凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石性能的影響

曲美燕 馬全紅 許雪松

(1東南大學化學化工學院,南京211189)(2南京市路橋工程總公司,南京210046)

凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石性能的影響

曲美燕1馬全紅1許雪松2

(1東南大學化學化工學院,南京211189)(2南京市路橋工程總公司,南京210046)

為了避免水泥穩定碎石基層收縮開裂的產生、延長路面使用壽命,在水泥穩定碎石基層中摻加凹凸棒石黏土來改善其力學性能與抗裂性能.試驗結果表明,與空白試樣相比,在各自最佳摻量下,摻X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石的7 d無側限抗壓強度分別提高約5.9%,5.4%和21.5%,50 d后其干縮系數較空白試驗分別減小約13.7%,7.4%和20.5%,且摻入凹凸棒石黏土后水泥穩定碎石的失水率也有一定程度的下降.采用掃描電鏡觀察水泥砂漿的微結構,發現凹凸棒石黏土摻入后生成較多的水化產物,形成網狀結構,從而大大減少了水泥穩定碎石的收縮裂縫數量.

凹凸棒石黏土;水泥穩定碎石基層;力學性能;抗裂性能;微結構

水泥穩定碎石基層以其較高的強度和良好的穩定性,在當前高等級公路建設中占有重要地位[1].但它脆性較大,抗變形能力低,在溫度或濕度變化時易產生收縮裂縫,從而導致路面產生反射裂縫,破壞路面結構的整體性和連續性,影響公路的使用質量和壽命.國內外研究者們采用摻膨脹劑、加鋪土工布或土工格柵、摻聚丙烯纖維和摻抗裂縫劑等方法來減少和抑制水泥穩定碎石基層裂縫的產生[2-4].這些方法存在一定的局限性,例如會增大原材料的使用成本、給施工過程帶來不便等.本文采用礦產資源豐富、價格低廉且具有膠體性、黏結性和填充性的凹凸棒石黏土為添加劑,摻入水泥穩定碎石基層中,以增加其強度、避免干燥收縮的產生,從而減少路面裂縫數量.

1 原材料及試樣

1.1 水泥穩定碎石

本試驗采用南京柘塘水泥有限公司提供的P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥.根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)[5],對水泥的各項性能進行檢驗,結果見表1.由表可知,該水泥符合國家水泥質量要求[6].

表1 水泥性能

注:T為養護齡期.

碎石集料選用南京市路橋工程總公司122省道南京段改擴建工程現場施工的集料,最大粒徑為31.5 mm,采用懸浮密實級配.

1.2 添加劑原材料

本文選用了3種凹凸棒石黏土:X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土.其中,Y型凹凸棒石黏土的煅燒溫度為800 ℃.主要成分分析見表2.

本文中采用的水泥質量分數為4.5%,X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的摻量分別為水泥質量的5%,10%和15%.

表2 凹凸棒石黏土的化學組成 %

1.3 試樣成型

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[7],所有試樣均在各自最大干密度和最佳含水量下成型.制備的試樣分為圓柱形試樣和梁式試樣2類.圓柱形試樣的尺寸為150 mm×150 mm,主要用于無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗和抗壓回彈模量試驗;梁式試樣的尺寸為150 mm×150 mm×550 mm,主要用于干縮試驗.

試樣采用靜壓成型,壓實度為98%,于溫度為(20±2) ℃、濕度不小于95%的條件下進行標準養護.

2 凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石性能的影響

2.1 基層強度

在路面結構中,水泥穩定碎石基層是主要的承重層.在環境和車輛荷載作用下,基層材料的力學特性對路面使用壽命具有重要影響.本文主要考察了摻凹凸棒石黏土水泥穩定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度.根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[7],在同一水泥劑量下,對不同摻量的凹凸棒石黏土水泥穩定碎石材料進行了不同齡期的無側限抗壓強度試驗和劈裂強度試驗,結果見表3.由表可知,摻凹凸棒石黏土水泥穩定碎石材料的強度隨齡期的增長而增大;對于相同齡期的試樣,摻入凹凸棒石黏土后,水泥穩定碎石基層材料的強度得到明顯提高,且隨摻量的增加,強度先增大后減小.X型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%.與空白試樣相比,在各自最佳摻量下,摻加X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石的7 d無側限抗壓強度分別提高約5.9%, 5.4%和21.5%,劈裂強度分別提高約6.8%,4.0%和11.1%.

表3 強度試驗結果

注:Rc7,Rc14,Rc28分別為T=7,14,28 d的無側限抗壓強度;Ri7,Ri14,Ri28分別為T=7,14,28 d的劈裂強度.

2.2 基層剛度

將抗壓回彈模量作為水泥穩定碎石基層材料剛度的標準.根據凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石強度的影響結果,在抗壓回彈模量試驗中將凹凸棒石黏土摻量選取為10%.根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[7]中的頂面法進行室內抗壓回彈模量試驗,選用圓柱形試樣,T=90 d.試驗結果見圖1.

圖1 抗壓回彈模量

由圖1可知,將凹凸棒石黏土摻入水泥穩定碎石中后,其抗壓回彈模量值與無側限抗壓強度之間基本呈正相關關系,即無側限抗壓強度越大,其抗壓回彈模量越大,這與已有研究結論[8]相符.摻Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石的抗壓強度及回彈模量最大,其次是摻X型凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石.基層的抗壓回彈模量越大,說明路面結構的整體剛度越大.由文獻[9]可知,在交通荷載作用下,增大基層抗壓回彈模量,可以減少瀝青層層底彎拉應力,延長瀝青層的使用壽命,但抗壓回彈模量過大則會導致基層材料本身的彎拉應力增大,從而影響基層材料的綜合利用,因此剛度應與強度相適合.

