任中杰，路竣杰，鄒 曉，周用山，王稷良

(1.內(nèi)蒙古經(jīng)烏高速公路管理有限責(zé)任公司，赤峰 025366；2.內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051；3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

目前，水泥穩(wěn)定類半剛性基層材料因具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)[1]，已經(jīng)成為我國(guó)應(yīng)用最為普遍的路面基層材料。但是一些學(xué)者在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于水泥穩(wěn)定碎石基層材料自身的抗變形能力差[2]，在溫度與濕度發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力極易超過(guò)其最大抗拉強(qiáng)度，從而產(chǎn)生收縮裂縫[3]。裂縫在載荷的反復(fù)作用下發(fā)生擴(kuò)展，并反射到面層形成反射裂紋，從而嚴(yán)重影響路面的性能以及使用壽命。針對(duì)水泥穩(wěn)定類材料易引起開(kāi)裂的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量研究。國(guó)內(nèi)外研究者大都認(rèn)為瀝青面層的溫縮裂縫一般都是由其自身的溫度收縮所引起的，而反射裂縫則是由水泥穩(wěn)定類材料的干燥收縮引起的[4,5]。因此，為抑制水泥穩(wěn)定碎石的收縮開(kāi)裂需要降低其干燥收縮。徐鷗明[6]研究發(fā)現(xiàn)水泥水化會(huì)消耗混合料中水，從而導(dǎo)致干燥收縮增大。陸青清[7]研究了脫硫石膏對(duì)水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)石膏一方面能夠置換出鋁酸鈣結(jié)晶所消耗的氫氧化鈣[8]，保證火山灰反應(yīng)的進(jìn)行；另一方面，還能夠?qū)X酸鈣轉(zhuǎn)換為鈣礬石，產(chǎn)生體積膨脹，從而補(bǔ)償收縮。

論文從水泥材料組成出發(fā)，固定碎石級(jí)配為骨架密實(shí)性結(jié)構(gòu)，以水泥熟料、脫硫石膏、石灰石粉、礦渣、粉煤灰為原料，通過(guò)研究石灰石粉摻量、礦渣摻量以及粉煤灰摻量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能以及收縮性能的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)出一種低碳抗裂的路面基層專用水泥，并將該水泥用于穩(wěn)定碎石，研究專用水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能與收縮抗裂性能。最后結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)專用水泥進(jìn)行工程應(yīng)用研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

專用水泥由水泥熟料、礦渣、粉煤灰、脫硫石膏以及石灰石粉按一定比例混合磨制而成。其中，熟料物理性能如表1所示。

表1 水泥熟料物理力學(xué)性能

碎石為4級(jí)配連續(xù)碎石，分別為20～30 mm碎石(1#)、10～20 mm碎石(2#)、5～10 mm碎石(3#)以及0～5 mm石屑(4#)，碎石集料壓碎值為11.4%，石屑的塑性指數(shù)為5，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。其中碎石比例為1#∶2#∶3#∶4#=22∶27∶30∶21，碎石級(jí)配如表2所示。

表2 碎石篩分結(jié)果以及合成級(jí)配 累計(jì)通過(guò)率/%

1.2 方法

1)水泥性能測(cè)試方法

參照標(biāo)準(zhǔn)JTG 3420—2021《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)試水泥的細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、膠砂強(qiáng)度等。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2938—2008《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》測(cè)試水泥的28 d和56 d膨脹率。

2)水泥穩(wěn)定碎石路用性能測(cè)試方法

水泥穩(wěn)定碎石擊實(shí)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量和干縮性能等按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》所述進(jìn)行測(cè)定，其中回彈模量為頂面法。

2 結(jié)果與討論

2.1 低碳抗裂路面基層專用水泥的材料組成設(shè)計(jì)

對(duì)路面基層專用水泥進(jìn)行組分優(yōu)化，對(duì)粉煤灰、石灰石粉及礦粉進(jìn)行協(xié)調(diào)效應(yīng)研究。其中，熟料摻量為15%，脫硫石膏摻量為9%，粉煤灰摻量變動(dòng)范圍為5%、10%、15%，石灰石粉變動(dòng)范圍為2%、4%、6%，其余為礦粉，以路面基層專用水泥的凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能以及28 d、56 d膨脹率進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選出性能最佳、經(jīng)濟(jì)性最好的水泥配比。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)配比 w/%

