水泥穩定碎石低溫強度與干縮特性分析

周啟偉，葉　偉，楊　波，吳雪柳

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶　400074;2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶　400067)

?

水泥穩定碎石低溫強度與干縮特性分析

周啟偉1,2，葉偉2，楊波2，吳雪柳2

(1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074;2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶400067)

以研究高寒地區水泥穩定碎石基層材料路用性能為目的，分別研究了在低溫環境下，不同的級配、不同類型早強劑對水泥穩定碎石材料無側限抗壓強度和劈裂強度的影響，同時也研究了不同外加劑對水泥穩定碎石材料干縮特性的影響。研究結果表明：0 ℃和5 ℃養生，級配偏中值時試件的無側限抗壓強度最佳，摻入C類早強劑7 d無側限抗壓強度和劈裂強度最佳，無側限抗壓強度提高了57.8%和99%，劈裂強度分別提高了78%和14%；摻入聚丙烯纖維的水泥穩定碎石28 d累計干縮應變減小了33.3%，抗干縮性能優于膨脹劑。

低溫環境； 7 d無側限抗壓強度； 劈裂強度； 累計干縮應變

1　引　言

水泥穩定碎石基層以強度高、穩定性好、施工周期短、造價相比柔性基層低的特點在我國被廣泛使運用于高等級公路建設中。但在高寒地區的施工過程中均發現水泥穩定碎石易出現早期強度不足和干縮開裂等早期病害，不僅影響了施工工期，也為路面出現早期破壞埋下隱患。因此，如何解決高寒地區低溫環境條件下水泥穩定碎石早期強度不足和干縮開裂問題一直是改善高寒地區路面基層施工質量，降低路面出現早期破壞幾率的核心技術問題之一。目前，國內就如何提高低溫環境下水泥穩定碎石早期強度的相關文獻少見報道[1,2]，對于水泥低溫水化方面的相關研究主要集中在房屋建筑領域和深海油氣開采領域[3-6]，而對摻入兩種以上復合外加劑的水泥穩定碎石干縮特性的研究也少見相關文獻報道[7-9]。本文結合西藏地區的地理氣候情況，開展低溫環境下，不同級配和早強劑對水泥穩定碎石材料強度的影響規律研究，同時研究了不同外加劑的水泥穩定碎石干縮特性，以期為當地的工程施工提供合理解決方案和數據參考。

2　試　驗

2.1試驗材料

(1)水泥

水泥采用新疆某公司生產的P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，水泥細度為3.8%，其它技術性質試驗結果見表1所示。

表1　水泥的主要技術指標

(2)集料

集料采用石灰巖，其物理指標結果見表 2。

表2　集料主要技術指標

(3)早強劑

參照相關規范，分別選用三種不同類型的低溫早強劑，相應指標見下表3。

表3　早強劑指標

(4)外加劑

分別選用了聚丙烯纖維和微膨脹劑用于改善水泥穩定碎石的干縮性能，性能滿足相關規范要求。

(5)級配設計

參照在JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規范》中懸浮密實型結構的范圍，分別合成出粗中細三種不同的級配，固定水泥用量為5%，并分別測定其最大干密度和最佳含水量，結果見下圖1、表4。

表4　擊實試驗結果

2.2試驗方法

圖1　合成級配Fig.1　Synthesis of grading

(1)低溫環境模擬

先將水、集料、水泥和早強劑放入預定設置的低溫箱(溫度分別為0 ℃和5 ℃)中放置4 h，然后按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)的要求成型后將試件放入低溫箱中養生，直至6 d后取出在相同溫度的水中放置1 d，方能進行試驗。

(2)強度試驗

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)，將制備好的試件分別進行無側限抗壓強度試驗和劈裂試驗。

(3)干縮試驗

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51-2009)，將制備好的試件進行干縮試驗。

3　結果與討論

3.1級配對水泥穩定碎石低溫無側限抗壓強度的影響

(1)試驗結果

根據以上選出的三種粗、中、細級配，分別進行低溫下的7 d無側限抗壓強度測試，擬得出低溫環境下抗壓強度最優的級配，具體數據及分析見下表5。

表5　不同級配的7 d無側限抗壓強度試驗結果

(2)結果分析

由以上表5中分析得出低溫環境下，中級配的7 d無側限抗壓強度最佳，同時在不同的養護溫度下，水泥穩定碎石的抗壓強度隨著溫度的降低而衰減，因此擬定中級配為優選級配，并進行下一步研究。

3.2不同早強劑對水泥穩定碎石低溫無側限抗壓強度的影響

(1)試驗結果

選用上述三種不同的早強劑，摻入采用中級配的水泥穩定碎石中，水泥劑量5%，進行無側限抗壓強度測試，以得出在低溫條件下強度最優的早強劑。具體數據見表6。

(2)結果分析

由上表6可以得出5 ℃養生，7 d無側限抗壓強度摻入C類早強劑提高了99%，B類早強劑提高了76%，A類早強劑提高了39%；0 ℃養生，7 d無側限抗壓摻入C類早強劑強度提高了57.8%，B類早強劑提高了20.5%，A類早強劑幾乎不提高。

