗折試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。加入膠粉后,水穩(wěn)碎石抗折強(qiáng)度和極限變形量均提高,膠粉用量5%、10%時,抗折強(qiáng)度分別提升9.6%、21.7%,彎拉極限變形量分別提升9.0%、19.7%。加入膠粉提高了水穩(wěn)碎石的持荷變形能力,材料的延性增強(qiáng)。水穩(wěn)碎石的抗折強(qiáng)度隨膠粉摻量的增加而不斷提高,與同劑量膠粉下對水穩(wěn)碎石抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律有所不同。這與水穩(wěn)碎石材料的強(qiáng)度特性有關(guān)。水泥穩(wěn)定碎石是由不均勻分布多相物質(zhì)組成的復(fù)合材料,組成相之間存在大量的接觸面,這些接觸面對于壓力不敏感,在受到拉力時則容易被破壞,膠粉加入水穩(wěn)碎石材料后增強(qiáng)了組成相接觸面之間的界面粘結(jié),對于材料的抗折強(qiáng)度有較大的提升作用。

表7 膠粉水穩(wěn)碎石抗折強(qiáng)度

2.3 膠粉水泥穩(wěn)定碎石韌性指標(biāo)

2.3.1 壓縮韌性

韌性一般被定義為材料從加載到失效過程中吸收能量的能力,是綜合材料承載能力與變形能力的指標(biāo),通常以應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積來度量[15]。壓縮韌性可反映基層材料在受壓過程中彈性變形和吸收能量的能力,壓縮韌性數(shù)值越高,水泥穩(wěn)定碎石的彈性性質(zhì)越好。根據(jù)膠粉水泥穩(wěn)定碎石材料的抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,由曲線特征點(diǎn)可獲取壓縮韌性指標(biāo)。膠粉水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。本文中選取應(yīng)力下降到80%峰值應(yīng)力處為特征點(diǎn),計(jì)算不同摻量膠粉組水穩(wěn)碎石材料對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線面積,并以與0膠粉組的面積之比作為壓縮韌性指數(shù),結(jié)果如表8所示。

圖9 膠粉水穩(wěn)碎石無側(cè)限抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表8 膠粉水穩(wěn)碎石壓縮韌性指數(shù)

由表8可知,無膠粉水泥穩(wěn)定碎石的韌性指數(shù)為1,5%膠粉組的28、90 d抗壓韌性指數(shù)分別為1.28、1.19,10%膠粉組的28 d、90 d抗壓韌性指數(shù)分別為1.08、0.94,加入膠粉會提高水泥穩(wěn)定碎石材料的壓縮韌性指數(shù),膠粉摻量5%時,壓縮韌性指數(shù)最大。這是因?yàn)槟z粉聚合物可以填充在骨料接觸界面的空隙中,增大了骨料顆粒之間的接觸面,骨料間的連接增強(qiáng),使得骨料在受壓滑動時既要克服摩擦阻力又要克服粘結(jié)阻力,增加了壓縮時的耗能。并且膠粉聚合物本身彈性模量低,在壓應(yīng)力作用下可以較好地變形從而吸收部分能量。當(dāng)膠粉摻量過多時,膠粉作為表面具有憎水性的有機(jī)高分子材料,與集料、膠結(jié)料等無機(jī)材料的浸潤效果會大大降低,增加體系中的弱粘結(jié)點(diǎn),對水泥穩(wěn)定碎石材料的壓縮韌性不利。

2.3.2 彎曲韌性

彎曲韌性可反映水泥穩(wěn)定碎石的抗裂、抗變形性能,彎曲韌性數(shù)值越高,材料抗裂、抗變形性能越好。計(jì)算彎曲韌性時,把跨中撓度由0增加到L/150(L為跨度)時,荷載-撓度曲線(圖10)所包圍的面積作為韌性指標(biāo),并以與無膠粉水泥穩(wěn)定碎石荷載-撓度曲線的對應(yīng)面積之比作為彎曲韌性指數(shù)。膠粉水穩(wěn)碎石材料的彎曲韌性指數(shù)如表9所示。

圖10 抗折試驗(yàn)荷載-撓度曲線

表9 膠粉水穩(wěn)碎石材料彎曲韌性指數(shù)

