水泥穩(wěn)定碎石低溫強(qiáng)度與干縮特性分析

周啟偉，葉　偉，楊　波，吳雪柳

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶　400074;2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶　400067)

?

水泥穩(wěn)定碎石低溫強(qiáng)度與干縮特性分析

周啟偉1,2，葉偉2，楊波2，吳雪柳2

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶400067)

以研究高寒地區(qū)水泥穩(wěn)定碎石基層材料路用性能為目的，分別研究了在低溫環(huán)境下，不同的級配、不同類型早強(qiáng)劑對水泥穩(wěn)定碎石材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響，同時也研究了不同外加劑對水泥穩(wěn)定碎石材料干縮特性的影響。研究結(jié)果表明：0 ℃和5 ℃養(yǎng)生，級配偏中值時試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最佳，摻入C類早強(qiáng)劑7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度最佳，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了57.8%和99%，劈裂強(qiáng)度分別提高了78%和14%；摻入聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石28 d累計干縮應(yīng)變減小了33.3%，抗干縮性能優(yōu)于膨脹劑。

低溫環(huán)境； 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度； 劈裂強(qiáng)度； 累計干縮應(yīng)變

1　引　言

水泥穩(wěn)定碎石基層以強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、施工周期短、造價相比柔性基層低的特點(diǎn)在我國被廣泛使運(yùn)用于高等級公路建設(shè)中。但在高寒地區(qū)的施工過程中均發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石易出現(xiàn)早期強(qiáng)度不足和干縮開裂等早期病害，不僅影響了施工工期，也為路面出現(xiàn)早期破壞埋下隱患。因此，如何解決高寒地區(qū)低溫環(huán)境條件下水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度不足和干縮開裂問題一直是改善高寒地區(qū)路面基層施工質(zhì)量，降低路面出現(xiàn)早期破壞幾率的核心技術(shù)問題之一。目前，國內(nèi)就如何提高低溫環(huán)境下水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度的相關(guān)文獻(xiàn)少見報道[1,2]，對于水泥低溫水化方面的相關(guān)研究主要集中在房屋建筑領(lǐng)域和深海油氣開采領(lǐng)域[3-6]，而對摻入兩種以上復(fù)合外加劑的水泥穩(wěn)定碎石干縮特性的研究也少見相關(guān)文獻(xiàn)報道[7-9]。本文結(jié)合西藏地區(qū)的地理氣候情況，開展低溫環(huán)境下，不同級配和早強(qiáng)劑對水泥穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度的影響規(guī)律研究，同時研究了不同外加劑的水泥穩(wěn)定碎石干縮特性，以期為當(dāng)?shù)氐墓こ淌┕ぬ峁┖侠斫鉀Q方案和數(shù)據(jù)參考。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

(1)水泥

水泥采用新疆某公司生產(chǎn)的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度為3.8%，其它技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

表1　水泥的主要技術(shù)指標(biāo)

(2)集料

集料采用石灰?guī)r，其物理指標(biāo)結(jié)果見表 2。

表2　集料主要技術(shù)指標(biāo)

(3)早強(qiáng)劑

參照相關(guān)規(guī)范，分別選用三種不同類型的低溫早強(qiáng)劑，相應(yīng)指標(biāo)見下表3。

表3　早強(qiáng)劑指標(biāo)

(4)外加劑

分別選用了聚丙烯纖維和微膨脹劑用于改善水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能，性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(5)級配設(shè)計

參照在JTG D50-2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)的范圍，分別合成出粗中細(xì)三種不同的級配，固定水泥用量為5%，并分別測定其最大干密度和最佳含水量，結(jié)果見下圖1、表4。

表4　擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2試驗(yàn)方法

圖1　合成級配Fig.1　Synthesis of grading

(1)低溫環(huán)境模擬

先將水、集料、水泥和早強(qiáng)劑放入預(yù)定設(shè)置的低溫箱(溫度分別為0 ℃和5 ℃)中放置4 h，然后按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)的要求成型后將試件放入低溫箱中養(yǎng)生，直至6 d后取出在相同溫度的水中放置1 d，方能進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)，將制備好的試件分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)。