表6　摻不同早強劑7 d無側限抗壓強度試驗結果

3.3不同早強劑對水泥穩定碎石低溫劈裂強度的影響

(1)試驗結果

選用上述三種不同的早強劑，摻入水泥穩定碎石中，進行劈裂強度測試，以得出在低溫條件下抗彎拉強度最優的早強劑。具體數據見下表7。

表7　摻不同早強劑的劈裂強度試驗結果

(2)試驗結果分析

由表7得出在同一養生溫度下，C類早強劑對水泥穩定碎石劈裂強度的提升最為明顯，0 ℃養生時，提高了78%，5 ℃養生時，提高了14%。

3.4干縮試驗

(1)試驗方案

試驗方案如表8所示。

表8　試驗方案

(2)試驗結果及分析

圖2　累計干縮應變結果Fig.2　Result of total dry shrinkage strain

試驗結果分析：由圖2分析得出， 28 d累計干縮應變方案Ⅱ比方案Ⅰ減小了13.72%；而方案Ⅲ比方案Ⅰ減小33.6%，摻聚丙烯纖維的水泥穩定碎石抗干縮開裂性能較優。分析其原因為聚丙烯纖維在砂漿內部形成一個三維交錯的網絡體系，承擔了一部分因水穩層體積收縮引起的內應力，同時擠壓甚至阻塞水穩層內部的毛細管，一定程度上減小了因水分從毛細管流失而形成的表面張力，增強了材料整體抵抗開裂的抗拉強度，材料表面的開裂狀況得以緩解，抗干縮開裂的性能得到提升。

而水泥膨脹劑作用是依靠膨脹劑與水泥水化產物Ca(OH)2反應生成鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O)大體積晶體引起的固相體積增大能抵消掉一部分水泥穩定碎石材料因失水干縮引起的毛細管張力及水分子間作用力，從而減小水泥穩定碎石由收縮應力而引起的體積收縮。但是相比聚丙烯纖維，水泥膨脹劑抗干燥收縮的作用十分有限，主要原因是水化反應生產的鈣礬石晶體數量較少使得其抗體積收縮能力不如聚丙烯纖維。

4　結　論

(1)低溫環境下中級配的7 d抗壓強度最大，且水泥穩定碎石的抗壓強度隨著溫度的降低而降低；

(2)5 ℃養生，摻入C類早強劑7 d無側限抗壓強度提高了99%，摻B類提高了76%，摻A類提高了39%；0 ℃養生，摻入C類早強劑7 d無側限抗壓強度提高了57.8%，摻B類提高了20.5%，摻A類幾乎不提高;

(3)在同一養生溫度下，C類早強劑對水泥穩定碎石劈裂強度的提升最為明顯，0 ℃養生時，提高了78%，5 ℃養生時，提高了14%;

(4)摻入膨脹劑后28 d累計干縮應變減小了13.72%；摻入聚丙烯纖維后減小33.6%，摻聚丙烯纖維的抗干縮性能更優。

[1] 林敏，鄭文學，宋云連.早強水泥穩定碎石材料抗凍性能試驗研究[J].硅酸鹽通報,2015,34(2):475-480．

[2] 馬銀華，李遠廠，谷建義.PPF水泥穩定砂礫的收縮及低溫性能研究[J].公路交通科技，2015,(2)60-67.

[3] 楊陽，王起才，張戎令，等.基于不同恒定低溫和水灰比的水泥水化程度試驗研究[J].混凝土，2015,(1)5-8.

[4] 陳川，冷潔.水灰比和低溫環境影響的水泥水化放熱計算模型[J].混凝土，2015,(1)21-31.

[5] 趙杏梅.低溫環境對自密實混凝土強度特性的影響研究[J].內蒙古公路與運輸,2015,(1)23-29.

[6] 王成文，王瑞和.新型促凝劑DWA改善固井水泥低溫性能的實驗[J].中國石油大學學報，2011,(1)159-164.

[7] 王成文，王瑞和.鋰鹽早強劑改善油井水泥的低溫性能及其作用機理[J].石油學報，2011,(1)140-144.

[8] Kjellsen K O,Lagerblad B.Microstructure of tricalcium silicate and portland cement systems at middleperiods of hydration development of Hadley grains[J].CementandConcreteResearch,2007,37(1):13-20.

[9] Makar J M,Chan G W,Esseghaier K Y.A peak in the hydration reaction at the end of the cement induction period[J].JournalofMaterialsScience,2007,42(4):1388-1392.

Analysis of Low Temperature Strength and Drying Shrinkage Characteristics of Cement Stabilized Macadam

ZHOUQi-wei1,2,YEWei2,YANGBo2,WUXue-liu2

(1.School of Civil Engineering & Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China.2.Chongqingshi Zhixiang Paving Technology Engineering Co.,LTD,Chongqing 400067,China)

As to research the road performance of cement stabilized macadam in cold area，studied the influence of the different gradation, different types of early agent on cement stabilized macadam material unconfined compressive strength and splitting strength in the low-temperature environment。At the same time also studied different admixture on drying shrinkage characteristics of cement stabilized macadam. The results show that, under the condition of 0 ℃ and 5 ℃，gradation value had the better unconfined compressive strengththanthe coarse and fine gradation. Mixed C early strength agent ，it had the best 7 d unconfined compressive strength and splitting strength, unconfined compressive strength increased by 57.8% and 99%, cleavage strength increased by 78% and 14%. Mixed polypropylene fiber,28 d dry shrinkage strain of cement stabilized macadam reduced 33.3%，resistance to dry shrinkage performance is better than that of expansive agent.

low-temperature environment;7 d unconfined compressive strength;splitting strength;total dry shrinkage strain

周啟偉(1984-)，男，博士研究生.主要從事新型道路材料開發方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0948-05