無機結合料綜合穩定材料溫度收縮性能

張建明　楊冉　蔡瓊

摘 要：無機結合料穩定材料熱學性質由質點間的鍵性和熱運動以及結構組成所決定，溫縮性受組成礦物單元的含量比例、結構強度及各組成礦物單元的影響。通過試驗研究和分析無機結合料綜合穩定材料溫度收縮性能及其規律，分析溫縮抗裂性能與材料越密實關系。

關鍵詞：無機結合料；穩定材料；溫度收縮

1 材料選取及性質分析

本文涉及的無機結合料綜合穩定材料以公路基層用水泥石灰粉煤灰穩定砂礫（CLFG）為分析和研究對象，其原材料的選取和性質分析如下。水泥采用華新水泥廠生產的425#普通硅酸鹽水泥。其檢驗結果為細度篩余量7.1%；初凝時間2時51分，終凝時間3時23分；三天抗壓強度27.1Mpa，抗折強度5.8Mpa。

石灰為湖北鄂州市售一般熟石灰，CaO含量63.6%，MgO含量2.65%。由于MgO<4%，此石灰為鈣質石灰，活性鈣鎂含量總量達66.21%，屬I級石灰，各項指標均符合規范要求。

粉煤灰取自武昌熱電廠，粉煤灰活性SiO2+Al2O3+Fe2O3=88.22%，活性物質含、量很高而CaO只有3.9%，屬于硅鋁粉煤灰。各項指標均滿足規范要求。集料采用湖北鄂州的天然砂礫，含泥量為4%。

2 試驗過程

本文試驗共采用四種混合料組成。為了更好地考察體積設計法的效果，所有混合料中結合料的配合比均相同。即水泥∶石灰∶粉煤灰=3∶1∶4。

2.1 常規中限

集料級配采用規范推薦范圍的中值，按規范設計方法來篩選確定結合料劑量。根據規范要求，試件7d無側限抗壓強度大于3MPa為合格。考慮到目前基層路用性能中剛度和材料的收縮性能是關注的重心，所以選取符合強度要求的較低劑量9%。

2.2 CLFG上、中及下限

表1 CLFG試件成型參數

項目 CLFG上限 CLFG中限 CLFG下限

集料振實密度（g/cm3） 2.115 2.123 2.095

集料視密度（g/cm3） 2.694 2.697 2.699

集料空隙率（%） 21.49 21.28 22.38

結合料最大干密度（g/cm3） 1.335 1.335 1.335

結合料劑量（%） 13.6 13.4 14.3

混合料最大干密度（g/cm3） 2.40 2.41 2.39

混合料最佳含水量（%） 6.4 6.3 6.6

按研究方案，對水泥石灰粉煤灰穩定天然砂礫（CLFG）采用規范推薦范圍的上、中及下限，采用體積法設計混合料的組成，簡稱為CLFG上限、CLFG中限和CLFG下限。相關測定數據和計算結果見表1。

3 溫度收縮試驗結果

半剛性基層材料是由固相、液相（存在于固相表面與空隙中的水和水溶液）和氣相組成。其溫縮性受組成礦物單元的含量比例、結構強度及各組成礦物單元的影響。水是影響此類材料溫度收縮的主要因素，特別是在非飽水狀態時影響較大。水對無機結合料影響主要通過擴張作用、毛細管張力和冰凍作用實現。相對而言對石灰類影響最大，對二灰類影響次之，對水泥類影響最小。

對7d齡期的四個樣品在不同溫度下測定其溫縮系數，其試驗結果如圖1，CLFG平均溫縮系數如表2。

4 溫度收縮規律

4.1 溫度收縮系數隨溫度的變化規律。從圖1中可以得出：CLFG材料溫縮系數在試驗溫度區間 25～5℃內隨溫度變化表現為較平緩，隨溫度降低溫縮系數降低，而在試驗溫度區間 5～-15℃內表現為隨溫度變化下降而增大，增長幅度較大。對這一規律的解釋是：穩定碎石三相組成中，液相水盡管量少，但是具有較大的體積膨脹系數，其線膨脹系數約為固相的4～6倍。所用試件雖然經過了一定的風干，但是試件中仍含有一定量的重力水和毛細水，即使是密實試件也還含有內部毛細水、濃度差滲透水等弱結合水。而重力水的冰點在4℃附近，弱結合水的冰點在0～-10℃附近冰結冰后體積增大，所以能抵消部分變形。因此，溫縮曲線在4℃附近出現最低點，同時也表明密實試件的弱結合水含量很低。

