水泥稳定基层材料抗冻性能试验研究

张银博,马连霞,李耀业,杨秋菊

(新疆交通建设集团股份有限公司,乌鲁木齐 830016)

我国的干旱高寒地区主要分布在西北地区的新疆、甘肃等地,地域广阔。干旱高寒地区具有昼夜温差大、日照时间长、平均温度低等复杂的气候特点[1-3],因此对公路工程质量控制提出了更高的要求。公路基层位于沥青面层下,是主要承重层;水泥稳定材料是以水泥为结合料,通过加水与被稳定材料共同拌和形成的半刚性材料,是我国高等级公路路面基层最常用的材料之一。基层性能的强弱对路面整体强度、使用质量和使用寿命都有十分重要的影响[4-5]。水稳基层施工周期长,在干旱和大温差的气候下极易产生较大的干缩裂缝和温缩裂缝,进而反射到沥青面层形成反射裂缝[6-8]。此外,水稳层冻融循环强烈、水稳基层易受损、强度衰减快,因此在车辆荷载持续作用下更易产生沉降或变形,会加速路面结构的破坏,缩短道路的使用年限。

国内外学者已针对半刚性基层开展了大量研究工作,主要围绕混合料级配、施工工艺、水泥剂量、早强剂等因素对试件抗压强度和抗冻性能的影响[9]。彭波等[10]对低水泥剂量稳定碎石采用逐级填充法和N 法,以确定粗集料骨架级配和细集料密实级配,得出水泥微黏结级配碎石基层具有良好抗干缩性和稳定性的结论。沙爱民[11]通过对半刚性基层材料的特性进行研究,认为良好的级配有助于基层强度提升,且及时进行保湿养生可避免半刚性基层材料产生干燥收缩裂缝,控制细料含量则可以显著减小半刚性基层材料的温度收缩裂缝。李建忠等[12]将早强剂与水镁石纤维引入水泥稳定碎石基层研究,分析了冻融循环作用下水泥稳定碎石抗冻性能的影响因素。

针对干旱寒区冻融循环条件下水稳基层干缩和温缩裂缝发展快、强度形成慢及强度易损的特点,水稳基层应具有较高的早期强度以及良好的抗冻性能。目前,采用SJP 水稳材料替代传统胶结材料进行水稳基层抗冻性能试验研究相对较少。基于此,本文将对SJP 水稳材料和传统水稳材料的力学和抗冻性能进行研究。

1 试验概况

1.1 试验原材

1) 级配选取

本试验使用骨架密实型水泥稳定碎石基层集料,取自四川某砂石加工厂。为进行水泥稳定碎石基层的变异性对比试验,级配范围设置级配中值、级配偏规范上限、级配偏规范下限和一个统计特殊值,级配取值如表1 所示。其中,规范指《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)。

表1 级配取值

2) 试验用水泥

试验用水泥为西南牌P.C32.5R,水泥技术指标如表2 所示。

表2 水泥技术指标

3) SJP 水稳材料

SJP 水稳材料由SJP 基浆与集料拌和而成,SJP基浆作为胶结材料,由水灰比为0.45～1 的水泥浆掺加水泥质量为0.1%～3%的合成纤维素类溶剂(1#助剂)、钙硅质早强剂(2#助剂)和酰胺类稳定剂(3#助剂)混合而成。

1.2 试验设计

以水泥剂量、含水量、级配、助剂用量4 个因素作为强度影响因素进行正交试验研究,试验设计1#助剂用量不变,选取级配、水泥剂量、含水量、2#助剂用量、3#助剂用量5 个因素,每个因素取4 个水平。综上,试验设计为5 因素4 水平正交试验,影响因素及水平如表3 所示。

表3 影响因素及水平

1.3 试验方法

1) 试样制备

本次试验试件根据正交试验结果进行配合比设计,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[13](以下简称“规范”)中的静力压实法进行试件(Φ150 mm×150 mm 圆柱形)制备,成型试件脱模后用塑料袋覆盖,转入温度为20 ℃±2 ℃、相对湿度为95%以上的标准养生室,养护1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 龄期后进行无侧限抗压强度试验[13]。冻融循环开始前,将试验试件转入水中养护24 h,水温20 ℃;分别将1/2 的传统水稳材料和SJP 水稳材料试件放入冻融循环箱,剩余试件用于对照试验。

2) 无侧限抗压强度

按规范对养护至规定龄期的标准试件进行无侧限抗压强度试验,每组设置6 个待测试件。达到龄期前应将试件浸水24 h;试验开始前,擦干试件表面水分;试验过程中,将压力机加载速率保持在1 mm/min。