路面基層專用水泥的凝結(jié)時(shí)間、微膨脹性能以及力學(xué)性能作為其優(yōu)化匹配的具體指標(biāo)，路面基層專用水泥的主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示。

表4 路面基層專用水泥的主要物理性能

表5 路面基層專用水泥抗壓及抗折實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，J1～J9的凝結(jié)時(shí)間均能達(dá)到施工(初凝>3 h，終凝>6 h)的要求，而PC32.5水泥的凝結(jié)時(shí)間明顯過(guò)短。同時(shí)可以看出，水泥的膨脹率可以達(dá)到補(bǔ)償收縮的能力。隨著水泥中石灰石粉與粉煤灰摻量的提高，水泥的凝結(jié)時(shí)間呈現(xiàn)逐漸延長(zhǎng)的趨勢(shì)，在石灰石摻量為6%、粉煤灰摻量為15%的情況下，水泥的初凝時(shí)間約355 min，終凝時(shí)間達(dá)到430 min。水泥的需水量也較為穩(wěn)定，石灰石粉的摻入能夠降低粉煤灰?guī)?lái)的需水量高的負(fù)面效應(yīng)；同時(shí)隨著粉煤灰及石灰石粉摻量的升高，水泥的膨脹率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)；而PC32.5水泥的28 d膨脹值較低，在干縮階段使得水泥的膨脹值為負(fù)值。

由表5可以看出，石灰石粉可以降低粉煤灰的摻入帶來(lái)的水泥早期強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，特別在石灰石粉摻量為2%、粉煤灰摻量為5%的情況下，水泥3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到16.8 MPa， 28 d的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到43.5 MPa，達(dá)到42.5水泥等級(jí)要求。

當(dāng)水泥的膨脹值超過(guò)0.08%時(shí)，水泥的力學(xué)性能就會(huì)遭到劣化，結(jié)合表4及表5的28 d膨脹值及力學(xué)性能就可以得出結(jié)論，水泥的28 d膨脹值應(yīng)在其極限值左右為宜。

綜合考慮水泥的凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能以及膨脹特性，優(yōu)選出基層專用水泥最終配比為J6，即：熟料∶脫硫石膏∶礦粉∶粉煤灰∶石灰石粉=15∶9∶57∶15∶4。

2.2 低碳抗裂路面基層專用水泥穩(wěn)定粒料的路用性能研究

1)水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能研究

(1)水泥對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

路面基層專用水泥(LS)與PC32.5水泥穩(wěn)定材料的3 d、7 d、28 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖1。水泥穩(wěn)定材料中，結(jié)合料劑量為4%，按最佳含水量及最大干密度測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

從圖1可以看出，隨著水化齡期的延長(zhǎng)，水泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加，前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)較為緩慢；對(duì)比路面基層專用水泥與PC32.5兩種水泥穩(wěn)定材料體系，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，但28 d乃至90 d強(qiáng)度前者明顯高于后者，LS的28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到67.7%，90 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率達(dá)到105.8%，遠(yuǎn)高于PC32.5水泥穩(wěn)定基層的抗壓強(qiáng)度。這主要是路面基層專用水泥中存在著大摻量的工業(yè)廢渣，這些工業(yè)廢渣具有火山灰活性，潛在活性在后期得到充分發(fā)揮，因此路面基層專用水泥的力學(xué)性能較好。

(2)水泥穩(wěn)定碎石的回彈模量及劈裂強(qiáng)度

基層專用水泥與PC32.5水泥在28 d、90 d的抗壓回彈模量和劈裂強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 水泥穩(wěn)定碎石的劈裂強(qiáng)度及抗壓回彈模量

從表6可以看出，路面基層專用水泥穩(wěn)定基層的28 d回彈模量及90 d回彈模量均比PC32.5水泥穩(wěn)定碎石低，其剛度相對(duì)較小，另外從28 d、90 d劈裂強(qiáng)度可以看出，路面基層專用水泥穩(wěn)定碎石的效果較好。這主要是因?yàn)閷Ｓ盟喾€(wěn)定碎石在水化早期密實(shí)孔隙，提高了水泥穩(wěn)定材料的抗拉強(qiáng)度。因此可以認(rèn)為路面基層專用水泥具有良好的綜合使用性能。