加入膠粉后,水穩(wěn)碎石材料的彎曲韌性指數(shù)明顯提高,5%、10%膠粉水泥穩(wěn)定碎石韌性指數(shù)分別提升21.0%、27.0%。水穩(wěn)碎石的彎曲韌性隨膠粉摻量增加而提高,但膠粉摻量由5%增加到10%時彎曲韌性指數(shù)的提升幅度較小。水泥穩(wěn)定碎石材料組成相間的接觸面,是材料受彎破壞時的薄弱點(diǎn),也是阻尼耗能的主要來源。在抗折試驗(yàn)中,試件下部受拉開裂,裂縫向上延伸直至破壞,過程中產(chǎn)生了大量被拉開失效的物相接觸面。膠粉對接觸界面粘結(jié)的增強(qiáng)作用,使得界面被拉開需要的力增大,裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展受到阻滯,材料彎曲韌性得到較大提升。并且由于膠粉較好的柔性,生成的聚合物分散附著在材料中,增強(qiáng)了材料的變形能力。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果,膠粉摻量5%時,水穩(wěn)碎石材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、壓縮韌性、彎曲韌性比不摻膠粉的水泥穩(wěn)定碎石均顯著提高;膠粉摻量10%時,水穩(wěn)碎石材料的彎曲韌性指數(shù)最高,但抗壓強(qiáng)度、壓縮韌性都明顯小于5%膠粉水泥穩(wěn)定碎石。結(jié)合考慮試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)性,5%膠粉摻量是膠粉改性水穩(wěn)碎石的最佳摻量。

2.4 膠粉水泥穩(wěn)定碎石收縮性能

2.4.1 干縮性能

由于蒸發(fā)和內(nèi)部水化作用,混合料的水分不斷減少,發(fā)生毛細(xì)作用、吸附作用等,引起材料毛細(xì)孔隙中的自由水失去而產(chǎn)生體積收縮,這就是干縮。在干縮試驗(yàn)的幾個指標(biāo)中,失水率表示材料的水分減少過程,干縮應(yīng)變表示材料的體積收縮過程,干縮系數(shù)則反映材料抵抗因失水體積收縮的能力,干縮系數(shù)越小,材料的干縮性能越好。采用膠粉摻量5%,制作膠粉水泥穩(wěn)定碎石試件。采集膠粉水泥穩(wěn)定碎石混合料的失水率、干縮變形,試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 干縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖11(a)可知,前7 d混合料總失水率快,7 d后總失水率增長較緩,并在20 d后曲線趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)樗嗨^程主要在前期發(fā)生,水泥水化造成的失水較多。在28 d時水泥穩(wěn)定碎石、膠粉水泥穩(wěn)定碎石混合料總失水率分別為4.5%、3.9%,說明膠粉摻入降低了混合料的失水率。這是因?yàn)槟z粉加入后生成聚合物膜覆蓋在顆粒表面,減少了材料表層的失水面,對水分的遷移和產(chǎn)生阻礙,降低了水泥穩(wěn)定碎石材料的吸附水蒸發(fā)量,并且阻礙了混合料內(nèi)部的水化作用。

由圖11(b)、圖11(c)可知,混合料的總干縮應(yīng)變、總干縮系數(shù)也都是在7 d前增長較快。這是因?yàn)榍捌诨旌狭鲜^多,受到的收縮應(yīng)力較大,并且試件的強(qiáng)度還未形成良好。膠粉水泥穩(wěn)定碎石的總干縮應(yīng)變、總干縮系數(shù)明顯小于未摻加膠粉的水泥穩(wěn)定碎石。總干縮系數(shù)曲線在7 d后就趨于平穩(wěn),在28 d時水泥穩(wěn)定碎石、膠粉水泥穩(wěn)定碎石材料的總干縮系數(shù)分別為131.6×10-6、86.9×10-6。加入膠粉后水泥穩(wěn)定碎石混合料的總干縮系數(shù)下降了34.0%,說明摻入膠粉可以顯著增強(qiáng)水泥穩(wěn)定混合料的干縮性能。這是因?yàn)槟z粉降低了混合料的失水率,減小了混合料為彌補(bǔ)液相體積損失而在宏觀上產(chǎn)生的體積收縮。同時,膠粉聚合物分散在微小孔徑中,堵住或覆蓋了部分毛細(xì)水散失的通道,減小了因毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石因失水內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力時,膠粉聚合物與材料間的黏結(jié)力可以提高其抗拉強(qiáng)度,抵消一部分干縮應(yīng)力。并且膠粉聚合物在顆粒之間形成了具有變形能力的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)(彈性骨架),在材料內(nèi)部可以抵抗由失水產(chǎn)生的收縮變形。

