田倍絲,郭昱辰,冀冠宇,廖巍崴,馬江濤,張海濤,王選倉
(1.長安大學(xué),陜西 西安 710061;2.中交第三公路工程局有限公司,山東 濱州 256600;3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
由于水泥穩(wěn)定碎石具有良好的穩(wěn)定性、板體性及強(qiáng)度,被廣泛應(yīng)用于各等級(jí)的道路基層[1-3]。但是在我國北方的內(nèi)蒙古自治區(qū)等寒冷地區(qū),由于干燥、寒冷時(shí)間長、晝夜溫差大等不良?xì)夂蛱攸c(diǎn),這種惡劣自然環(huán)境會(huì)造成水泥水化緩慢,難以形成強(qiáng)度。不僅延長工期、提高了施工成本,后期的力學(xué)性能和耐久性能也無法得到有效保障[4]。
早強(qiáng)劑是一種可以通過調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)和硬化速度來改變混凝土早期強(qiáng)度的外加劑。早強(qiáng)劑大致可分為3類[5]:第1類為無機(jī)鹽類,包括氯化物、硫酸鹽等;第2類為有機(jī)鹽類,包括TEA、尿素、三異丙醇胺等;第3類為化合物類,包括有機(jī)物和無機(jī)物組成的化合物。其中無機(jī)鹽是最早的一類早強(qiáng)劑具有良好的早強(qiáng)效果[6],但腐蝕鋼筋、與水泥適應(yīng)性差的特點(diǎn),致其使用范圍受到極大的限制[7-8]。有機(jī)鹽類早強(qiáng)劑雖然不會(huì)對(duì)混凝土等材料造成損害,但由于其具有反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、早強(qiáng)作用與規(guī)律難以把握、價(jià)格昂貴等特點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中也未受到廣泛應(yīng)用[9]。由于無機(jī)鹽類和有機(jī)鹽類早強(qiáng)劑均存在缺陷和不足,因此開發(fā)新型的高效早強(qiáng)劑一直是研究熱點(diǎn)。將無機(jī)鹽早強(qiáng)劑和有機(jī)鹽早強(qiáng)劑復(fù)配,往往比單一組分的早強(qiáng)劑具有更好的效果,并且能夠改善單一組分的不足,減小各組分的不良影響[10]。
近年來,國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)早強(qiáng)劑進(jìn)行了研究:瑞士、奧地利研制的西卡速凝早強(qiáng)劑,其主要成分為硅酸鈉[11-12]。保加利亞研制的速凝早強(qiáng)劑主要成分為碳酸鈉[13-14]。日本的早強(qiáng)劑以鋁酸鈉、碳酸鹽、鋁化物等為主要成分[15-16]。都蓉蓉等、雷西萍[17-18]將有機(jī)早強(qiáng)劑、無機(jī)早強(qiáng)劑及聚羧酸化合物進(jìn)行復(fù)配,制備了復(fù)配早強(qiáng)減水劑,研究表明,有機(jī)早強(qiáng)組分與無機(jī)早強(qiáng)組分的復(fù)配能起到耦合疊加作用。王奕仁等[19]研究發(fā)現(xiàn),氟氯酸鈣加入水泥可以大量消耗熟料中的石膏,生成CH并促進(jìn)C3S、C2S的溶解,反應(yīng)生成鈣礬石,促進(jìn)漿體的硬化和結(jié)構(gòu)的形成,起到早強(qiáng)的作用。湯青青等[20]、羅麒等[21]研究了TEA、氫氧化鈣對(duì)OPC-FA的改性,研究表明,TEA與CH組合能保證促進(jìn)水泥水化反應(yīng)進(jìn)程的同時(shí)降低水化熱,TEA還可以腐蝕粉煤灰表面激發(fā)粉煤灰活性,從而提高材料的早期強(qiáng)度。江嘉運(yùn)等[22]發(fā)現(xiàn),聚羧酸、丙烯酰胺基、甲基丙磺酸復(fù)配的外加劑能有效調(diào)節(jié)水泥的流動(dòng)性與凝結(jié)時(shí)間。
目前,我國最常用的早強(qiáng)劑主要為氯化物系、硫酸鹽系、有機(jī)物系及復(fù)合早強(qiáng)劑[23]。其中硫酸鹽早強(qiáng)劑研究最為廣泛,主要集中在NS及其復(fù)合早強(qiáng)劑的組成、工藝及早強(qiáng)效果研究[24-25]。而復(fù)合早強(qiáng)劑如果復(fù)配量合理,相比單一組分的早強(qiáng)劑,可以更好地提高水泥基材料的綜合性能,降低或消除單一組分早強(qiáng)劑帶來的負(fù)面影響。
在內(nèi)蒙古高寒地區(qū)早強(qiáng)劑普遍存在效果差、價(jià)格高等缺點(diǎn)[26-27]。故本研究針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)晝夜溫差大且長期處于寒凍狀態(tài)的特點(diǎn),通過NS與TEA復(fù)摻,根據(jù)水泥穩(wěn)定碎石的1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)篩選出3種復(fù)配摻量,然后通過干縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)、溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)一步選出滿足工程應(yīng)用的最佳摻量組。并通過SEM和XRD分析了早強(qiáng)劑的作用機(jī)理。
