劉后林 鄧勤波 單翔宇

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074;2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430077)

水泥穩(wěn)定碎石材料是以具有一定級(jí)配的碎石作為骨料，并結(jié)合膠凝材料(如水泥等)和一定量的灰漿體積來填充其空隙，主要依靠碎石與碎石之間的嵌擠原理形成的具有一定力學(xué)強(qiáng)度和密實(shí)度的混合料。因?yàn)樗嗟淖饔茫涑跗趶?qiáng)度一般較高，并且隨著齡期的增加，其強(qiáng)度很快增加并形成一個(gè)整體，因而整體強(qiáng)度較高，且通過多年工程的檢驗(yàn)，水泥穩(wěn)定碎石同樣具有較好的抗?jié)B度和抗凍性。因?yàn)槠漭^好的力學(xué)性能，在道路工程尤其是半剛性瀝青路面的基層中得到廣泛推廣和使用。但從實(shí)際效果來看，很多道路在使用過程中也出現(xiàn)了諸如裂縫、滲水等問題，并隨著使用年限的增加問題日趨嚴(yán)重，這是由于水泥穩(wěn)定碎石在路用性能上的不足所致。因而有必要對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能進(jìn)行研究，本文通過增加兩種添加劑(膨脹劑和減縮劑)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響展開研究，并得出了相關(guān)規(guī)律，提出了抗裂方法。

1 水泥穩(wěn)定碎石基本抗裂措施和材料綜述

國(guó)內(nèi)外道路工作者在如何預(yù)防水泥穩(wěn)定碎石的裂縫問題開展了很多研究，針對(duì)路面的水泥穩(wěn)定碎石基層而言，其防裂措施一般有三個(gè)方面:1)改善路面結(jié)構(gòu)形式，如增加上面層的瀝青層厚度;2)采用一些結(jié)構(gòu)預(yù)防措施，如采用應(yīng)力吸收層，如添加級(jí)配碎石、采用SAMI層等措施;3)從改善水泥穩(wěn)定碎石的性能入手，如在保證強(qiáng)度的前提下盡量減少水泥的用量、嚴(yán)格控制碾壓時(shí)的含水量和加入一些添加劑等措施。很顯然，前兩種措施雖然效果明顯，但成本較高，最經(jīng)濟(jì)的措施還是改善水泥穩(wěn)定碎石自身的力學(xué)性能。

近些年來，許多道路工作者在水泥穩(wěn)定碎石中通過摻外加劑來改善其抗裂性能作了大量研究，但是對(duì)于選擇添加劑的種類、配比等，并未達(dá)成一致的結(jié)論。根據(jù)已有研究，需先對(duì)各種不同抗裂材料的特點(diǎn)進(jìn)行了解，評(píng)估其經(jīng)濟(jì)成本，方能正確的指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石材料添加劑的選擇方案。

1.1 粉煤灰

粉煤灰是一種常用的路用材料，它是用空氣把煤粉高速吹進(jìn)電廠鍋爐，燃燒后生成的并從煙氣中收集的粉狀灰粒，國(guó)外稱其為“飛灰”(Fly Ash)或者稱其為“磨細(xì)燃料灰”(PFA)。粉煤灰的化學(xué)成分以 SiO2和 A12O3為主，此外還含有 Fe2O3，MgO，SO3，CaO等。粉煤灰顆粒粒徑主要分布在0.5 μm～300 μm范圍內(nèi)，其密度一般為 1.77 g/cm3～2.43 g/cm3。

粉煤灰摻入水泥穩(wěn)定碎石后，發(fā)生的效應(yīng)一般有形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)三項(xiàng)基本效應(yīng)。其改善水泥穩(wěn)定碎石抗裂性的機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面:1)由于粉煤灰具有的玻璃微珠形態(tài)起到“滾珠”作用，減小了水泥顆粒間的相對(duì)滑移時(shí)的阻力，進(jìn)而增大了漿體的流動(dòng)度，從而降低了水泥穩(wěn)定碎石混合料的需水量，減小了干縮;2)由于粉煤灰能較快的吸收水泥水化生成的氫氧化鈣，從而大大減弱水泥穩(wěn)定碎石混合料中的碳化作用，同時(shí)也降低了碳化過程中產(chǎn)生的收縮作用;3)粉煤灰本身溫縮性能比較小，同時(shí)能降低水泥水化過程中的水化熱，縮小了水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部和外部的溫度差，從而會(huì)減緩其開裂的時(shí)間和速度;4)由于粉煤灰會(huì)發(fā)生火山灰效應(yīng)，能大大增加水泥穩(wěn)定碎石中的膠凝物的數(shù)量，從而填滿其間顆粒的縫隙，增加水泥穩(wěn)定碎石的后期抗拉強(qiáng)度和抗裂性，使整體結(jié)構(gòu)變得更加緊密和結(jié)實(shí)。此外，粉煤灰代替部分水泥可以減少懸浮結(jié)構(gòu)中的孔隙，從而在最大限度內(nèi)以顆粒接觸為主，而顆粒的壓縮與孔隙中的氣體壓縮相比要小的多，所以表現(xiàn)出宏觀上的溫度收縮應(yīng)變較小。

