李艷春 李 俠 張 攀

（河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 天津 300401）

水泥穩(wěn)定碎石是目前高等級公路最常用的一種半剛性基層材料，水泥穩(wěn)定碎石具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度、抗凍能力強(qiáng)、水穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)，較適應(yīng)現(xiàn)代重型交通的要求［1］.但水泥穩(wěn)定碎石的抗溫縮和干縮性能較差，容易產(chǎn)生收縮裂縫，在車輛荷載和環(huán)境因素的作用下，裂縫會延伸至路面面層，使路面結(jié)構(gòu)的承載能力降低，路面使用壽命縮短.水泥穩(wěn)定碎石混合料收縮機(jī)理是水泥穩(wěn)定碎石混合料成型過程中，由于蒸發(fā)和混合料內(nèi)部發(fā)生水化作用，混合料的水份不斷減少，因而發(fā)生毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間力的作用，材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等，引起水泥穩(wěn)定碎石材料產(chǎn)生體積收縮［2－3］.本文依據(jù)水泥穩(wěn)定碎石混合料收縮機(jī)理，研究摻加膨脹劑和聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的改善作用，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究膨脹劑和聚丙烯纖維改善水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的作用機(jī)理和效果，以期得到對工程實(shí)踐有指導(dǎo)意義的結(jié)果.

1 原材料性能測試

1.1 水泥穩(wěn)定碎石原材料

1）水泥 本試驗(yàn)采用唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P.O42.5水泥，其主要指標(biāo)見表1.

表1 水泥主要性能指標(biāo)

2）碎石集料 本試驗(yàn)碎石集料采用唐山豐潤碎石，最大粒徑選為31.5 mm.碎石級配采用文獻(xiàn)［5］中的骨架密實(shí)型級配范圍中值，級配組成如表2.

表2 集料級配組成

1.2 添加劑材料

1）膨脹劑 膨脹劑選用北京鑫宏光建材有限公司生產(chǎn)的WDN 型粉劑，試驗(yàn)指標(biāo)見表3.

表3 膨脹劑技術(shù)性能指標(biāo)

2）聚丙烯纖維 本試驗(yàn)選用常州利爾德通新材料科技有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)韌牌XDF 聚丙烯單絲纖維，纖維長度為25mm，截面形式為Y 形，其物理性能見表4.

表4 聚丙烯纖維物理性能

2 干縮性能試驗(yàn)分析

2.1 試件制備

根據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果確定的最大干密度和最佳含水量，用靜壓法成型試件；干縮性能試驗(yàn)采用100mm×100 mm×400 mm 的梁式試件.試件脫模后立即移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，至養(yǎng)護(hù)期的最后一天，將試件浸水一晝夜.

以水泥劑量4%（外摻），膨脹劑摻量4%，7%，10%（占水泥質(zhì)量）、聚丙烯纖維體積摻量0.7%，0.9%，1.1%進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，綜合考慮路用性能和經(jīng)濟(jì)性，得出膨脹劑最佳摻量為7%，纖維最佳體積摻量為0.7%.為了比較摻與不摻添加劑的水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能，本試驗(yàn)增加了一組不摻添加劑的基準(zhǔn)配合比，三組配合比的重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 干縮性能試驗(yàn)

依據(jù)文獻(xiàn)［7］對3組水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行28d齡期的干縮性能試驗(yàn)，干縮應(yīng)變采用千分表法測定.

累計(jì)干縮應(yīng)變、平均干縮系數(shù)與齡期的關(guān)系，如圖1～2.膨脹劑、聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石各齡期的累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)均明顯小于不加添加劑的基準(zhǔn)水泥穩(wěn)定碎石.當(dāng)齡期為28d時，膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、平均干縮系數(shù)比基準(zhǔn)配合比降低了59.1%，57.5%，纖維水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、平均干縮系數(shù)比基準(zhǔn)配合比降低了17.9%，18.1%，這說明膨脹劑、纖維的加入顯著改善了水泥穩(wěn)定碎石的干縮抗裂性能.膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石初期累計(jì)干縮應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，說明初期出現(xiàn)膨脹變形，后期出現(xiàn)干縮變形，且隨著齡期的增加而增加.