2)水泥穩(wěn)定碎石基層的干燥收縮性能研究

基層產(chǎn)生的收縮主要是在基層碾壓完成之后，材料中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致的。對(duì)比路面基層專用水泥與PC32.5水泥在4%的摻量下的干燥收縮性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3可以看出，隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥穩(wěn)定材料的失水率增大，累積干縮應(yīng)變也增大，主要是因?yàn)樗值恼舭l(fā)使水泥穩(wěn)定材料發(fā)生收縮及收縮應(yīng)變，水分蒸發(fā)的快慢直接導(dǎo)致了干縮應(yīng)變的大小。因此，失水率越高，應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱?，而LS穩(wěn)定材料與PC32.5穩(wěn)定材料的收縮測(cè)試結(jié)果可以看出，基層專用水泥水化產(chǎn)生的微膨脹能夠有效改善普通水泥存在的干縮問(wèn)題，使用效果良好。

2.3 低碳抗裂路面基層專用水泥工程應(yīng)用研究

研制出的低碳抗裂路面基層專用水泥在赤峰某高等級(jí)公路的路面基層進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)水泥配比采用J6組設(shè)計(jì)配合比。對(duì)路面基層專用水泥穩(wěn)定基層進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，確定試驗(yàn)路段的配合比為：水泥∶碎石=4∶100。基層混合料的最大干密度為2.36 g/cm3，最佳含水量為5.2%(考慮到夏季施工，實(shí)際用水量控制在6.0%左右)。低碳抗裂路面基層專用水泥穩(wěn)定基層的施工工藝與通用水泥穩(wěn)定基層的完全一致。

壓實(shí)后的緩凝微膨脹水泥穩(wěn)定粒料基層的外觀比較密實(shí)平整，基本沒(méi)有粗集料的窩和條帶。養(yǎng)生7 d后可鉆取完整芯樣。試驗(yàn)段施工完畢后，對(duì)其性能作了相關(guān)檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 基層試驗(yàn)路段相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)

從工程實(shí)驗(yàn)段的鉆芯取樣情況來(lái)看：水穩(wěn)基層材料表面致密均勻，表現(xiàn)出很好的填充性，能形成密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)，芯樣外觀完整，整體性好。使用緩凝微膨脹水泥后，路面的底基層和基層表面致密，無(wú)明顯離析現(xiàn)象，水泥表現(xiàn)出良好的填充性能，在鋪筑面層前試驗(yàn)路段未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，表現(xiàn)出良好的抗裂性。緩凝微膨脹水泥路面基層良好的抗裂性源于它和普通的水泥穩(wěn)定粒料路面基層相比具有如下特點(diǎn)：收縮系數(shù)小、水化過(guò)程持續(xù)穩(wěn)定、水化物組成的改善、力學(xué)特性改善。

在試驗(yàn)段施工后對(duì)專用水泥穩(wěn)定基層試驗(yàn)路段進(jìn)行了裂縫觀測(cè)，如表8所示，800 m施工段面上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的橫向裂縫。在使用一個(gè)冬天后，專用水泥穩(wěn)定基層基本未出現(xiàn)裂縫，和以往采用普通水泥穩(wěn)定基層使用一個(gè)冬天后的開(kāi)裂情況相比，具有明顯的抗裂效果。

表8 反射裂縫平均間距統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 論

a.從專用水泥的凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能以及膨脹性能著手研究，對(duì)其各組分進(jìn)行優(yōu)化，最終確定低碳抗裂路面基層專用水泥的最佳配比為脫硫石膏∶礦粉∶熟料∶粉煤灰∶石灰石粉=9∶57∶15∶15∶4。

b.通過(guò)對(duì)比專用水泥與PC32.5水泥穩(wěn)定基層的力學(xué)性能與抗收縮開(kāi)裂性能發(fā)現(xiàn)，兩者7 d強(qiáng)度相近，但后期前者的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升更大；專用水泥穩(wěn)定材料的干縮應(yīng)變顯著低于PC32.5水泥穩(wěn)定材料，抗開(kāi)裂能力更強(qiáng)。

c.工程應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)出的專用水泥穩(wěn)定碎石基層材料性能良好，微膨脹補(bǔ)償收縮作用表現(xiàn)明顯，瀝青面層在經(jīng)過(guò)一個(gè)冬天后未見(jiàn)反射裂縫，抗裂效果明顯。