氧化鎂對(duì)半剛性基層力學(xué)性能及穩(wěn)定性影響分析

孟新，王勇，蔡同星，高勁松，王君，丁慶軍，解鵬洋

（1.武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430050；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽工程中心國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430070；3.中國新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310022）

0 前 言

目前，半剛性基層材料在各等級(jí)公路中得到了普遍的應(yīng)用。但由于其本身的特性，即對(duì)溫濕度變化較敏感，在使用過程中出現(xiàn)了一些致命的缺點(diǎn)，如收縮大、易產(chǎn)生收縮裂縫等[1-2]。這些裂縫在行車荷載的長(zhǎng)期作用下，對(duì)路面容易產(chǎn)生反射裂縫，導(dǎo)致瀝青路面層破壞，嚴(yán)重時(shí)則失去承載能力，影響公路的使用壽命[3]。因此，半剛性基層材料的收縮開裂問題已成為當(dāng)前國內(nèi)外急需解決的一個(gè)重要問題。

對(duì)于半剛性基層材料產(chǎn)生裂縫的原因，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為基層結(jié)構(gòu)的失水導(dǎo)致了干燥收縮應(yīng)力和溫度收縮應(yīng)力，這兩者的共同作用下半剛性基層材料會(huì)出現(xiàn)裂縫。國內(nèi)外進(jìn)行了大量關(guān)于半剛性基層材料的干燥收縮和溫度收縮性能的研究。Sanan 和George 等[4-6]研究了水泥穩(wěn)定土的干縮特性，得出了影響水泥穩(wěn)定土收縮應(yīng)變的因素：集料中小于0.002 mm 黏粒含量越多，水泥穩(wěn)定土的收縮越大，且其干縮量增加速度較黏粒含量的增加速度快；成型試件時(shí)，試件的含水量越大，穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變也越大，因此在施工過程中要注意含水量的控制，保證其含水量在最優(yōu)含水量浮動(dòng)范圍內(nèi)；另外水泥穩(wěn)定土的干密度越大，干縮應(yīng)變?cè)叫?。Rawlings[7]認(rèn)為，影響水泥穩(wěn)定土干縮特性的因素包括粒料土的種類和粒徑、土的塑性及含水量、水泥的用量等。王宏暢等[8]對(duì)比研究了3 種傳統(tǒng)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料的干縮性能，得出結(jié)論：二灰穩(wěn)定碎石＞水泥穩(wěn)定碎石＞水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石。王加龍等[9]研究了無機(jī)結(jié)合料和固化劑穩(wěn)定粉土的干縮性能和溫縮性能，得出結(jié)論：混合料的收縮性能主要受濕度的影響，干縮作為半剛性基層材料收縮的主要原因，在施工初期要灑水養(yǎng)護(hù)，避免由于水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的收縮開裂。許巍等[10]研究了簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)水泥穩(wěn)定細(xì)粒土基層的抗裂特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定細(xì)粒土材料受到溫度、濕度等環(huán)境因素影響時(shí)，其干縮、溫縮隨養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)、水泥摻量增加而降低，干縮對(duì)材料抗裂性能的影響更為顯著。

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知，目前的研究主要集中在水泥穩(wěn)定粒料類基層的收縮性能方面，研究的重點(diǎn)主要在級(jí)配設(shè)計(jì)及水泥摻量的控制等方面，而針對(duì)固化劑穩(wěn)定土基層的收縮特性研究較少，穩(wěn)定材料也是單一的傳統(tǒng)穩(wěn)定材料。本文采用多組分材料復(fù)合進(jìn)行減縮增強(qiáng)的技術(shù)原理與方法，開發(fā)了可顯著提高水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度和水穩(wěn)性能，并降低收縮和提高抗裂性能的材料，針對(duì)采用該材料制備穩(wěn)定土并進(jìn)行力學(xué)性能、水穩(wěn)定性能和收縮性能研究，從而為我國半剛性基層路面材料的研究與應(yīng)用提供研究思路和參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：武漢華新水泥廠，P·O42.5 水泥，物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

