多孔改性水泥混凝土干溫縮性能研究

王中合

（邢臺路橋建設(shè)總公司，河北 邢臺 054001）

0 引言

半剛性基層瀝青路面是我國目前高等級公路建設(shè)的主要路面結(jié)構(gòu)形式，但該材料易產(chǎn)生干縮和溫縮裂縫，在行車荷載、溫度和濕度等因素作用下形成反射裂縫，引起瀝青路面的水損害。多孔改性水泥混凝土由水泥、等粒徑石料、水和水泥改性劑混合、硬化形成多孔骨架結(jié)構(gòu)，孔隙率介于20%～35%，具有透氣性、透水性，可及時排除路面結(jié)構(gòu)中的自由水，減少路面水損壞，提高路用性能，延長道路使用壽命。由于多孔改性水泥混凝土的多孔、不均質(zhì)材料特性，本文通過室內(nèi)試驗，對混凝土的干縮性能、溫縮性能進行了研究。

1 組成設(shè)計

1.1 原材料

（1）水泥。采用河北省邯鄲市產(chǎn)的“太行山”牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，3d抗彎拉強度為5.5MPa，抗壓強度為26.3MPa；28d抗彎拉強度為9.3MPa，抗壓強度為53.8MPa。

（2）粗集料。采用河北省邢臺市太子井產(chǎn)石灰?guī)r22.5mm±2.5mm等粒徑石料，各項性能指標(biāo)符合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F30—2003）的相關(guān)要求。

（3）水泥改性劑。采用河北省邢臺路橋建設(shè)總公司專利產(chǎn)品。

（4）水。采用飲用水作為混凝土用水。

1.2 配合比設(shè)計

多孔改性水泥混凝土基準(zhǔn)配合比為石料∶水泥∶水∶改性劑=1 600kg∶290kg∶84.4kg∶8.44kg。

2 多孔改性水泥混凝土干縮、溫縮性能研究

多孔改性水泥混凝土的拌和、成型和養(yǎng)生等按《公路路面多孔改性水泥混凝土基層施工技術(shù)規(guī)程》（DB13/T 1419—2011）的相關(guān)要求進行。

2.1 干燥收縮試驗

2.1.1 試驗方案

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30—2005），測定在20℃±2℃，相對濕度為60%±5%，不受外力作用所引起的長度變化。本試驗共成型試件18塊（1#、2#、3#混凝土各6塊），取6塊試件試驗結(jié)果的平均值。1#代表等粒徑混凝土；2#代表同水泥量普通混凝土；3#代表同強度等級普通混凝土。

2.1.2 結(jié)果分析

多孔混凝土與普通混凝土的干縮試驗結(jié)果見表1，收縮曲線見圖1。

表1 多孔混凝土與普通混凝土干縮試驗結(jié)果

圖1 多孔混凝土與普通混凝土干縮曲線

混凝土普遍存在干燥收縮的現(xiàn)象，主要是由于水泥漿中水化硅酸鈣凝膠因毛細孔和膠孔水分蒸發(fā)而逐漸失去物理吸附水導(dǎo)致。另外還有碳化收縮，指大氣中的二氧化碳在有水的條件下，與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣和水。碳化過程是體積收縮的過程。在實際工程中，碳化收縮往往與干燥收縮相伴發(fā)生，可能引起多孔混凝土嚴(yán)重的收縮裂縫。

由表1和圖1，可知如下幾點。

（1）普通混凝土的收縮大多來自水泥或水泥漿。等粒徑混凝土砂率為零，其中的粗骨料被薄薄的一層水泥漿體包裹，骨料間的結(jié)合多為點、線或極小的面接觸，并且骨料間結(jié)合物較??；普通混凝土中骨料間空隙完全被水泥砂漿填充，骨料間結(jié)合物相對較厚，因此，等粒徑混凝土與普通混凝土的收縮所呈現(xiàn)的規(guī)律也不完全相同。

（2）等粒徑混凝土在恒溫、恒濕（溫度20℃±2℃，相對濕度60%±5%）的條件下，試件移入標(biāo)養(yǎng)室的第1d齡期體積呈增大趨勢，隨著齡期增長到第3d齡期后基本恢復(fù)基長狀態(tài)，當(dāng)達到第5d齡期時出現(xiàn)收縮率最大值，此后體積變化逐漸趨于平穩(wěn)，最終收縮率的值在10%以下。