(1)水泥:根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》選用P·O32.5散裝水泥。
(2)集料:石灰?guī)r,呼和浩特大青山石料廠,按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》實(shí)測壓碎值為17.6%,針片狀含量為3.0%~5.5%。
(3)早強(qiáng)劑:三乙醇胺[(HOCH2CH2)3N,TEA],分析純,淡黃色液體、弱堿性、有氨味、無毒、不易燃燒,天津永晟精細(xì)化工有限公司生產(chǎn);無水硫酸鈉(Na2SO4,NS):白色、苦味粉末,天津鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn)。
(1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試:按照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料圓柱形試件制作方法,制作尺寸為φ15 cm×15 cm的試件,每組摻量制備13個(gè)試件。稱取集料并加入一半的水進(jìn)行悶料,將早強(qiáng)劑按設(shè)計(jì)摻量加入另一半水中,3 h后加入水泥及剩余水拌合,拌合好后用2000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)加載壓入試模內(nèi),5 min后卸載,4 h后脫模,在溫度為25℃,相對(duì)濕度大于95%的條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期,采用山東路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的YE-2000B型數(shù)顯混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。
(2)干縮應(yīng)變和失水率測試:按照J(rèn)TG E51—2009,制備100 mm×100 mm×400 mm的試件,每組6個(gè)試件,3個(gè)用于測試干縮應(yīng)變,3個(gè)用于測試失水率。試驗(yàn)在溫度(20±1)℃、相對(duì)濕度(60±5)%的養(yǎng)護(hù)室安裝后進(jìn)行干縮應(yīng)變?cè)囼?yàn),開始7 d每天記錄變形和質(zhì)量,之后的7~30 d期間,每2天記錄1次變形及質(zhì)量。
(3)溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn):按照J(rèn)TG E51—2009,制備尺寸100 mm×100 mm×400 mm的試件,試驗(yàn)?zāi)M內(nèi)蒙古中部地區(qū)環(huán)境,溫度區(qū)間為-15~35℃,以每10℃為1個(gè)溫度區(qū)間,共6個(gè)溫度試驗(yàn)段,采用山東路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司立式混凝土高低溫養(yǎng)護(hù)箱(TLD-HGDYH),由傳感器采集試件的溫縮應(yīng)變[28]。每次溫度變化時(shí)間為20 min,每個(gè)試驗(yàn)段保溫180 min,應(yīng)變儀每200 min讀取1次數(shù)據(jù)。
(4)凍融循環(huán)試驗(yàn):按照J(rèn)TG E51—2009,采用NJW-HDK-9微機(jī)全自動(dòng)混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),每組9個(gè)試件。
(5)XRD分析:采用德國BRUKER AXS公司生產(chǎn)的D8 ADVANCE型X射線衍射儀,觀測摻早強(qiáng)劑前后水穩(wěn)碎石的微觀結(jié)構(gòu),進(jìn)行物相分析。
(6)SEM分析:采用日本Hitachi生產(chǎn)的S-4800型掃描電子顯微鏡觀察摻早強(qiáng)劑水泥穩(wěn)定碎石的微觀形貌。
根據(jù)混凝土外加劑手冊(cè)的推薦配比[29],首先采用TEA與NS分別進(jìn)行單摻試驗(yàn),TEA摻量分別為0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%,NS摻 量 分 別 為0、0.50%、1.00%、1.50%、2.00%、2.50%、3.00%。TEA和NS摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖1所示。
圖1 TEA和NS摻量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響