圖1 累計(jì)干縮應(yīng)變與齡期關(guān)系

圖2 平均干縮系數(shù)與齡期關(guān)系

累計(jì)干縮應(yīng)變、平均干縮系數(shù)與累計(jì)失水率的關(guān)系，如圖3～4.隨著失水率的增加，基準(zhǔn)配合比和聚丙烯纖維水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)逐漸增大，當(dāng)失水率小于2.0%時，累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)隨失水率的增加變化較為平緩，當(dāng)失水率超過2.0%后，累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)急劇增大；膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)隨著失水率的增加先減小后增大.

圖3 累計(jì)干縮應(yīng)變與累計(jì)失水率關(guān)系

圖4 平均干縮系數(shù)與累計(jì)失水率關(guān)系

3 膨脹劑、聚丙纖維對水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響

3.1 膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響

3.1.1 膨脹劑的作用機(jī)理 膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石的抗裂機(jī)理主要可以從補(bǔ)償收縮和微結(jié)構(gòu)作用2個方面解釋.

1）補(bǔ)償收縮作用 膨脹劑的主要功能是補(bǔ)償收縮［8］.依據(jù)吳中偉院士提出的補(bǔ)償收縮理論，膨脹劑對水泥穩(wěn)定碎石的抗縮裂的作用主要來自于膨脹劑與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O）晶體時，固相體積產(chǎn)生的膨脹力抵消水泥穩(wěn)定碎石材料由失水干縮引起的毛細(xì)管張力、吸附水及分子間力，從而減小水泥穩(wěn)定碎石由收縮應(yīng)力而引起的體積收縮.

筆者認(rèn)為膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用是有限的，一般鈣礬石在有限制的條件下，在水泥混凝土中產(chǎn)生的體積膨脹應(yīng)力為0.2～0.7MPa.由于在水泥穩(wěn)定碎石中水泥劑量及含水量較水泥混凝土石中水泥劑量及含水量小很多，其中水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成鈣礬石晶體量有限，所以固相體積產(chǎn)生的膨脹力很有限.

另外膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用具有時效性，有資料表明：鈣礬石膨脹主要發(fā)生在7d以前，后期膨脹效果較差［9］.這是因?yàn)樗嗟乃a(chǎn)物Ca（OH）2中C3S（硅酸三鈣）含量多，且水化反應(yīng)較快，C2S（硅酸二鈣）含量少，且水化反應(yīng)較慢.因此初期，水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2與膨脹劑反應(yīng)生成鈣礬石晶體的速度較快，補(bǔ)償干燥收縮能力增強(qiáng)；后期生成的鈣礬石晶體量少，膨脹效果較差，補(bǔ)償干燥收縮能力也差.

2）微結(jié)構(gòu)作用 膨脹劑有填充和細(xì)化孔隙的作用［10］.膨脹劑的水化產(chǎn)物填充于水泥水化產(chǎn)物未能填充的孔隙中，使水泥穩(wěn)定碎石孔隙率減小、孔徑細(xì)化，改變了水泥穩(wěn)定碎石微結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥穩(wěn)定碎石的密實(shí)度，使水泥穩(wěn)定碎石中毛細(xì)管作用、層間水的蒸發(fā)及碳化脫水作用減小，水泥穩(wěn)定碎石的體積收縮量減小.