圖1 7d齡期的溫縮系數

表2 CLFG平均溫縮系數

平均溫縮系數（με/℃） 常規中限 CLFG上限 CLFG中限 CLFG下限

7d 7.88 8.64 7.54 7.37

60d 9.45 9.64 8.29 8.08

4.2 溫度收縮系數隨集料級配的變化規律。齡期相同和水泥劑量相同條件下，根據CLFG基層在低溫段、高溫段和總體上的平均溫度收縮系數變化情況，可以得出平均溫度收縮系數大小排序為：CLFG上限>常規中限>CLFG中限>CLFG下限。

級配0.075mm及以下填料含量的排列順序是：CLFG上限>CLFG中限>CLFG下限。可見，溫縮系數與填料含量有非常明顯的相關性，填料含量多，則溫縮系數大；填料含量少，則溫縮系數小。這其中的主要原因可能與填料中的次生礦物有關，因為次生礦物的溫縮系數較大。還有，隨著填料含量的增加，集料總體比表面積增加，從而水泥穩定材料中新生膠結物質的分散度增加，導致膠結物質對溫縮性的貢獻增加，宏觀表現為溫縮系數增大。

由此規律可知，溫縮系數大小與集料形成的結構類型或集料的分布類型也有一定的相關性。

4.3 不同齡期相同配合比的溫縮規律。由試驗數據所繪圖可知，從28天齡期到60天，溫縮系數增加。隨著材料內部膠結物晶體的不斷增加，其溫縮系數也會增加。由于混合料強度在后期增長較慢，而后期強度增長的主要原因就是膠結物晶體含量的提高。因此，可以預測在后期溫縮系數增加幅度較小。

原因分析：由溫度收縮系數近似的理論公式可知，干燥了的水泥穩定類材料的溫縮系數主要由各組成材料的體積彈性模量、體積百分率和溫度收縮系數決定。而形成水泥穩定碎石強度的主要膠結物—Ca（OH）2、CaCO3、含水鋁酸鈣（C-A-H）以及水泥的主要水化物以及Ca（OH）2晶體、CaCO3等是組成材料中的重要一部分。隨著齡期的增加和水泥水化硬化反應的深入，這些組分在整體材料中所占的比例越來越大，而它們的溫縮系數又比集料大，所以整體材料的溫縮系數必然隨齡期而有所增加。

摘 要：無機結合料穩定材料熱學性質由質點間的鍵性和熱運動以及結構組成所決定，溫縮性受組成礦物單元的含量比例、結構強度及各組成礦物單元的影響。通過試驗研究和分析無機結合料綜合穩定材料溫度收縮性能及其規律，分析溫縮抗裂性能與材料越密實關系。

關鍵詞：無機結合料；穩定材料；溫度收縮

1 材料選取及性質分析

本文涉及的無機結合料綜合穩定材料以公路基層用水泥石灰粉煤灰穩定砂礫（CLFG）為分析和研究對象，其原材料的選取和性質分析如下。水泥采用華新水泥廠生產的425#普通硅酸鹽水泥。其檢驗結果為細度篩余量7.1%；初凝時間2時51分，終凝時間3時23分；三天抗壓強度27.1Mpa，抗折強度5.8Mpa。

石灰為湖北鄂州市售一般熟石灰，CaO含量63.6%，MgO含量2.65%。由于MgO<4%，此石灰為鈣質石灰，活性鈣鎂含量總量達66.21%，屬I級石灰，各項指標均符合規范要求。

粉煤灰取自武昌熱電廠，粉煤灰活性SiO2+Al2O3+Fe2O3=88.22%，活性物質含、量很高而CaO只有3.9%，屬于硅鋁粉煤灰。各項指標均滿足規范要求。集料采用湖北鄂州的天然砂礫，含泥量為4%。