土樣：取自武漢某施工場(chǎng)地，黃色細(xì)粒狀，其主要物理力學(xué)性能見表2。根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》按塑性指數(shù)分類法，本試驗(yàn)用土屬于粉質(zhì)黏土。

表2 土樣的物理力學(xué)性能

菱鎂礦：遼寧海城群力礦業(yè)有限公司，采用XRF 和XRD測(cè)得菱鎂礦的化學(xué)成分和物相組成見表3 和圖1。

圖1 菱鎂礦的XRD 圖譜

表3 菱鎂礦的化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)：按JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的方法制備和養(yǎng)生試件，試件成型壓實(shí)度控制在96%，對(duì)穩(wěn)定土基層材料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

干縮試驗(yàn)：按JTG E51—2009 中的T0854-2009 進(jìn)行試件的制備與養(yǎng)生，并測(cè)試材料的失水收縮程度和干縮系數(shù)。

氧化鎂活性：按YB/T 4019—2020《輕燒氧化鎂化學(xué)活性測(cè)定方法》測(cè)試煅燒菱鎂礦的活性指標(biāo)。首先將菱鎂礦破碎，再放入球磨機(jī)粉磨到一定的細(xì)度，將菱鎂礦粉料放入電爐中煅燒，升溫速率設(shè)置為10 ℃/min，將爐溫分別加熱到700、750、800、900 ℃，目標(biāo)保溫時(shí)間分別設(shè)為1.0、1.5、2.0、2.5 h。

限制膨脹率試驗(yàn)：按GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm 三聯(lián)模，并放入縱向限制器（骨架）裝料成型，1 d 脫模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)入水養(yǎng)護(hù)，在規(guī)定齡期用螺旋測(cè)微器測(cè)量試件的長(zhǎng)度。

水穩(wěn)定性試驗(yàn)：按JTG E51—2009 規(guī)定的方法評(píng)價(jià)穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 煅燒氧化鎂的性能研究

采用檸檬酸中和法，測(cè)得不同煅燒溫度和保溫時(shí)間下煅燒氧化鎂的活性（反應(yīng)時(shí)間）見表4。

表4 不同煅燒溫度和保溫時(shí)間下煅燒氧化鎂的活性

由表4 可知，在不同煅燒溫度下，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣與檸檬酸所需反應(yīng)時(shí)間越久，氧化鎂的反應(yīng)活性降低。保溫時(shí)間一定時(shí)，低溫煅燒氧化鎂反應(yīng)活性比高溫煅燒氧化鎂反應(yīng)活性要高。其中，試樣在900 ℃煅燒、保溫2.5 h 制度下，反應(yīng)活性最低。

不同煅燒溫度和保溫時(shí)間下試樣的限制膨脹率見表5。

表5 不同煅燒溫度和保溫時(shí)間下試樣的限制膨脹率

由表5 可知，隨煅燒溫度升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的早期膨脹率降低，但后期水化膨脹逐漸增大，膨脹率有所提高，特別是900 ℃煅燒并保溫1.0 h 的試樣，在90 d 時(shí)仍然具有明顯的膨脹現(xiàn)象。說明煅燒溫度升高以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化鎂的水化膨脹延遲特性越明顯[11]。煅燒溫度升高，會(huì)使氧化鎂晶格尺寸逐漸減小，材料中的孔隙率減小，致密度提高，因而水化活性降低。當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，發(fā)生重結(jié)晶的MgO晶體高溫生長(zhǎng)的時(shí)間增多，氧化鎂晶體更加致密，膨脹的時(shí)間將延遲更長(zhǎng)。

綜合以上分析，煅燒溫度越低，氧化鎂活性相應(yīng)越高，其早期膨脹顯著，后期膨脹不足，不僅難以彌補(bǔ)穩(wěn)定土的收縮，反而會(huì)影響其強(qiáng)度。但煅燒溫度太高，MgO 水化膨脹時(shí)間延長(zhǎng)，膨脹量太大。從氧化鎂燒成成本及后期的膨脹作用出發(fā)，煅燒溫度宜選擇900 ℃，煅燒時(shí)間宜為1.5 h。