(3)干縮試驗(yàn)

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)，將制備好的試件進(jìn)行干縮試驗(yàn)。

3　結(jié)果與討論

3.1級配對水泥穩(wěn)定碎石低溫?zé)o側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

(1)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上選出的三種粗、中、細(xì)級配，分別進(jìn)行低溫下的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，擬得出低溫環(huán)境下抗壓強(qiáng)度最優(yōu)的級配，具體數(shù)據(jù)及分析見下表5。

表5　不同級配的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)結(jié)果分析

由以上表5中分析得出低溫環(huán)境下，中級配的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最佳，同時在不同的養(yǎng)護(hù)溫度下，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而衰減，因此擬定中級配為優(yōu)選級配，并進(jìn)行下一步研究。

3.2不同早強(qiáng)劑對水泥穩(wěn)定碎石低溫?zé)o側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

(1)試驗(yàn)結(jié)果

選用上述三種不同的早強(qiáng)劑，摻入采用中級配的水泥穩(wěn)定碎石中，水泥劑量5%，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，以得出在低溫條件下強(qiáng)度最優(yōu)的早強(qiáng)劑。具體數(shù)據(jù)見表6。

(2)結(jié)果分析

由上表6可以得出5 ℃養(yǎng)生，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度摻入C類早強(qiáng)劑提高了99%，B類早強(qiáng)劑提高了76%，A類早強(qiáng)劑提高了39%；0 ℃養(yǎng)生，7 d無側(cè)限抗壓摻入C類早強(qiáng)劑強(qiáng)度提高了57.8%，B類早強(qiáng)劑提高了20.5%，A類早強(qiáng)劑幾乎不提高。

表6　摻不同早強(qiáng)劑7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3不同早強(qiáng)劑對水泥穩(wěn)定碎石低溫劈裂強(qiáng)度的影響

(1)試驗(yàn)結(jié)果

選用上述三種不同的早強(qiáng)劑，摻入水泥穩(wěn)定碎石中，進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測試，以得出在低溫條件下抗彎拉強(qiáng)度最優(yōu)的早強(qiáng)劑。具體數(shù)據(jù)見下表7。

表7　摻不同早強(qiáng)劑的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)試驗(yàn)結(jié)果分析

由表7得出在同一養(yǎng)生溫度下，C類早強(qiáng)劑對水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度的提升最為明顯，0 ℃養(yǎng)生時，提高了78%，5 ℃養(yǎng)生時，提高了14%。

3.4干縮試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表8所示。

表8　試驗(yàn)方案

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2　累計干縮應(yīng)變結(jié)果Fig.2　Result of total dry shrinkage strain

試驗(yàn)結(jié)果分析：由圖2分析得出， 28 d累計干縮應(yīng)變方案Ⅱ比方案Ⅰ減小了13.72%；而方案Ⅲ比方案Ⅰ減小33.6%，摻聚丙烯纖維的水泥穩(wěn)定碎石抗干縮開裂性能較優(yōu)。分析其原因?yàn)榫郾├w維在砂漿內(nèi)部形成一個三維交錯的網(wǎng)絡(luò)體系，承擔(dān)了一部分因水穩(wěn)層體積收縮引起的內(nèi)應(yīng)力，同時擠壓甚至阻塞水穩(wěn)層內(nèi)部的毛細(xì)管，一定程度上減小了因水分從毛細(xì)管流失而形成的表面張力，增強(qiáng)了材料整體抵抗開裂的抗拉強(qiáng)度，材料表面的開裂狀況得以緩解，抗干縮開裂的性能得到提升。

而水泥膨脹劑作用是依靠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)大體積晶體引起的固相體積增大能抵消掉一部分水泥穩(wěn)定碎石材料因失水干縮引起的毛細(xì)管張力及水分子間作用力，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。但是相比聚丙烯纖維，水泥膨脹劑抗干燥收縮的作用十分有限，主要原因是水化反應(yīng)生產(chǎn)的鈣礬石晶體數(shù)量較少使得其抗體積收縮能力不如聚丙烯纖維。