3) 冻融循环试验

试验依据规范中的冻融试验方法,将冻融试件冻结温度设置为-18 ℃,冻结时间为16 h;试件采用水融法,水温保持20 ℃,融化时长为8 h[13],如此为1次冻融循环,根据试验需求进行5、10、15、20 次的冻融循环,测定对应次数下试件的无侧限抗压强度。

2 试验结果与讨论

2.1 正交试验结果分析

2.1.1 抗压强度影响因素敏感性分析

为研究水泥剂量、级配、含水量、2#助剂用量和3#助剂用量对水稳基层材料无侧限抗压强度的影响程度,采用方差分析来区分水平因素、误差波动引起的试验结果的差异,每组设置6 个试件,测得7 d 抗压强度数据如表4 所示。7d 无侧限抗压强度极差分析如表5 所示。

由表4、表5 可知,在影响抗压强度的主要因素中,水泥剂量、级配和2#助剂用量的变化与抗压强度的相关性为99%,而含水量的变化与抗压强度的相关性为90%。水泥剂量对抗压强度的影响较为显著,级配和2#助剂用量对抗压强度也有明显影响,而含水量对抗压强度影响不大。综上,各因素对抗压强度影响大小次序为:水泥剂量>级配>2#助剂用量>含水量。根据以上结果分析,优化方案为中值级配、含水量5.1%、2#助剂用量2.0%、3#助剂用量1.5%。由表4 可知,试验的抗压强度总体偏低,分析其原因是试验时采用的手动击实可能没有将试件完全压实,由于整个试验的制样都是在同样的情况下完成的,所以就整个试验而言,这并不影响最终结论。

表4 7 d 抗压强度数据

表5 7 d 无侧限抗压强度极差分析

2.1.2 各因素对抗压强度的影响规律

通过以上分析,可以看出各因素的变化和抗压强度是相关的,针对各因素和抗压强度的变化规律开展进一步研究。

1) 水泥剂量

7 d 抗压强度与水泥剂量的关系如图1 所示。由图1 可知,抗压强度与水泥剂量接近线性关系,但水泥会导致水泥稳定碎石基层发生干缩、温缩变化。因此,需在保证满足强度的条件下,尽量控制水泥的用量。

2) 级配

级配与7 d 无侧限抗压强度的关系如图2 所示。由图2 可知,当级配为中值时,强度最大,其次为级配的偏下限和偏上限;当取级配特殊值时,强度最小。从整个曲线的趋势来看,级配取值不同时抗压强度变化明显,这说明级配对抗压强度的影响是显著的,且靠近规范级配中值是比较合理的级配。级配为中值时的抗压强度比特殊值时高约26%,因此,如果偏离级配中值,强度可能会有很大差异。故在基层施工时应该严格控制级配,以确保达到水稳层的设计强度要求。

3) 2#助剂用量

2#助剂用量与7 d 无侧限抗压强度的关系如图3 所示。由图3 可知,随着2#助剂用量的增加,抗压强度先减小后增大,在用量为2.2%时候达到最小,在用量为2.6% 时强度仅比用量2.0% 时增加约7%。另外,2#助剂用量的增加会大幅缩短初终凝时间,影响摊铺压实过程,因此考虑设定2#助剂用量为2.0%并进行后续试验。

4) 含水量

含水量与7 d 无侧限抗压强度的关系如图4 所示。由图4 可知,7 d 无侧限抗压强度随含水量的增加先增加后减小,当含水量为5.1%时,抗压强度最大;含水量<5.1%时,每增加0.3%,抗压强度增加约5%,可见含水量对强度的影响也是一个重要的控制因素。在施工现场,应严格控制混合料含水量,同时考虑到运输过程中的水分散失,结合施工过程中的天气情况,应适当调整含水量来保证混合料在施工时的含水量,从而使水稳层的强度得到保证。

5) 3#助剂用量

3#助剂用量对抗压强度影响不大,这是由于3#助剂的主要作用是调节浆液的黏稠度,对浆液强度的影响不是很显著,因此后续试验不考虑3#助剂用量对抗压强度的影响。

试验结果表明,各影响因素重要性依次为:水泥剂量>级配>2#助剂用量>含水量;水泥剂量和级配对抗压强度的影响最为明显。水泥剂量、2#助剂、含水量一般较容易控制,而级配变异性较大,因此要严格控制级配组成。

综上所述,对不同龄期的水稳层进行强度和冻融循环试验,选择水泥剂量3.5%、中值级配、含水量5.1%、2#助剂用量2.0%、1#助剂用量0.33%、3# 助剂用量1.5%作为最佳配比。

2.2 无侧限抗压强度

通过对1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 龄期的水稳材料进行抗压强度试验,得到SJP 水稳材料与传统水稳材料各龄期抗压强度关系,如图5 所示。

由图5 可知,两种水稳材料无侧限抗压强度随龄期增长而增大,前期(7 d 内)增长速度快,后期(7 d 后)增长速度较缓,同龄期SJP 水稳材料抗压强度高于纯水泥的传统水稳材料。