但是，近幾年的實(shí)踐表明:1)粉煤灰用量太大，導(dǎo)致早期強(qiáng)度低，收縮大，增加了施工難度，且施工拌和均勻性較差，強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明離散性較大。2)集料級(jí)配偏細(xì)，后期橫向裂縫較多。3)配合比使用隨意性大，粉煤灰摻法(內(nèi)摻和外摻)比較混亂。

由于水泥穩(wěn)定碎石是一種水灰比大和空隙率大(達(dá)8%)的材料，采用外摻粉煤灰能起到一定的填隙作用，可以改善水泥穩(wěn)定碎石中碎石的級(jí)配，增加水泥穩(wěn)定碎石的最大干密度、早期和后期強(qiáng)度以及抗裂性(見表1，圖1)。

表1 水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配

1.2 纖維

目前，在路用水泥混凝土中使用較為廣泛的纖維主要有碳纖維、鋼纖維、玻璃纖維和聚丙烯纖維。在摻加鋼纖維添加劑以后，由于單絲纖維的重重分布，可以在混合料內(nèi)部形成大量的亂向分布的網(wǎng)狀承托系統(tǒng)，起到襯托骨架的作用，從而減少離析作用。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部發(fā)生收縮時(shí)，由于纖維具有微細(xì)配筋的作用，會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，消耗掉材料收縮的內(nèi)部能量，從而克服水泥穩(wěn)定碎石的塑性裂縫。但是鋼纖維混凝土生產(chǎn)成本較高，從而使之大面積的推廣受到一定程度的抑制。

1.3 減縮劑

路用材料的減縮劑主要是由聚醚或聚醇類有機(jī)物或它們的衍生物組成。其作用機(jī)理是對(duì)水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部的孔隙水發(fā)生作用，降低孔隙水的表面張力，在混凝土干縮過程中，孔隙水內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)收縮壓力，而減縮劑的存在，使得其收縮壓力大大降低，據(jù)有關(guān)研究，減縮劑對(duì)一般水泥混凝土干縮率的減輕程度可達(dá)20%～30%。因?yàn)閷?duì)于某些養(yǎng)護(hù)比較困難的路用材料，減縮劑能發(fā)揮較好作用。我國(guó)也研制了許多性能較好的減縮劑，其摻量一般在1%～3%，但是由于其實(shí)際工程中的應(yīng)用不多，因而實(shí)際效果和長(zhǎng)期的抗裂性能方面還需在實(shí)際工程中多做觀察和研究，目前大范圍推廣也存在一定的局限性。

1.4 膨脹劑

膨脹劑的使用，最初見于膨脹水泥。路用材料中常見的膨脹劑分為硫鋁酸鈣類、氧化鈣類和氧化鎂類。其主要作用機(jī)理是從改善混凝土的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。在混凝土中添加膨脹劑以后，會(huì)與水泥水化反應(yīng)生成一種叫鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)的物質(zhì)，使水泥穩(wěn)定碎石發(fā)生性能上的變化。鈣礬石在水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部產(chǎn)生體積膨脹，可以構(gòu)建一定的預(yù)壓應(yīng)力(一般為0.2 MPa～0.7 MPa)，大大改善內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，從而使其抗裂性能得到提高。

同時(shí)，鈣礬石膨脹后，將填充和堵塞水泥穩(wěn)定碎石的內(nèi)部空隙，降低了孔隙水的毛細(xì)作用及水泥穩(wěn)定碎石的總體空隙率，可在潮濕的環(huán)境中保持50個(gè)～200個(gè)微應(yīng)變的膨脹狀態(tài)，保持一定的干縮狀態(tài)，推遲收縮產(chǎn)生的時(shí)間，使混凝土具有更長(zhǎng)的時(shí)間增長(zhǎng)其抗拉強(qiáng)度，從而抑止裂縫的發(fā)生。