2.4.2 溫縮性能

溫縮是溫度下降時引起材料外部體積變化的現(xiàn)象,水泥穩(wěn)定碎石的溫縮主要受固相(膠結(jié)料、集料)和液相(自由水)的影響。溫縮系數(shù)指單位溫度變化下材料的線收縮系數(shù),溫縮系數(shù)越小,材料的溫縮性能越好。溫縮試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 溫縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖12可知,隨著溫度的降低,混合料的溫縮系數(shù)均下降,這是因?yàn)闇囟仍降蜁r,水分的蒸發(fā)速率越低,水泥穩(wěn)定碎石材料的溫變應(yīng)力越小,并且溫度降低到0 ℃以下后,試件內(nèi)部的自由水開始結(jié)冰膨脹,從而抵消部分溫縮變形。經(jīng)計(jì)算,水泥穩(wěn)定碎石、膠粉水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)分別為6.9×10-6/℃、5.7×10-6/℃,加入膠粉后,水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)下降了17.1%,說明摻入膠粉顯著改善了水穩(wěn)碎石材料的溫縮性能。這是因?yàn)樗嗨磻?yīng)形成的膠結(jié)物和晶體等水化產(chǎn)物感溫性較強(qiáng)[16],溫縮系數(shù)大,而膠粉對水泥的水化具有阻礙作用,減少了水化產(chǎn)物的產(chǎn)生。同時,膠粉摻入后使得混合料的結(jié)構(gòu)更為致密,內(nèi)部空隙變少,使得毛細(xì)管中溫縮系數(shù)大的自由水比例減少。并且膠粉彈性模量小、變形能力強(qiáng),在溫度降低的過程中,膠粉發(fā)生體積變形并吸收內(nèi)部應(yīng)力,從而降低水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)力。

3 微觀機(jī)理分析

3.1 XCT結(jié)果分析

利用Zeiss Xradia 510 Versa型號XCT設(shè)備,對加入膠粉的水泥膠砂試件進(jìn)行3D斷層掃描,并使用三維分析軟件Avizo將其重構(gòu)為三維圖像模型,如圖13、圖14所示。通過軟件的Volume fraction和Label analysis功能,分析膠粉砂漿的孔隙特征。以弗雷特直徑來表征孔徑,將孔隙孔徑按數(shù)量級分為<100 μm(小)、100～1 000 μm(中)、>1 000 μm(大)三檔。膠粉膠砂試樣孔隙率、平均孔徑、不同數(shù)量級孔隙百分比等數(shù)據(jù)如表10、圖15所示。

圖13 膠砂實(shí)體模型

表10 不同摻量膠粉水泥砂漿孔隙特征

由表10可知,膠粉水泥砂漿試樣內(nèi)的孔隙以小檔(<100 μm)和中檔(100～1 000 μm)為主,大檔(>1 000 μm)孔隙的數(shù)量占比較小。加入膠粉,水泥膠砂的孔隙率增大,但孔隙的平均孔徑顯著減小[圖15(a)]。膠粉水泥砂漿平均孔徑、最大孔徑等同膠粉摻量有關(guān),在膠粉摻量較少(1%、2%)時,膠粉水泥砂漿最大孔徑減小,膠粉用量較大時(3%、4%),最大孔徑開始增大。本文中2%膠粉摻量,對應(yīng)的平均孔徑、最大孔徑最小。

由圖15(b)可知,隨著膠粉摻量的增加,小檔孔隙比例逐漸減小,中檔孔隙比例逐漸增大,大檔孔隙比例先減小后增大。說明膠粉的摻入消減了大孔隙,使得膠粉的平均孔徑減小,但膠粉摻量過多時,中大檔孔隙占比開始增多,對孔隙結(jié)構(gòu)不利。原因是膠粉加入后改善了膠砂在流動狀態(tài)下的和易性,使得膠砂在攪拌和振動成型時更加均勻緊密,減少了大孔隙的產(chǎn)生,同時膠粉的引氣作用帶來了許多小氣泡;但當(dāng)膠粉摻量較大時,膠砂的孔隙率較大,內(nèi)部的孔隙由于太過密集而出現(xiàn)了孔隙與孔隙的相連,部分小孔隙連接成了大孔隙,此時,平均孔徑及最大孔徑值均增大。

對膠砂的孔隙率、平均孔徑、大孔占比等指標(biāo)與抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析,部分結(jié)果如圖16、圖17所示?？紫堵逝c平均孔徑是影響膠砂強(qiáng)度的主要因素,孔隙率與膠砂的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度相關(guān)性系數(shù)分別為0.964 9、0.987 8,平均孔徑與膠砂的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度相關(guān)性系數(shù)分別為0.909 6、0.969 2。

圖16 孔隙率與膠砂強(qiáng)度相關(guān)性分析

圖17 平均孔徑與膠砂強(qiáng)度相關(guān)性分析

3.2 SEM結(jié)果分析

采用熱場發(fā)射電子掃描顯微鏡,得到不同膠粉摻量水穩(wěn)碎石膠漿部分的SEM圖片,如圖18所示。

圖18 掃描電鏡微觀圖片

由圖18(a)可知,不摻膠粉組混合料的試樣中,水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠、鈣礬石、氫氧化鈣形成十分完整,在微觀形貌中清晰可見,結(jié)構(gòu)散亂而無規(guī)則,顆粒之間的連接較差,存在較多較大的空隙。而在圖18(b)～圖18(d)中,隨著膠粉摻量的增加,水化產(chǎn)物越來越不可見,大的孔隙和通道被填充包裹,結(jié)構(gòu)變得緊密,并形成網(wǎng)絡(luò)狀的連接結(jié)構(gòu)。在圖18(b)～圖18(c)中可看到一些多孔狀物相,可知其為膠粉中EVA成分在堿環(huán)境下釋放的羥基與Ca2+生成的產(chǎn)物乙酸鈣。