3.1.2 膨脹劑作用效果分析 圖3和圖4的結(jié)果顯示膨脹劑水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)隨著累計(jì)失水率的增加先減小后增大，其原因?yàn)槭瘦^小時，水泥穩(wěn)定碎石材料由失水干縮引起的毛細(xì)管張力、吸附水及分子間力較小，膨脹劑與Ca（OH）2反應(yīng)生成鈣礬石晶體的固相體積的膨脹作用足以補(bǔ)償水泥穩(wěn)定碎石因水分蒸發(fā)而引起的體積收縮，累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)降低.當(dāng)失水率不斷增加時，膨脹劑反應(yīng)生成鈣礬石固相體積的膨脹作用不足以補(bǔ)償水泥穩(wěn)定碎石因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的體積收縮，從而使累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)逐漸增大.

3.2 纖維對水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響

3.2.1 纖維的作用機(jī)理

1）水分遷移 在水泥穩(wěn)定碎石中加入纖維后，增加了材料中固相的內(nèi)表面積，纖維本身的潤濕作用也吸附了部分水，從而減少了泌水孔隙，改變了水泥和集料間過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)；由于堵塞了材料孔隙中的毛細(xì)管道，內(nèi)部水分遷移困難，毛細(xì)管張力減小，從而使基層材料的體積收縮減小.

2）復(fù)合材料理論 摻聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石屬于短纖維亂向復(fù)合材料，亂向分布短纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度由基體和纖維的抗拉強(qiáng)度疊加而成.使其穩(wěn)定碎石復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度增大，抵消大部分因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，使水泥穩(wěn)定碎石中的裂縫程度減輕.

3）纖維間距理論 在拉應(yīng)力作用下，水泥穩(wěn)定碎石中摻入的聚丙烯纖維與基體的粘結(jié)力使裂縫尖端產(chǎn)生一個與基體相反的應(yīng)力場和應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而使裂縫尖端的應(yīng)力集中減弱，總應(yīng)力強(qiáng)度因子減小，抑制了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展.

3.2.2 纖維作用效果分析 從圖1和圖2的結(jié)果可知纖維水泥穩(wěn)定碎石的累計(jì)干縮應(yīng)變、平均干縮系數(shù)比基準(zhǔn)配合比降低了17.9%，18.1%；雖然纖維對水泥穩(wěn)定碎石的干縮抗裂性能有顯著的改善，但由于纖維對水泥穩(wěn)定碎石的作用機(jī)理屬于物理作用，所以效果不如具有化學(xué)作用機(jī)理的膨脹劑效果好.從圖3圖4的結(jié)果可知當(dāng)失水率小于2.0%時，累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)隨失水率的增加變化較為平緩，當(dāng)失水率超過2.0%后，累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)急劇增加；筆者認(rèn)為這一現(xiàn)象可以解釋為失水率很大時纖維的潤濕作用減弱，毛細(xì)管張力增大，且纖維承受大的拉力時會出現(xiàn)拉斷或拔出，使纖維的加筋作用減弱，導(dǎo)致干縮變形增大、累計(jì)干縮應(yīng)變和平均干縮系數(shù)急劇增加.

4 結(jié) 論

1）摻加膨脹劑、聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定碎石的干縮抗裂性能有顯著的改善.相比較而言，摻加膨脹劑的效果優(yōu)于摻加聚丙烯纖維的效果.

2）對于摻加膨脹劑、聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石，當(dāng)累積失水率大于2.0%時，累積干縮應(yīng)變或平均干縮系數(shù)增長迅速，施工中應(yīng)注意控制累積失水率值的變化.

3）聚丙烯纖維和膨脹劑在水泥穩(wěn)定碎石中的作用機(jī)理不同，其防止裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的作用過程和效果有很大差異，工程使用中應(yīng)注意二者的使用條件.

4）基于干縮系數(shù)、干縮應(yīng)變等抗裂評價指標(biāo)對摻膨脹劑和摻纖維的水泥穩(wěn)定碎石材料抗收縮裂縫性能好壞程度的評價是一種間接的評價方法，可以利用裂縫形態(tài)指標(biāo)（裂縫寬度、長度）和裂縫密度來進(jìn)行直接評價，綜合兩種評價方法會得到更滿意的結(jié)果.

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