水穩砂礫基層低溫冰凍環境抗裂性能研究

趙 躍

(江蘇高速公路工程養護有限公司，江蘇 淮安 223001)

?

水穩砂礫基層低溫冰凍環境抗裂性能研究

趙 躍

(江蘇高速公路工程養護有限公司，江蘇 淮安 223001)

摘要：水泥穩定砂礫混合料廣泛應用于我國各類公路的基層或底基層，其低溫冰凍環境抗裂性能是非常重要的路用性能指標。通過室內試驗分別研究了水泥激發劑(GRJ)、添加次序、砂礫集料的級配等因素在低溫冰凍環境對抗裂性能的影響。試驗結果表明：在低溫冰凍環境下采用28 d殘留凍融劈裂強度比作為低溫抗裂性能指標，更加符合水穩砂礫基層在低溫環境下受拉的實際應力狀態；同時通過摻加一定劑量的外加劑(GRJ)，可有效提高水穩砂礫基層的抗凍性能。對在低溫冰凍環境下增強水泥穩定砂礫混合料的適用性具有重要意義。

關鍵詞：低溫冰凍環境；水泥激發劑；抗裂性能

水泥穩定砂礫混合料廣泛應用于我國各類公路的基層或底基層，是半剛性基層材料的主要形式之一，在低溫冰凍環境地區抗裂性能是非常重要的路用性能指標[1]。本文將一種聚合物水泥激發劑用于低劑量水泥用量的水泥穩定砂礫混合料，并通過室內試驗分別研究了水泥激發劑(GRJ)、添加次序、砂礫集料的級配等三種因素對水泥穩定砂礫混合料低溫抗裂性能的影響。

1 原材料性質與集料級配

1.1 水泥和激發劑性能檢驗

試驗中采用青海大通水泥，試驗結果表明符合我國水泥技術規范的要求，其相關技術指標如表1所示。

表1 青海大通水泥技術指標檢驗結果

水泥激發劑為一種新型的水溶性粘稠高分子添加劑，相關性能指標為：聚合物類型，水溶性添加劑；外觀，半透明粘稠液體；樹脂含量，30.3%；NaO含量，0.25%；氯化物含量，0.002%；硫酸鹽含量，0.002%；粘度(25±2 ℃)，4 500 mpa·s；密度(25±2 ℃)，1.16 g/cm3；PH值，8.5～10.0；平均粒徑，10 nm。

1.2 集料性質與級配

按規范[2]檢驗集料的主要技術指標，對于粒徑小于0.6 mm的顆粒，檢驗其液限和塑性指數。集料的各項性能指標如表2所示。

集料級配是影響混合料性質的重要因素，本次試驗選取了兩種集料進行試驗，一種是天然砂礫集料，另一種是級配砂礫集料(粒徑37.5～2.36 mm占75%，粒徑2.36～0.075 mm占25%)，兩種砂礫篩分結果見圖1。

表2 集料技術指標值

圖1 兩種級配曲線圖

2 試驗結果對比分析

2.1 28 d凍融間接抗拉強度(劈裂強度)試驗

結構設計中以28 d凍融殘留抗壓強度比(TSR)作為評價半剛性材料低溫抗裂性能指標，并作為施工控制指標執行[3]。半剛性基層作為承重層，主要承受拉應力的作用，在荷載和低溫冰凍環境作用下，其最終的破壞形式表現為受拉開裂[4]，因此28 d凍融殘留劈裂強度比作為低溫抗裂指標能更好的評價材料在凍融條件下的抗拉性能。

劈裂強度試驗根據無機結合料穩定材料試驗規程進行，試驗前用游標卡尺量試件高度，劈裂強度根據破壞荷載計算。

(1)

式中：P為試件破壞時的最大壓力(N)；a為壓條的寬度，采用18.75 mm；α為半壓條寬度對應的圓心角；d為試件的直徑(mm)；H為試件高度(mm)。

正常情況下劈裂強度試驗試件養生齡期為90 d。考慮到低溫冰凍地區的氣候特點，本研究模仿瀝青混凝土凍融劈裂試驗，以28 d齡期試件做凍融前后的劈裂強度比來評價混合料的抗凍性能，并將其作為低溫冰凍地區水穩砂礫混合料設計的一個指標。凍融循環條件與瀝青混合料基本一致，考慮到低溫冰凍地區高溫一般在30 ℃以下，將熱融溫度改為40 ℃，試樣編號設計見表3，試驗結果如表4～表7所示。

2.2 28 d劈裂強度的影響因素分析

從圖2可以看出：

(1)在水泥劑量為3%時，摻加一定劑量的GRJ后，28 d劈裂強度呈現先增長后降低的規律，其規律性與無側限抗壓強度相同。其中3組試件的劈裂強度當GRJ摻量為6%時取最大值，只有一組試件的劈裂強度當GRJ摻量為2%時取最大值。

表3 試樣編號設計

表4 28 d試件劈裂強度(先加水泥)

表5 28 d試件劈裂強度(后加水泥)

表6 28 d凍融試件劈裂強度(先加水泥)

表7 28 d凍融試件劈裂強度(后加水泥)