2.2 煅燒氧化鎂對(duì)穩(wěn)定土力學(xué)性能的影響

以水泥和氧化鎂復(fù)合材料為無機(jī)結(jié)合料，結(jié)合料劑量為10%。評(píng)價(jià)了不同氧化鎂摻量條件下水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，氧化鎂摻量按占水泥質(zhì)量計(jì)，結(jié)果見表6。

表6 氧化鎂摻量對(duì)穩(wěn)定土力學(xué)性能的影響

由表6 可知，氧化鎂摻量從3%增大到12%時(shí)，穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢(shì)。未摻氧化鎂穩(wěn)定土的7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.9 MPa，當(dāng)摻入3%氧化鎂時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.8 MPa，提高了65.5%。并且隨著氧化鎂摻量的增大強(qiáng)度持續(xù)提高，在氧化鎂摻量為9%時(shí)達(dá)到最大值5.8 MPa。這主要是由于混合料中除了水泥水化產(chǎn)物外還有氧化鎂水化生成的少量氫氧化鎂晶體，這些晶體在水化初期與尚未發(fā)生水化反應(yīng)的氧化鎂顆粒填充在土體空隙間，使穩(wěn)定土致密化，強(qiáng)度有所提高。然而，當(dāng)氧化鎂摻量達(dá)到12%時(shí)，穩(wěn)定土強(qiáng)度略有降低，這可能是由于水泥用量有所降低所致。

氧化鎂摻量對(duì)穩(wěn)定土干縮應(yīng)變的影響見圖2。

圖2 氧化鎂摻量對(duì)穩(wěn)定土干縮應(yīng)變的影響

由圖2 可知，在相同齡期內(nèi)隨著氧化鎂摻量的增加，穩(wěn)定土干縮應(yīng)變逐漸減??；氧化鎂摻量一定時(shí)，早期穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變逐漸增大，后期逐漸減小。這是因?yàn)檠趸V的水化反應(yīng)較為緩慢，隨著齡期的延長(zhǎng)，氧化鎂水化形成的氫氧化鎂晶體增多，因而后期干縮應(yīng)變逐漸減小。

氧化鎂摻量對(duì)穩(wěn)定土水穩(wěn)定性的影響見圖3。

圖3 氧化鎂摻量對(duì)穩(wěn)定土水穩(wěn)定性的影響

由圖3 可知，各樣品的水穩(wěn)系數(shù)均隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，早期減小幅度較大，后期幅度變小。此外，摻氧化鎂體系穩(wěn)定土在各浸泡時(shí)間段的水穩(wěn)系數(shù)均大于未摻氧化鎂穩(wěn)定土。以28 d 為例，未摻氧化鎂穩(wěn)定土的水穩(wěn)系數(shù)為81.1%，而摻加3%、6%、9%、12%氧化鎂穩(wěn)定土的水穩(wěn)系數(shù)分別增大至82.5%、84.2%、85.9%、87.1%。導(dǎo)致水穩(wěn)定性增加的原因是氧化鎂的引入使土樣結(jié)構(gòu)更加致密，水分進(jìn)入量降低，且反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鎂為極難溶物質(zhì)，在土樣中晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因而從力學(xué)性能、干縮應(yīng)變和水穩(wěn)定性等方面綜合考慮，氧化鎂在水穩(wěn)層中的應(yīng)用具有顯著的可行性。

3 結(jié) 論

（1）隨菱鎂礦煅燒溫度的升高與保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，無機(jī)結(jié)合料的早期膨脹降低，而后期膨脹增大。

（2）氧化鎂的水化能在一定程度上提高穩(wěn)定土的致密程度，因而穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨氧化鎂摻量的增加明顯提高，但摻量過高對(duì)力學(xué)性能有一定的負(fù)面作用，結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性等綜合分析，其最佳摻量為水泥質(zhì)量的9%。

（3）穩(wěn)定土的干縮應(yīng)變隨氧化鎂摻量的增加而減小，且水穩(wěn)定性得到提高。