2 試驗過程

本文試驗共采用四種混合料組成。為了更好地考察體積設計法的效果，所有混合料中結合料的配合比均相同。即水泥∶石灰∶粉煤灰=3∶1∶4。

2.1 常規中限

集料級配采用規范推薦范圍的中值，按規范設計方法來篩選確定結合料劑量。根據規范要求，試件7d無側限抗壓強度大于3MPa為合格。考慮到目前基層路用性能中剛度和材料的收縮性能是關注的重心，所以選取符合強度要求的較低劑量9%。

2.2 CLFG上、中及下限

表1 CLFG試件成型參數

項目 CLFG上限 CLFG中限 CLFG下限

集料振實密度（g/cm3） 2.115 2.123 2.095

集料視密度（g/cm3） 2.694 2.697 2.699

集料空隙率（%） 21.49 21.28 22.38

結合料最大干密度（g/cm3） 1.335 1.335 1.335

結合料劑量（%） 13.6 13.4 14.3

混合料最大干密度（g/cm3） 2.40 2.41 2.39

混合料最佳含水量（%） 6.4 6.3 6.6

按研究方案，對水泥石灰粉煤灰穩定天然砂礫（CLFG）采用規范推薦范圍的上、中及下限，采用體積法設計混合料的組成，簡稱為CLFG上限、CLFG中限和CLFG下限。相關測定數據和計算結果見表1。

3 溫度收縮試驗結果

半剛性基層材料是由固相、液相（存在于固相表面與空隙中的水和水溶液）和氣相組成。其溫縮性受組成礦物單元的含量比例、結構強度及各組成礦物單元的影響。水是影響此類材料溫度收縮的主要因素，特別是在非飽水狀態時影響較大。水對無機結合料影響主要通過擴張作用、毛細管張力和冰凍作用實現。相對而言對石灰類影響最大，對二灰類影響次之，對水泥類影響最小。

對7d齡期的四個樣品在不同溫度下測定其溫縮系數，其試驗結果如圖1，CLFG平均溫縮系數如表2。

4 溫度收縮規律

4.1 溫度收縮系數隨溫度的變化規律。從圖1中可以得出：CLFG材料溫縮系數在試驗溫度區間 25～5℃內隨溫度變化表現為較平緩，隨溫度降低溫縮系數降低，而在試驗溫度區間 5～-15℃內表現為隨溫度變化下降而增大，增長幅度較大。對這一規律的解釋是：穩定碎石三相組成中，液相水盡管量少，但是具有較大的體積膨脹系數，其線膨脹系數約為固相的4～6倍。所用試件雖然經過了一定的風干，但是試件中仍含有一定量的重力水和毛細水，即使是密實試件也還含有內部毛細水、濃度差滲透水等弱結合水。而重力水的冰點在4℃附近，弱結合水的冰點在0～-10℃附近冰結冰后體積增大，所以能抵消部分變形。因此，溫縮曲線在4℃附近出現最低點，同時也表明密實試件的弱結合水含量很低。

圖1 7d齡期的溫縮系數

表2 CLFG平均溫縮系數

平均溫縮系數（με/℃） 常規中限 CLFG上限 CLFG中限 CLFG下限

7d 7.88 8.64 7.54 7.37

60d 9.45 9.64 8.29 8.08

4.2 溫度收縮系數隨集料級配的變化規律。齡期相同和水泥劑量相同條件下，根據CLFG基層在低溫段、高溫段和總體上的平均溫度收縮系數變化情況，可以得出平均溫度收縮系數大小排序為：CLFG上限>常規中限>CLFG中限>CLFG下限。

級配0.075mm及以下填料含量的排列順序是：CLFG上限>CLFG中限>CLFG下限。可見，溫縮系數與填料含量有非常明顯的相關性，填料含量多，則溫縮系數大；填料含量少，則溫縮系數小。這其中的主要原因可能與填料中的次生礦物有關，因為次生礦物的溫縮系數較大。還有，隨著填料含量的增加，集料總體比表面積增加，從而水泥穩定材料中新生膠結物質的分散度增加，導致膠結物質對溫縮性的貢獻增加，宏觀表現為溫縮系數增大。