2 摻膨脹劑和減縮劑后水泥穩(wěn)定碎石混合料的力學(xué)性能

綜上所述，在以上三種抗裂材料中，膨脹劑和減縮劑所需的摻量較小，抗裂效果較好，經(jīng)濟(jì)成本也較低，施工過程也比較好控制，適合廣泛推廣和使用。不同的摻量和配比的膨脹劑與減縮劑對(duì)于改善水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能有所不同。本實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比為5∶100，水泥采用道路工程常用的32.5號(hào)緩凝硅酸鹽水泥混凝土。骨料的最大公稱粒徑為19 mm，膨脹劑和減縮劑的含量分別為水泥質(zhì)量的7%和2%，其配合比分別為5∶100∶0.5和5∶100∶0.1，通過室內(nèi)試驗(yàn)，確定了摻加膨脹劑和減縮劑對(duì)混凝土最大干密度和最佳含水量的影響規(guī)律，并按《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2，表3。

表2 三種混合料擊實(shí)結(jié)果

表3 水泥穩(wěn)定碎石7 d強(qiáng)度結(jié)果匯總

從圖2可以看出，摻加膨脹劑和摻加減縮劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量和最大干密度的影響規(guī)律并不一致。摻加膨脹劑后，混凝土的最佳含水量和最大干密度并無明顯影響;而摻加減縮劑以后，混凝土的最佳含水量和最大干密度均有明顯變化:最佳含水量下降明顯，而最大干密度則大幅度減小。

究其原因，因?yàn)闇p縮劑是表面活性物質(zhì)，能大幅度降低水的表面張力，具有分散、潤(rùn)濕作用，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部減水明顯和水泥穩(wěn)定碎石的漏漿、離析。同時(shí)，減縮劑具有引氣作用，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水量造成了較大影響。

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可歸納分析得到如下結(jié)論:

1)摻加一定量的膨脹劑后，水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能有明顯變化，主要表現(xiàn)在其7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降。作為一個(gè)力學(xué)整體的水泥穩(wěn)定碎石在添加膨脹劑以后，處于無約束的自由膨脹狀態(tài)，而且膨脹劑在與水泥和水泥穩(wěn)定碎石的孔隙水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的鈣礬石自由膨大，體積增長(zhǎng)較快，因而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度有所下降。2)摻加一定量膨脹劑以后，水泥穩(wěn)定碎石的另一力學(xué)性能指標(biāo)——劈裂強(qiáng)度有明顯改善。分析其原因，主要是添加膨脹劑以后，與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石并結(jié)晶，而且鈣礬石的分布及大小發(fā)生變化，顆粒體積變小，分布比較密集，從而使得集料—膠體之間的空隙率得到改善，而影響劈裂強(qiáng)度的主要因素是膠體與集料之間的粘結(jié)力，與骨料之間的嵌鎖能力無太大關(guān)系。3)摻加一定量減縮劑以后，水泥穩(wěn)定碎石的總體力學(xué)性能改善明顯——7 d劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均提高明顯。分析其原因，在于加入減縮劑以后，改善了水泥的水化條件，分散了水泥與水之間的絮凝結(jié)構(gòu);另一方面，由于減縮劑使得水泥穩(wěn)定碎石集料—膠體之間產(chǎn)生表面張力，從而改善了水泥與水的接觸條件，使得水泥顆粒的水化面積大幅增加。4)添加一定量的膨脹劑和減縮劑后的水泥穩(wěn)定碎石，其破壞拉伸應(yīng)變和拉壓比均有增加，其中破壞拉伸應(yīng)變變化比較顯著(提高1倍以上)。說明添加劑對(duì)水泥穩(wěn)定碎石脆性的提高具有明顯效果，因而達(dá)到改善水泥穩(wěn)定碎石抗裂性能的作用。

4 結(jié)語

水泥穩(wěn)定碎石具有較高的力學(xué)性能，但如何增加其抗裂性能是一個(gè)難題。在工程實(shí)踐中，要綜合考慮設(shè)計(jì)、施工工藝、材料及養(yǎng)護(hù)等多個(gè)方面。添加外加劑來提高水泥穩(wěn)定碎石的抗裂性能經(jīng)濟(jì)成本較低，適合大范圍推廣，而且具有良好的施工和易性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來，可進(jìn)一步開展其他類型的抗裂材料如粉煤灰與聚丙烯纖維的復(fù)合、聚丙烯纖維和膨脹劑的復(fù)合等對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能影響的研究。

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