由圖1可以看出:(1)單摻NS時(shí),當(dāng)摻量為0~1.50%時(shí),試件的1 d抗壓強(qiáng)度隨NS摻量的增加而提高,NS摻量為1.50%時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高;而NS摻量為1.50%~3.00%時(shí),試件的1 d抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而下降,說明NS過量會(huì)對(duì)材料的1 d抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生抑制作用。(2)單摻TEA時(shí),當(dāng)TEA摻量為0~0.50%時(shí),試件的抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加而提高,摻量超過0.5%時(shí),抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加逐漸下降。
根據(jù)上述單摻試驗(yàn)結(jié)果選擇單摻時(shí)對(duì)提高水泥穩(wěn)定碎石1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度效果較好的摻量進(jìn)行復(fù)配,其中TEA的摻量為分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%,NS的摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%、2.5%。復(fù)配16個(gè)摻量組,每組13個(gè)試件,TEA和NS復(fù)摻對(duì)水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。
圖2 TEA和NS復(fù)摻對(duì)水泥穩(wěn)定碎石1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響
由圖2可以看出,以TEA和NS單摻時(shí)抗壓強(qiáng)度最優(yōu)的2個(gè)摻量0.50%、1.50%復(fù)配后水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度并未達(dá)到最優(yōu),說明TEA和NS對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度的提升不是簡單的累積相加,而是在復(fù)配過程中TEA與NS發(fā)生了交互效應(yīng),當(dāng)某單一摻量過量后會(huì)產(chǎn)生相消作用,從而降低試件的抗壓強(qiáng)度,故后續(xù)對(duì)其進(jìn)行交互作用檢驗(yàn)。
圖3 TEA和NS不同摻量交互作用檢驗(yàn)
由圖3可以看出,5條TEA和NS不同摻量交互作用線均不平行,說明不同摻量TEA與NS復(fù)配后對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響存在交互作用,并且各復(fù)摻組改善效應(yīng)不是單純的單因素累積相加,需通過交互影響的Sig值(顯著性水平)來確定,故對(duì)其進(jìn)行交互分析,結(jié)果如表1所示。
表1 TEA和NS不同摻量復(fù)摻交互影響
一般Sig值小于0.05說明各摻量組試件與空白組試件的強(qiáng)度差異性顯著,且Sig值越小說明差異性越大,效果越好[30]。由表1可以看出,當(dāng)TEA摻量固定時(shí),水穩(wěn)碎石的1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著NS摻量的增加而提高,但是當(dāng)TEA摻量超過2%時(shí),NS會(huì)與TEA產(chǎn)生相消作用,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。以Sig值越小則1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高為原則,選擇以下3組早強(qiáng)劑為試驗(yàn)組:復(fù)摻組1為2.0%NS+1.0%TEA,復(fù)摻組2為2.0%NS+0.75%TEA,復(fù)摻組3為1.5%NS+1.0%TEA,以未摻早強(qiáng)劑的為空白組。
2.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度
為檢驗(yàn)早強(qiáng)劑復(fù)摻是否會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度驟降或后期強(qiáng)度不足等負(fù)面影響,分別進(jìn)行0.5、1、2、3、7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試,結(jié)果如圖4所示。
圖4 復(fù)摻試驗(yàn)組水泥穩(wěn)定碎石各齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度