SJP 水稳材料3 d 的抗压强度达到了规范要求,3 d 抗压强度较传统水稳材料高约7%,28 d 抗压强度比传统水稳材料高约12%。与传统水稳材料相比,SJP 水稳料具有前期强度增长快、后期强度高的特点。其原因是SJP 浆液在纤维素类助剂的作用下产生了大量的纤维针状水泥水化衍生物,同时硅钙类助剂(2#)的加入使得C-S-H(水化硅酸钙)产量增多,C-S-H 与纤维状水泥衍生物相结合形成“联带”,从而有效地提高了胶结材料的黏聚力[14],水稳碎石中的细颗粒骨料在联带的作用下连接得更紧密,材料内部的结构也更加紧密,使SJP 水稳材料的后期强度更高,并且有效提高了过渡区界面结构的豁结力[15]。

2.3 质量损失率

本文采用快冻法对SJP 水稳材料和传统水稳材料进行冻融试验研究,平均质量损失率曲线如图6所示。结果表明,平均质量损失率随冻融次数的增加而提升。在相同的冻融循环下,SJP 水稳材料的质量损失率低于传统水稳材料。传统水稳材料冻融循环5 次时质量损失率相较于1 次时增长了230.9%;同条件下,SJP 水稳材料质量损失率提升了206.8%,两者相差达24.1%。经过5 次冻融循环后,SJP 水稳材料和传统水稳材料的质量损失率呈线性增加。20 次冻融循环时,传统水稳材料的质量损失率为5.56%,SJP 水稳性材料的质量损失率小于4.6%。从质量损失率来看,与传统水稳材料相比,SJP 水稳材料具有明显的性能优势。

2.4 抗压强度与抗冻系数

水稳材料冻融循环后抗冻系数(BDR)计算公式为

式中,RDC为n次冻融循环后试件抗压强度,MPa;Rc为对比试件抗压强度,MPa。

每组冻融循环试验按规范要求制备9 个标准试件,其中6 个为冻融试件,3 个为不冻融试件。制备完毕后分别进行5、10、15、20 次冻融循环,不同材料冻融循环实测值如表6 所示,不同冻融次数后的抗压强度如图7 所示,抗冻系数变化曲线如图8 所示。

表6 不同材料冻融循环实测值

从图7 的拟合曲线可以看出,随着冻融循环次数的增加,两种材料的抗压强度变化趋势基本相同。随着冻融循环次数的增加,抗压强度逐渐衰减且衰减速率增加,经过相同次数的冻融循环后,SJP水稳材料在强度上较传统水稳材料具有明显优势。由图8 可知,随着冻融次数的增加,抗冻系数呈大幅度线性减小的趋势。

从表6 的试验数据可以看出,在相同的冻融循环次数下,SJP 水稳材料的抗冻系数大于传统水稳材料的抗冻系数。经过5、10、15、20 次冻融循环后,SJP 水稳材料的抗压强度比非冻融材料分别降低了7%、22%、37%和55%,而传统水稳材料的抗压强度分别降低了13%、27%、46%和63%,这说明SJP 水稳材料抗压强度的衰减速率要比传统水稳材料抗压强度衰减速率低,具有良好的抗冻性能。这是因为SJP 浆液在纤维素类助剂的作用下产生了大量的纤维针状水泥水化衍生物,有效增强了胶结材料的黏聚力,水稳碎石中的细颗粒骨料在联带的作用下连接得更紧密,材料内部的结构也更加紧密。综上,SJP 水稳材料具有较高的后期强度和良好的抗冻性。

3 结论

通过正交试验、不同龄期抗压试验以及冻融循环作用下SJP 水泥稳定基层材料与传统水稳材料无侧限抗压强度试验研究,得到各影响因素、不同养护龄期和不同冻融次数对抗压强度的影响规律。主要结论如下:

(1) 根据正交试验结果分析,各因素对SJP 水稳材料无侧限抗压强度影响顺序为:水泥剂量>级配>2#助剂用量>含水量,且水泥剂量和级配对强度的影响最为明显,3#助剂对强度的贡献不大;SJP水稳材料的最优配比为:水泥剂量取3.5%,中值级配,含水量为5.1%,2#助剂用量为2.0%,1#助剂用量为0.33%、3#助剂用量为1.5%。

(2) 不同龄期抗压试验表明,SJP 水稳材料的3 d 抗压强度比传统水稳材料高约7%,28 d 的抗压强度比传统水稳材料高约12%,与传统水稳材料相比,SJP 水稳材料具有前期强度增长较快、后期强度高的特点。

(3) SJP 水稳材料的抗冻性优于传统水稳材料,其不同冻融循环下的质量损失率和强度衰减率均低于传统水稳材料。