圖2 28 d劈裂強度試驗結果

(2)水泥穩定級配砂礫的28 d劈裂強度普遍要高于水泥穩定天然砂礫。

(3)水泥添加次序對劈裂強度的影響不顯著。

2.3 28 d凍融劈裂強度的影響因素分析

從圖3可以看出：

(1)隨著GRJ摻量的增加，28 d凍融劈裂強度呈現先增長后降低的規律，其規律性與28 d劈裂強度完全相同。其中3組試件的凍融劈裂強度當GRJ摻量為6%時取最大值，只有1組試件的凍融劈裂強度當GRJ摻量為2%時取最大值。

(2)水泥穩定級配砂礫的28 d凍融劈裂強度普遍要高于水泥穩定天然砂礫。

(3)水泥添加次序對凍融劈裂強度的影響不明顯。

圖3 28 d凍融劈裂強度試驗結果

同時，相關試驗結果表明[5]，水泥劑量增大，水泥穩定砂礫最佳含水量和最大干密度均有所增大，水泥穩定天然砂礫混合料的強度越高；但同時也意味著基層的成本越高，而且水泥劑量越高，水穩砂礫混合料的干、溫縮特性增強，更容易導致水穩基層開裂。

2.4 凍融劈裂強度殘留比的影響因素分析

由圖4可以看出，摻加GRJ后，殘留強度比大體上呈先升高后降低的規律，當GRJ摻量為2%時，殘留強度比達到最大值，其抗凍性最強，而且級配砂礫要優于天然砂礫。

圖4 凍融劈裂強度殘留比

3 結束語

本文通過室內試驗，分別研究水泥激發劑(GRJ)的劑量(2%、6%、10%)、混合料的級配組成(天然砂礫和級配砂礫)、水泥添加次序等三個因素對劈裂強度、凍融劈裂強度及凍融劈裂殘留強度比的影響，通過以上研究表明:

(1)隨著GRJ摻量的提高，劈裂強度均呈先升高后降低的規律，先加水泥的水穩天然砂礫混合料當GRJ摻量為2%時凍融前后劈裂強度達到最高值，其余當GRJ摻量為6%時劈裂強度達到最高值。

(2)水泥的添加次序對凍融前后的劈裂強度也有一定影響，但幅度不大。

(3)不摻GRJ的天然砂礫殘留強度比小于級配砂礫，而摻加GRJ后，殘留強度比大體上呈先升高后降低的規律，即存在一個最佳摻量，使得凍融強度達到最大值，提高了混合料的抗凍性，而且級配砂礫要優于天然砂礫。

(4)試驗采用28 d殘留凍融劈裂強度比作為低溫抗裂性能指標，更加符合水穩砂礫基層在低溫冰凍環境下受拉的實際應力狀態，當凍融劈裂強度殘留比大于90%為合格。

(5)在添加低劑量水泥的水穩砂礫混合料中摻加一定劑量的外加劑(GRJ)，既滿足了抗拉強度的要求，提高了水穩基層的抗凍性能，又由于水泥劑量的降低減小了水穩基層的干、溫縮開裂，降低了水泥的成本，大大提高了水穩基層在低溫冰凍環境中的適應性。

參考文獻

[1]琚曉輝.水泥穩定碎石基層抗裂性能應用技術研究[D].鄭州：鄭州大學，2007

[2]中華人民共和國交通部.JTG E51—2009 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2009

[3]中華人民共和國交通部.JTG D50—2006 公路瀝青路面設計規范[S].北京：人民交通出版社，2006

[4]鄧有左.半剛性基層瀝青路面開裂原因及防治措施[J].公路，2001(6)：14-16

[5]趙 躍.低溫條件下水泥激發劑對水穩砂礫基層強度影響研究[J].山東工業技術，2016(4)：47-48

A Study of the Anti-Cracking Performance of the Cement-Stabilized Gravel Base in the Cryogenic Freezing Environment

Zhao Yue

(Jiangsu Expressway Engineering Maintenance Co.Ltd.,Huai′an 223001,China)

Abstract:Since the cement-stabilized sand-and-gravel mixture is widely applied to road bases or subgrades in our country,its anti-cracking performance in the cryogenic freezing environment becomes a very important road-use performance target.The effects of the cement activator(GRJ), the adding sequence and the grading of the sand-and-gravel aggregates on the anti-cracking performance of the mixture in the cryogenic freezing environment are studied by means of lab tests in the paper.The results of the tests show that taking the 28 d residual freezing-and-thawing splitting strength as the anti-cracking target for the cement-stabilized sand-and-gravel subgrade in the cryogenic freezing,environment is closer to the actual tension stress state of the cement-stabilized sand-and-gravel mixture.Meanwhile,with a certain dose of GRJ added,the anti-freezing performance of the cement-stabilized sand-and-gravel subgrade may be effectively improved,which is of great importance in improving the adaptability of the cement-stabilized sand-and-gravel mixture in the cryogenic freezing environment.

Key words:cryogenic freezing environment；cement activator;anti-cracking performance

收稿日期：2015-12-16

作者簡介：趙躍(1982—)，男，工程師，主要從事道橋工程材料與施工管理工作zachary1202@139.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.007

中圖分類號：U416.213

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)03-0027-04