4　結(jié)　論

(1)低溫環(huán)境下中級配的7 d抗壓強(qiáng)度最大，且水泥穩(wěn)定碎石的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而降低；

(2)5 ℃養(yǎng)生，摻入C類早強(qiáng)劑7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了99%，摻B類提高了76%，摻A類提高了39%；0 ℃養(yǎng)生，摻入C類早強(qiáng)劑7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了57.8%，摻B類提高了20.5%，摻A類幾乎不提高;

(3)在同一養(yǎng)生溫度下，C類早強(qiáng)劑對水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度的提升最為明顯，0 ℃養(yǎng)生時，提高了78%，5 ℃養(yǎng)生時，提高了14%;

(4)摻入膨脹劑后28 d累計干縮應(yīng)變減小了13.72%；摻入聚丙烯纖維后減小33.6%，摻聚丙烯纖維的抗干縮性能更優(yōu)。

[1] 林敏，鄭文學(xué)，宋云連.早強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石材料抗凍性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(2):475-480．

[2] 馬銀華，李遠(yuǎn)廠，谷建義.PPF水泥穩(wěn)定砂礫的收縮及低溫性能研究[J].公路交通科技，2015,(2)60-67.

[3] 楊陽，王起才，張戎令，等.基于不同恒定低溫和水灰比的水泥水化程度試驗(yàn)研究[J].混凝土，2015,(1)5-8.

[4] 陳川，冷潔.水灰比和低溫環(huán)境影響的水泥水化放熱計算模型[J].混凝土，2015,(1)21-31.

[5] 趙杏梅.低溫環(huán)境對自密實(shí)混凝土強(qiáng)度特性的影響研究[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2015,(1)23-29.

[6] 王成文，王瑞和.新型促凝劑DWA改善固井水泥低溫性能的實(shí)驗(yàn)[J].中國石油大學(xué)學(xué)報，2011,(1)159-164.

[7] 王成文，王瑞和.鋰鹽早強(qiáng)劑改善油井水泥的低溫性能及其作用機(jī)理[J].石油學(xué)報，2011,(1)140-144.

[8] Kjellsen K O,Lagerblad B.Microstructure of tricalcium silicate and portland cement systems at middleperiods of hydration development of Hadley grains[J].CementandConcreteResearch,2007,37(1):13-20.

[9] Makar J M,Chan G W,Esseghaier K Y.A peak in the hydration reaction at the end of the cement induction period[J].JournalofMaterialsScience,2007,42(4):1388-1392.

Analysis of Low Temperature Strength and Drying Shrinkage Characteristics of Cement Stabilized Macadam

ZHOUQi-wei1,2,YEWei2,YANGBo2,WUXue-liu2

(1.School of Civil Engineering & Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China.2.Chongqingshi Zhixiang Paving Technology Engineering Co.,LTD,Chongqing 400067,China)

As to research the road performance of cement stabilized macadam in cold area，studied the influence of the different gradation, different types of early agent on cement stabilized macadam material unconfined compressive strength and splitting strength in the low-temperature environment。At the same time also studied different admixture on drying shrinkage characteristics of cement stabilized macadam. The results show that, under the condition of 0 ℃ and 5 ℃，gradation value had the better unconfined compressive strengththanthe coarse and fine gradation. Mixed C early strength agent ，it had the best 7 d unconfined compressive strength and splitting strength, unconfined compressive strength increased by 57.8% and 99%, cleavage strength increased by 78% and 14%. Mixed polypropylene fiber,28 d dry shrinkage strain of cement stabilized macadam reduced 33.3%，resistance to dry shrinkage performance is better than that of expansive agent.

low-temperature environment;7 d unconfined compressive strength;splitting strength;total dry shrinkage strain

周啟偉(1984-)，男，博士研究生.主要從事新型道路材料開發(fā)方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0948-05