2.3 干燥收縮性能

干燥收縮是指水泥穩定碎石材料內部因水分散失而導致的體積收縮,其基本原理為:水泥穩定碎石材料內部水分不斷散失,產生毛細管張力作用、吸附水及分子間力作用、礦物晶體或凝膠體的層間水作用和碳化脫水作用,從而導致基層整體體積變化[10].在交通荷載作用下,路面會產生反射裂縫并逐漸擴展和延伸,影響公路的使用質量和壽命.為研究凹凸棒石黏土品種及摻量對水泥穩定碎石基層干燥收縮性能的影響,按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[7],分別測試不同摻量下不同凹凸棒石黏土改良水泥穩定碎石的干縮系數,結果分別見圖2和圖3.

由圖2可知,隨著時間的延長,水泥穩定碎石基層材料干縮系數逐漸增加.X型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%,這與強度試驗結論一致.與空白試樣相比,摻X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土、Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石的50 d干縮系數分別減小約13.7%,7.4%和20.5%,且摻Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石的干縮系數最小.

凹凸棒石黏土作為外加劑在建材行業中應用廣泛.文獻[11-12]指出,凹凸棒石黏土能夠改善水泥砂漿的流動性,具有保水增稠作用,可提高水泥砂漿的抗滲能力.由圖3可知,摻X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土、Y型煅燒凹凸棒石黏土的水泥穩定碎石基層材料前15 d的失水率均小于基準樣的失水率,說明摻入適量的凹凸棒石黏土能夠減少基層材料初期水分的散失,從而減少干燥收縮,防止收縮開裂的產生.

(a) X型凹凸棒石黏土

(b) Y型凹凸棒石黏土

(c) Y型煅燒凹凸棒石黏土

圖3 失水率與時間的關系

3 微觀結構

采用掃描電子顯微鏡對摻凹凸棒石黏土水泥砂漿的微觀結構進行分析,并與空白水泥砂漿進行對比,結果見圖4.由圖可知,與空白砂漿相比,摻凹凸棒石黏土的水泥砂漿中生成了更多的纖維狀水化產物,形成更多的網狀結構,將混合料連接成一個整體,從而增加了混合料的整體強度.這些網狀結構是水泥水化反應的結果.水泥水化反應生成Ca(OH)2,繼而生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,這2種產物均具有明顯的膨脹性、增強性和抗水性[13],從而避免了基層結構因溫度和濕度變化所引起的收縮,改善了水泥穩定碎石的收縮性能.因此,在水泥穩定碎石基層中加入適量的凹凸棒石黏土,能夠提高基層強度,防止基層開裂.

(a) 空白試樣

(b) X型凹凸棒石黏土

(d) Y型煅燒凹凸棒石黏土

4 結論

1) 凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度和劈裂強度均有不同程度的改善.X型凹凸棒石黏土與Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%.

2) Y型煅燒凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石的抗壓回彈模量影響最大,其次為X型凹凸棒石黏土.

3) 由干縮試驗結果可知,X型凹凸棒石黏土和Y型煅燒凹凸棒石黏土的最佳摻量為10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳摻量為5%,這與強度試驗結論一致.在各自最佳摻量下,Y型煅燒凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石的干縮系數影響最大,50 d干縮系數減小約20.5%.

4) 通過微觀結構的觀察,摻凹凸棒石黏土的水泥砂漿中能生成較多的纖維狀水化產物,形成網狀結構,將混合料連接成一個整體,使混合料更加密實,從而提高混合料強度,避免干燥收縮的產生.

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Influence of palygorskite clay on properties of cement-stabilized macadam

Qu Meiyan1Ma Quanhong1Xu Xuesong2

(1School of Chemistry and Chemical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(2Nanjing Road and Bridge Engineering Company, Nanjing 210046, China)

To avoid the occurrence of the shrinkage cracks of cement-stabilized macadam base and prolong the life span of pavement, palygorskite clay was mixed in cement-stabilized macadam base to improve the strength properties and crack resistance. The experimental results show that compared with the blank sample, the unconfined compressive strengths of the cement-stabilized macadam mixed by type X palygorskite clay, type Y palygorskite clay and type Y calcined palygorskite clay with the corresponding optimal contents increase by about 5.9%,5.4% and 21.5%,respectively, at the curing age of 7 d. And after 50 d, their dry-shrinkage coefficients reduce by about 13.7%, 7.4% and 20.5%, respectively. Meanwhile, the water loss rate of the cement-stabilized macadam mixed with palygorskite clay also decreases to a certain extent. The microstructure of the cement pastes mixed with palygorskite clay is observed by scanning electronic microscope. The results show that more fibrous hydration products and a net-like microstructure exist in the cement pastes mixed with palygorskite clay, inducing the great decrease of the number of the shrinkage cracks of the cement-stabilized macadam.

palygorskite clay; cement-stabilized macadam base; strength properties; crack resistance; microstructure

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.035

2014-10-21. 作者簡介: 曲美燕(1989—),女,碩士生;馬全紅(聯系人),女,博士,副教授,mqh@seu.edu.cn.

江蘇省交通科學研究計劃資助項目(2013-C-04).

曲美燕,馬全紅，許雪松.凹凸棒石黏土對水泥穩定碎石性能的影響[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(2):399-403.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.035

U414

A

1001-0505(2015)02-0399-05