（3）普通混凝土在恒溫、恒濕（溫度20℃±2℃，相對濕度60%±5%）的條件下，隨齡期增長，收縮率逐漸增大，一般在60d后收縮率變化逐漸趨于緩慢。

（4）14d齡期后，等粒徑混凝土的收縮率趨于穩(wěn)定，但普通混凝土的收縮率仍然在持續(xù)增長。45d齡期時，等粒徑混凝土的收縮率僅為同水泥用量普通混凝土的3.4%、為相近強度水平普通混凝土的2.2%，因此，等粒徑混凝土較普通混凝土在相同的齡期具有更小的體積收縮率。

半剛性基層材料干縮性能如表2所示。

表2 半剛性基層材料收縮率

由表2可知，多孔混凝土收縮率與常用半剛性基層材料不在同一量級上，其干縮要小得多，具有更好的抗干縮性能，產(chǎn)生干縮裂縫可能性較小。

2.2 溫度收縮試驗

2.2.1 試驗方案

制備100mm×100mm×400mm的多孔混凝土梁式試件和普通混凝土C30等級試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d。到規(guī)定齡期后，試件放入溫度為105℃的烘箱中12h，然后打磨，黏貼應(yīng)變片。由于多孔混凝土孔隙多，故選用標(biāo)距150mm的應(yīng)變片。連接電路并將接好線的試件和溫度補償片一同放入最高溫度已經(jīng)設(shè)定好的高、低溫交變環(huán)境箱中。試件橫向臥式放置，底面墊置可滾動的光圓鋼筋，關(guān)好箱門。恒溫3h后，試件達到開始溫度，啟動環(huán)境箱溫度控制程序，濕度60%，在-30～60℃之間以10℃為間隔，每個溫度間隔恒溫2h，平衡應(yīng)變儀各測試通道，開始讀數(shù)并記錄試件溫縮應(yīng)變值，進而推算混凝土的溫縮系數(shù)。

2.2.2 結(jié)果分析

溫縮試驗結(jié)果如表3、表4所示。

表3 多孔混凝土溫度收縮試驗結(jié)果

表4 常用基層材料溫縮系數(shù)（單位：με/℃）

混凝土在溫度發(fā)生變化時，將伴隨產(chǎn)生體積變化，即收縮、膨脹及翹曲等溫度變形。如果因溫度變化而產(chǎn)生的變形受到約束，不能自由脹縮和翹曲，混凝土將產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力同樣是路面產(chǎn)生破壞的主要原因，而溫度應(yīng)力受著溫度收縮系數(shù)的制約。

表3中，溫度介于40～60℃時，平均溫縮系數(shù)最大；溫度在0～10℃時，平均溫縮系數(shù)最低；溫度在0℃以下時，低溫部分低于正溫部分平均溫縮系數(shù)。這是因為高溫時，集料顆粒與顆粒之間有較大的間隙，當(dāng)溫度降低時，這些間隙自然縮小，此時的溫度收縮很大一部分是孔隙的收縮閉合。溫度為0～10℃，各固體材料隨著溫度的降低收縮增大，故此時混合料的溫縮系數(shù)要比其他溫度區(qū)間的溫縮系數(shù)要小，并達到最小值。水的脹縮性系數(shù)在不同的溫度下具有較大的差異，每攝氏度差異在70×10-6～210×10-6之間，隨著溫度的進一步降低，冰點溫度附近凍結(jié)時體積增大9%，與固體材料收縮相互抵消一部分，平均溫縮系數(shù)有所提高，但平均溫縮系數(shù)要比正溫部分要小。

表4中，多孔混凝土溫縮系數(shù)低于普通混凝土和常用道路基層材料，具有比較優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性。從多孔混凝土組成的固、液、氣三相綜合效應(yīng)來看，氣相由于大部分與大氣相通，可以忽略不計；多孔混凝土中的水泥用量較低，生成水泥石量較少，該部分收縮也不大；多孔混凝土孔徑較大且相互連通，液相對多孔混凝土溫度收縮影響也不大。因此，多孔混凝土的溫度收縮性更接近組成集料的溫度收縮性能。

3 結(jié)論

（1）多孔改性水泥混凝土較普通混凝土具有更小的體積收縮率。

（2）多孔改性水泥混凝土溫縮系數(shù)低于普通混凝土和常用道路基層材料，具有較優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性。

[1]DB13/T 1419—2011，公路路面多孔改性水泥混凝土施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JTG E30—2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程[S].