由圖4可以看出,在0.5~28 d期間,復(fù)摻組1~復(fù)摻組3均未出現(xiàn)強(qiáng)度不足及強(qiáng)度驟降現(xiàn)象,其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均略高于空白組,其中復(fù)摻組1的強(qiáng)度最高,1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比空白組提高了2.48 MPa,且增強(qiáng)效果最差的復(fù)摻組3也較空白組提高了1.22 MPa,說明該早強(qiáng)劑不僅可以大幅提高水穩(wěn)材料的早期強(qiáng)度,還可提高其后期強(qiáng)度。這是由于水泥穩(wěn)定碎石在早期時(shí)會(huì)由于早強(qiáng)劑提高水化反應(yīng)速率,生成更多的C-S-H凝膠,使材料的早期致密性得到改善,從而早期、后期強(qiáng)度均得到提高。
2.3.2 干縮應(yīng)變和失水質(zhì)量損失試驗(yàn)
為了檢驗(yàn)早強(qiáng)劑復(fù)摻是否會(huì)影響干縮裂縫的形成,進(jìn)行干縮應(yīng)變及失水質(zhì)量損失試驗(yàn),結(jié)果分別如圖5、圖6所示。
圖5 復(fù)摻試驗(yàn)組水泥穩(wěn)定碎石累積干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化
圖6 復(fù)摻試驗(yàn)組水泥穩(wěn)定碎石質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化
由圖5可以看出,復(fù)摻組和空白組的累積干縮應(yīng)變曲線趨勢相同,說明NS與TEA復(fù)摻并未改變水泥穩(wěn)定碎石發(fā)生干縮應(yīng)變的時(shí)間,且在各時(shí)間段內(nèi),復(fù)摻組的累積干縮應(yīng)變均小于空白組,其中以復(fù)摻組1在各齡期段的累積干縮應(yīng)變均最小。說明早強(qiáng)劑雖不能改變水穩(wěn)碎石材料干縮應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律,但可以減小試件的累積干縮應(yīng)變,進(jìn)而減少干縮裂縫的產(chǎn)生,其中以復(fù)摻組1的減縮效果最佳。
由圖6可以看出:(1)復(fù)摻組1~3試件的質(zhì)量損失均隨時(shí)間的延長總體呈下降趨勢,其中空白組在各齡期的質(zhì)量損失均相對(duì)最大。復(fù)摻組1、2、3和空白組的30 d累計(jì)質(zhì)量損失分別為236.95、241.4、250.4、338.75 g。(2)復(fù)摻組1~3在各齡期均可在一定程度上減小試件的質(zhì)量損失,且整體變化趨勢與空白組一致,表明復(fù)摻早強(qiáng)劑沒有改變水穩(wěn)碎石試件的水化反應(yīng)時(shí)間,且可以減小由于干縮質(zhì)量損失造成的裂縫。
2.3.3 溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn)
針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)晝夜溫差大的特點(diǎn),對(duì)大溫差條件下復(fù)摻組水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行溫縮應(yīng)變?cè)囼?yàn),結(jié)果如圖7所示。
圖7 復(fù)摻試驗(yàn)組水泥穩(wěn)定碎石溫縮應(yīng)變隨溫度的變化曲線
由圖7可以看出:(1)隨著溫度的降低,4組試件的溫縮變形均大幅增大,復(fù)摻組1~3的溫縮應(yīng)變均大于空白組,說明復(fù)摻組1~3不能降低水穩(wěn)碎石的溫度應(yīng)力。(2)復(fù)摻組2、3會(huì)明顯加劇水泥穩(wěn)定碎石在低溫時(shí)的溫縮應(yīng)變。在0~35℃時(shí),復(fù)摻組2、3試件的溫縮應(yīng)變上升趨勢較穩(wěn)定,但是在-15~0℃時(shí)溫縮應(yīng)變出現(xiàn)激增現(xiàn)象;而復(fù)摻組1試件則隨著溫度的降低,溫縮應(yīng)變呈均勻增大。由于內(nèi)蒙古地區(qū)晝夜溫差較大,試件受隨溫度變化產(chǎn)生變形的穩(wěn)定性也是影響道路耐久性能的重要因素,復(fù)摻組1較好的穩(wěn)定性表明其對(duì)水穩(wěn)碎石材料的溫縮應(yīng)變影響相對(duì)最小。
2.3.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)(見圖8)
圖8 復(fù)摻組水泥穩(wěn)定碎石的耐凍融循環(huán)性能