由此規律可知，溫縮系數大小與集料形成的結構類型或集料的分布類型也有一定的相關性。

4.3 不同齡期相同配合比的溫縮規律。由試驗數據所繪圖可知，從28天齡期到60天，溫縮系數增加。隨著材料內部膠結物晶體的不斷增加，其溫縮系數也會增加。由于混合料強度在后期增長較慢，而后期強度增長的主要原因就是膠結物晶體含量的提高。因此，可以預測在后期溫縮系數增加幅度較小。

原因分析：由溫度收縮系數近似的理論公式可知，干燥了的水泥穩定類材料的溫縮系數主要由各組成材料的體積彈性模量、體積百分率和溫度收縮系數決定。而形成水泥穩定碎石強度的主要膠結物—Ca（OH）2、CaCO3、含水鋁酸鈣（C-A-H）以及水泥的主要水化物以及Ca（OH）2晶體、CaCO3等是組成材料中的重要一部分。隨著齡期的增加和水泥水化硬化反應的深入，這些組分在整體材料中所占的比例越來越大，而它們的溫縮系數又比集料大，所以整體材料的溫縮系數必然隨齡期而有所增加。

摘 要：無機結合料穩定材料熱學性質由質點間的鍵性和熱運動以及結構組成所決定，溫縮性受組成礦物單元的含量比例、結構強度及各組成礦物單元的影響。通過試驗研究和分析無機結合料綜合穩定材料溫度收縮性能及其規律，分析溫縮抗裂性能與材料越密實關系。

關鍵詞：無機結合料；穩定材料；溫度收縮

1 材料選取及性質分析

本文涉及的無機結合料綜合穩定材料以公路基層用水泥石灰粉煤灰穩定砂礫（CLFG）為分析和研究對象，其原材料的選取和性質分析如下。水泥采用華新水泥廠生產的425#普通硅酸鹽水泥。其檢驗結果為細度篩余量7.1%；初凝時間2時51分，終凝時間3時23分；三天抗壓強度27.1Mpa，抗折強度5.8Mpa。

石灰為湖北鄂州市售一般熟石灰，CaO含量63.6%，MgO含量2.65%。由于MgO<4%，此石灰為鈣質石灰，活性鈣鎂含量總量達66.21%，屬I級石灰，各項指標均符合規范要求。

粉煤灰取自武昌熱電廠，粉煤灰活性SiO2+Al2O3+Fe2O3=88.22%，活性物質含、量很高而CaO只有3.9%，屬于硅鋁粉煤灰。各項指標均滿足規范要求。集料采用湖北鄂州的天然砂礫，含泥量為4%。

2 試驗過程

本文試驗共采用四種混合料組成。為了更好地考察體積設計法的效果，所有混合料中結合料的配合比均相同。即水泥∶石灰∶粉煤灰=3∶1∶4。

2.1 常規中限

集料級配采用規范推薦范圍的中值，按規范設計方法來篩選確定結合料劑量。根據規范要求，試件7d無側限抗壓強度大于3MPa為合格。考慮到目前基層路用性能中剛度和材料的收縮性能是關注的重心，所以選取符合強度要求的較低劑量9%。

2.2 CLFG上、中及下限

表1 CLFG試件成型參數

項目 CLFG上限 CLFG中限 CLFG下限

集料振實密度（g/cm3） 2.115 2.123 2.095

集料視密度（g/cm3） 2.694 2.697 2.699

集料空隙率（%） 21.49 21.28 22.38

結合料最大干密度（g/cm3） 1.335 1.335 1.335

結合料劑量（%） 13.6 13.4 14.3

混合料最大干密度（g/cm3） 2.40 2.41 2.39

混合料最佳含水量（%） 6.4 6.3 6.6

按研究方案，對水泥石灰粉煤灰穩定天然砂礫（CLFG）采用規范推薦范圍的上、中及下限，采用體積法設計混合料的組成，簡稱為CLFG上限、CLFG中限和CLFG下限。相關測定數據和計算結果見表1。

