膨胀剂含量对水泥稳定碎石的力学性能和抗干缩性能影响研究

李 欢 李仲玉 魏 宁

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

随着我国公路的快速发展，在路面结构中水泥稳定碎石作为半刚性基层材料的应用越来越普遍.但是水泥稳定碎石本身有着它自己的收缩特性，所以在实际的道路应用中面临着许多问题，尤其是作为基层材料在外界环境作用下容易产生裂缝.在沥青路面半刚性基层现场取芯观测表明，裂缝中较多的是由于半刚性基层先开裂导致沥青路面面层开裂的反射裂缝，这一比例超过50%[1].本文对水泥稳定碎石基层材料中掺加膨胀剂来增强力学性能，减少收缩量，提高抗裂性能，从而达到延长路面使用寿命的预期目的.

1 原材料性质

(1)水泥.采用金隅粉煤灰硅酸盐水泥32.5级(P·F 32.5)，其基本物理性质如表1所示.

表1 水泥基本性质

(2)膨胀剂.生产厂家为河北圣通建材有限公司，其性质如表2所示.

表2 膨胀剂性质

(3)集料.矿料的筛分试验如表3所示，集料的技术性质如表4所示.水泥稳定碎石的级配采用《公路路面基层施工技术细则》(JTG/F20-2015)中水泥稳定碎石推荐范围C-C-3,适用于二级及二级以下的公路，级配曲线如图1所示.

表3 矿料的筛分试验

表4 集料的技术性质

图1 试验用的级配曲线

采用图1级配曲线，分别以水泥：集料=3:97、4:96和5:95为混合料配合比.各组的混合料配合比组成及击实试验结果见表5.

表5 配比及击实试验结果

因为膨胀剂含量分别为相对应水泥质量的5%、7%和10%，外掺膨胀剂在同等的级配混合料中对水泥稳定碎石的干密度和含水量影响效果不明显，所以对掺有膨胀剂水泥稳定碎石未进行击实试验.

2 试件制取

根据击实试验结果确定试验的最大干密度和最佳含水率，用静力压实法制取试件；无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量均采用Φ150×150mm试件.试件采用静压法成型后试件脱模，脱模后的试件转移到标准养护室[(20±2)℃，相对湿度≥95%]养护，养护至龄期的前1d，将试件浸泡24h，然后分别进行无侧限抗压强度试验、间接抗拉强度试验和抗压回弹模量试验.干缩试验选取中梁试件，尺寸为100mm×100mm×400mm，也是采用静压法成型，脱模后，在标准养护室养护，养护至龄期的前1d，将试件浸泡24h，浸泡完毕后擦干试件上的表面水，然后进行干缩试验.

以水泥剂量分别为3%、4%和5%，膨胀剂掺量分别按相对应水泥质量的5%、7%和10%进行配合比设计，分析与研究膨胀剂对水泥稳定碎石材料力学性能和抗干缩性能的影响.

3 力学性能分析

3.1 无侧限抗压强度试验和间接抗拉强度试验及分析

将泡水后的试件放在万能试验机分别进行无侧限抗压强度试验和间接抗拉强度试验，两种试验都按位移控制压力机的加载速率为1mm/min，养护7d试件的无侧限抗压强度试验结果和间接抗拉强度试验结果如表6所示.

表6 7d无侧限抗压强度和间接抗拉强度

在《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中在基层结构层中，公路等级二级及二级以下的公路其强度满足要求.养护180d试件的无侧限抗压强度和间接抗拉强度试验结果如表7所示.

表7 180d无侧限抗压强度和间接抗拉强度

由图2和图3可以得出，水泥稳定碎石材料中掺入膨胀剂会使180d无侧限抗压强度和180d间接抗拉强度都有一定的提高作用.原因是在于膨胀剂对水泥稳定碎石有着密实的作用[2]，水泥水化后Ca(OH)2与膨胀剂发生了复杂的化学反应生成了钙矾石(C3A·3CaSO4·32H2O)晶体，晶体填充了水泥稳定碎石内部微小的缝隙，从而掺膨胀剂的水稳材料比未掺膨胀剂的水稳材料更加密实些，导致其强度得到了提高.

图2 180d无侧限抗压强度增长率 图3 180d间接抗拉强度增长率

3.2 抗压回弹模量试验及分析

刚度反映着材料抵抗弹性变形的能力.在宏观的弹性范围内，材料的刚度是材料受到的荷载与在此荷载的作用下发生的位移之间的比值，即引起单位位移所需要的荷载.刚度的倒数称之为柔度，即材料受单位荷载所发生的位移.

用顶面法，将泡水后的试件放在万能试验机进行抗压回弹模量试验，试验的加卸载速率为1mm/min，先用最大荷载的一半进行两次加卸载预压试件，使试件顶面与加载板接触良好，将预定的单位压力分成6等份，作为每次施加的压力值，逐级加卸载.养护180d未掺膨胀剂试件的抗压回弹模量试验结果如表6所示.

由图4可以得出，掺膨胀剂后，水泥稳定碎石抗压回弹得到了提高，膨胀剂与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成钙矾石(AFt)晶体，胶凝产物增多[3].膨胀剂的加入使材料生成了较多胶结物，所以刚度有一定程度的增大[4].养护180d试件的抗压回弹模量试验结果如表8所示.

表8 抗压回弹模量

图4 180d抗压回弹模量增长率

4 抗干缩性能分析

4.1 干缩试验及分析

水泥稳定碎石材料收缩可分为由于失去水分引起的干燥收缩和由于外界温度变化引起的温度收缩两种，这两种收缩是基层开裂的主要原因.

根据参考文献对3%水泥中掺膨胀剂的4组12个水泥稳定碎石试件进行干缩试验，养护龄期180d，干缩试验采用千分表法.在试验的过程中将试验放在室内的干缩仪上，安装好千分表后调整好刻度，每天读取干缩数据并记录下来，并对数据按式(1)、(2)进行计算，分析干缩结果如图5所示.

图5 观测时间与累计干缩应变的关系 图6 失水率与累计干缩应变的关系

(1)

(2)

式中:εd-单位长度收缩量(×10-6)；Δl-干缩量(×10-6)；l-试件的长度(mm);

αd-干缩系数(×10-6/%)；Δω-失水率(%).

如图5、图6和图7所示，整体趋势都是先较快的增长然后再缓慢增长，掺膨胀剂的试件总体上来说要比未掺膨胀剂的试件抗裂性能好.如图8所示，膨胀剂与Ca(OH)2生成钙矾石使结构更加密实，从而减少毛细管的张力[4].由于膨胀剂的掺入使材料变得更加密室，孔隙率相对较少，受毛细管张力、吸附力和分子间作用以及层间水作用相对来说也较小，所以干缩系数较小.

图7 观测时间与干缩系数的关系 图8 膨胀剂含量与干缩系数的关系

5 结 论

(1)在水泥稳定碎石材料中掺入膨胀剂，膨胀剂会与混合料中的物质发生复杂的化学反应，生成新的物质使试件本身发生微膨胀.主要的作用机理是水泥水化反应后大量的Ca(OH)2与膨胀剂发生化学反应生成钙矾石(AFt)，钙矾石的形成，使整个的水泥稳定碎石材料试件结构更加密实，可以降低毛细管张力.

(2)在水泥稳定碎石基层材料中掺加膨胀剂能使其无侧限抗压强度和间接抗拉强度增强.

(3)膨胀剂能减缓水泥稳定碎石的早期干缩累积量，对延缓和减少干缩裂缝是有利的.