由圖8可以看出,在水泥穩(wěn)定碎石中摻加3組復(fù)摻早強(qiáng)劑均能在不同程度上改善材料的抗凍性能,并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,改善效果越來越明顯。復(fù)摻組1在1~5次凍融循環(huán)時(shí)的質(zhì)量損失率均相對(duì)最小。經(jīng)1次凍融后,復(fù)摻組1的質(zhì)量損失率較空白組減小0.06個(gè)百分點(diǎn);經(jīng)5次凍融循環(huán)后,復(fù)摻組1的質(zhì)量損失率較空白組減小0.61個(gè)百分點(diǎn)。表明復(fù)合早強(qiáng)劑在水泥穩(wěn)定碎石材料的反復(fù)凍融過程中持續(xù)發(fā)揮著正向作用。其原因是,在凍融循環(huán)過程中,自由水會(huì)侵入試件裂縫結(jié)冰,破壞整體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致試件發(fā)生凍融破壞,而摻入早強(qiáng)劑可減少試件中微裂縫的形成,在強(qiáng)度形成過程中起到了細(xì)化孔隙結(jié)構(gòu)的作用,提高集料與水泥之間的粘結(jié)力,從而提高水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能。
2.3.5 XRD分析
圖9為復(fù)摻組1及空白組水泥穩(wěn)定碎石28 d時(shí)的XRD圖譜。
圖9 復(fù)摻組1和空白組水泥穩(wěn)定碎石的XRD圖譜
由圖9可以看出,摻復(fù)合早強(qiáng)劑的復(fù)摻組1水泥穩(wěn)定碎石與未摻早強(qiáng)劑的空白組相比,物相組成中增加了Na2SO4,并且空白組中的C3A含量高于復(fù)摻組1,這是由于TEA中含有N,可以與其他金屬離子結(jié)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,與水泥反應(yīng)效果增強(qiáng),快速形成C4A6S,并且NS會(huì)促進(jìn)水泥早期水化產(chǎn)物C-S-H凝膠的生成,但是XRD圖譜無法明確區(qū)分C-SH凝膠這種近程有序、遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)[31]。綜上,復(fù)摻組1中的早強(qiáng)劑在C-S-H凝膠生成過程中提供了大量細(xì)小晶核,并且提高了與水泥反應(yīng)的速率,從而降低了凝膠的生成勢壘,促進(jìn)水泥水化進(jìn)行,從而提高了水泥穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度。
2.3.6 SEM分析
圖10為復(fù)摻組1水泥穩(wěn)定碎石28 d時(shí)界面的SEM照片。
圖10 復(fù)摻組1水泥穩(wěn)定碎石的SEM照片
由圖10可以看出,復(fù)摻組1中有大量絮狀晶體,其溶于水后進(jìn)入裂縫,失水后析出聯(lián)結(jié)集料,大量纖維狀晶體覆蓋在顆粒表面,界面層中布滿了纖維狀晶體,晶體之間排列緊密,使材料包絡(luò)成為一個(gè)整體,進(jìn)而提高了材料的強(qiáng)度。其原因是早強(qiáng)劑可促進(jìn)水泥水化,使其生成氫氧化鈣晶體,大量的氫氧化鈣晶體使材料整體結(jié)構(gòu)更加致密,同時(shí)早強(qiáng)劑中的鈣離子、鋁離子等會(huì)形成吸附在材料表面的絡(luò)合物,起到減少縫隙的作用,從而提高了水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能。
(1)不同摻量TEA和NS對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響有交互作用,TEA摻量固定時(shí),1 d抗壓強(qiáng)度隨著NS摻量的增加而提高,但當(dāng)TEA摻量超過2%時(shí),NS會(huì)與TEA產(chǎn)生相消影響,導(dǎo)致1 d抗壓強(qiáng)度下降。試驗(yàn)結(jié)果表明,2.0%NS與1.0%TEA復(fù)摻時(shí)效果最佳。
(2)NS與TEA各復(fù)摻試驗(yàn)組早強(qiáng)劑均可提高水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度,且齡期越長抗壓強(qiáng)度提升效果越明顯;同時(shí)還可減小水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變和各個(gè)齡期的質(zhì)量損失,降低其產(chǎn)生裂縫的可能性。
(3)早強(qiáng)劑會(huì)增大水泥穩(wěn)定碎石的溫縮應(yīng)變,降低其抗溫度應(yīng)力變形能力,其中復(fù)摻2.0%NS和1.0%TEA組雖然也會(huì)增大水泥穩(wěn)定碎石的溫度應(yīng)力,但其在-15~35℃范圍內(nèi)溫縮應(yīng)變趨勢均勻,具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性。
(4)早強(qiáng)劑可提高水泥穩(wěn)定碎石的抗凍性能,其中以復(fù)摻2.0%NS和1.0%TEA試驗(yàn)組的抗凍性能最佳。
(5)XRD和SEM分析表明,早強(qiáng)劑可以加速水泥水化反應(yīng)速率,增加膠凝成分的生成,從而減小水泥穩(wěn)定碎石的裂縫,并且早強(qiáng)劑NS通過水溶進(jìn)入裂縫,在失去水分后析出起到聯(lián)結(jié)集料的作用,從而提高水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度。