基于強(qiáng)度和性能試驗(yàn),結(jié)合SEM圖片進(jìn)行分析:在加入適量膠粉時,顆粒之間的連接由不加膠粉時晶體互相搭接、交叉攀附的點(diǎn)連接結(jié)構(gòu),變成了通過聚合物膜包裹黏附與水化產(chǎn)物、骨料形成的更為緊密的面連接,增強(qiáng)了界面粘結(jié),使得材料在受彎拉破壞時需要更大的力將界面拉開,從而提高水泥穩(wěn)定碎石材料的抗折強(qiáng)度與彎曲韌性;顆粒狀、片狀聚合物膜有著填充孔隙的作用,提高了結(jié)構(gòu)的致密性,空隙減少則毛細(xì)管中溫縮系數(shù)高的自由水比例減小,對水穩(wěn)碎石的溫縮性能有利;以聚合物膜為橋梁聯(lián)結(jié)水化產(chǎn)物與骨料形成的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)(彈性骨架),可以抵抗由失水產(chǎn)生的收縮變形,對水穩(wěn)碎石的干縮性能有利。膠粉聚合物膜對水泥顆粒的包裹作用,以及膠粉與Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)對Ca2+的消耗,都會對水泥水化造成阻礙,減少了因水泥水化造成的失水,有利于水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能,同時也減少了感溫性好的水化產(chǎn)物的產(chǎn)生,對溫縮性能有利。膠粉加入過量時,水泥水化受到嚴(yán)重阻礙,且生成的完整的較多的聚合物膜彈性模量低、抵抗壓應(yīng)力的能力弱,會對材料的抗壓強(qiáng)度造成不利影響,這一點(diǎn)在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果中得到了充分體現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)不同水泥劑量下,膠粉對水泥砂漿的強(qiáng)度影響規(guī)律不同。在低水泥用量(5%)時,隨著膠粉用量增加,膠粉水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度均增大;高水泥劑量(33%)時,隨著膠粉摻量的增加,膠砂試件的抗壓、抗折強(qiáng)度均下降。在低水泥用量的建筑材料中(如水泥穩(wěn)定碎石材料),膠粉對強(qiáng)度及抗裂性的改進(jìn)效果更為顯著。

(2)膠粉摻量5%時,水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高,比不摻加膠粉的水泥穩(wěn)定碎石提高9.8%。膠粉摻量超過11%后,膠粉水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度開始下降。加入膠粉后,水穩(wěn)碎石抗折強(qiáng)度提高,膠粉用量5%、10%時,抗折強(qiáng)度(90 d)分別提升9.6%、21.7%。

(3)5%膠粉水泥穩(wěn)定碎石(90 d)抗壓韌性指數(shù)為1.19,彎曲韌性指數(shù)為1.21,加入膠粉,對水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能和變形性能增強(qiáng)明顯,同時改善其彈性性質(zhì)。

(4)加入膠粉可以顯著改善水穩(wěn)碎石材料的干縮性能,7 d時水泥穩(wěn)定碎石、膠粉水泥穩(wěn)定碎石材料的總干縮系數(shù)分別為118.3×10-6、69.2×10-6,加入膠粉,水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)下降41.5%;28 d時水泥穩(wěn)定碎石、膠粉水泥穩(wěn)定碎石材料的總干縮系數(shù)分別為131.6×10-6、86.9×10-6,加入膠粉,水泥穩(wěn)定碎石干縮系數(shù)下降34.0%。

(5)加入膠粉可以顯著改善水穩(wěn)碎石材料的溫縮性能,水泥穩(wěn)定碎石、膠粉水泥穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)分別為6.9×10-6/℃、5.7×10-6/℃,加入膠粉,水泥穩(wěn)定碎石溫縮系數(shù)下降17.1%。

(6)XCT圖像分析顯示,加入膠粉改變了水泥膠砂的孔隙特征,減少了大孔的數(shù)量,孔隙率和平均孔徑是影響強(qiáng)度的主要因素。

(7)SEM結(jié)果顯示:膠粉對界面粘結(jié)的增強(qiáng)作用,是材料抗折強(qiáng)度、彎曲韌性提升的主要原因;膠粉提高了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性,對材料的溫縮性能有利;膠粉聚合物膜在材料內(nèi)部形成的網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu),有利于材料的干縮性能;膠粉對水泥水化的阻礙作用,對材料的干縮、溫縮性能有提升作用,但會對材料的抗壓強(qiáng)度造成不利影響。