3 溫度收縮試驗結果

半剛性基層材料是由固相、液相（存在于固相表面與空隙中的水和水溶液）和氣相組成。其溫縮性受組成礦物單元的含量比例、結構強度及各組成礦物單元的影響。水是影響此類材料溫度收縮的主要因素，特別是在非飽水狀態時影響較大。水對無機結合料影響主要通過擴張作用、毛細管張力和冰凍作用實現。相對而言對石灰類影響最大，對二灰類影響次之，對水泥類影響最小。

對7d齡期的四個樣品在不同溫度下測定其溫縮系數，其試驗結果如圖1，CLFG平均溫縮系數如表2。

4 溫度收縮規律

4.1 溫度收縮系數隨溫度的變化規律。從圖1中可以得出：CLFG材料溫縮系數在試驗溫度區間 25～5℃內隨溫度變化表現為較平緩，隨溫度降低溫縮系數降低，而在試驗溫度區間 5～-15℃內表現為隨溫度變化下降而增大，增長幅度較大。對這一規律的解釋是：穩定碎石三相組成中，液相水盡管量少，但是具有較大的體積膨脹系數，其線膨脹系數約為固相的4～6倍。所用試件雖然經過了一定的風干，但是試件中仍含有一定量的重力水和毛細水，即使是密實試件也還含有內部毛細水、濃度差滲透水等弱結合水。而重力水的冰點在4℃附近，弱結合水的冰點在0～-10℃附近冰結冰后體積增大，所以能抵消部分變形。因此，溫縮曲線在4℃附近出現最低點，同時也表明密實試件的弱結合水含量很低。

圖1 7d齡期的溫縮系數

表2 CLFG平均溫縮系數

平均溫縮系數（με/℃） 常規中限 CLFG上限 CLFG中限 CLFG下限

7d 7.88 8.64 7.54 7.37

60d 9.45 9.64 8.29 8.08

4.2 溫度收縮系數隨集料級配的變化規律。齡期相同和水泥劑量相同條件下，根據CLFG基層在低溫段、高溫段和總體上的平均溫度收縮系數變化情況，可以得出平均溫度收縮系數大小排序為：CLFG上限>常規中限>CLFG中限>CLFG下限。

級配0.075mm及以下填料含量的排列順序是：CLFG上限>CLFG中限>CLFG下限。可見，溫縮系數與填料含量有非常明顯的相關性，填料含量多，則溫縮系數大；填料含量少，則溫縮系數小。這其中的主要原因可能與填料中的次生礦物有關，因為次生礦物的溫縮系數較大。還有，隨著填料含量的增加，集料總體比表面積增加，從而水泥穩定材料中新生膠結物質的分散度增加，導致膠結物質對溫縮性的貢獻增加，宏觀表現為溫縮系數增大。

由此規律可知，溫縮系數大小與集料形成的結構類型或集料的分布類型也有一定的相關性。

4.3 不同齡期相同配合比的溫縮規律。由試驗數據所繪圖可知，從28天齡期到60天，溫縮系數增加。隨著材料內部膠結物晶體的不斷增加，其溫縮系數也會增加。由于混合料強度在后期增長較慢，而后期強度增長的主要原因就是膠結物晶體含量的提高。因此，可以預測在后期溫縮系數增加幅度較小。

原因分析：由溫度收縮系數近似的理論公式可知，干燥了的水泥穩定類材料的溫縮系數主要由各組成材料的體積彈性模量、體積百分率和溫度收縮系數決定。而形成水泥穩定碎石強度的主要膠結物—Ca（OH）2、CaCO3、含水鋁酸鈣（C-A-H）以及水泥的主要水化物以及Ca（OH）2晶體、CaCO3等是組成材料中的重要一部分。隨著齡期的增加和水泥水化硬化反應的深入，這些組分在整體材料中所占的比例越來越大，而它們的溫縮系數又比集料大，所以整體材料的溫縮系數必然隨齡期而有所增加。