多孔改性水泥混凝土干温缩性能研究

王中合

（邢台路桥建设总公司，河北 邢台 054001）

0 引言

半刚性基层沥青路面是我国目前高等级公路建设的主要路面结构形式，但该材料易产生干缩和温缩裂缝，在行车荷载、温度和湿度等因素作用下形成反射裂缝，引起沥青路面的水损害。多孔改性水泥混凝土由水泥、等粒径石料、水和水泥改性剂混合、硬化形成多孔骨架结构，孔隙率介于20%～35%，具有透气性、透水性，可及时排除路面结构中的自由水，减少路面水损坏，提高路用性能，延长道路使用寿命。由于多孔改性水泥混凝土的多孔、不均质材料特性，本文通过室内试验，对混凝土的干缩性能、温缩性能进行了研究。

1 组成设计

1.1 原材料

（1）水泥。采用河北省邯郸市产的“太行山”牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，3d抗弯拉强度为5.5MPa，抗压强度为26.3MPa；28d抗弯拉强度为9.3MPa，抗压强度为53.8MPa。

（2）粗集料。采用河北省邢台市太子井产石灰岩22.5mm±2.5mm等粒径石料，各项性能指标符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》（JTG F30—2003）的相关要求。

（3）水泥改性剂。采用河北省邢台路桥建设总公司专利产品。

（4）水。采用饮用水作为混凝土用水。

1.2 配合比设计

多孔改性水泥混凝土基准配合比为石料∶水泥∶水∶改性剂=1 600kg∶290kg∶84.4kg∶8.44kg。

2 多孔改性水泥混凝土干缩、温缩性能研究

多孔改性水泥混凝土的拌和、成型和养生等按《公路路面多孔改性水泥混凝土基层施工技术规程》（DB13/T 1419—2011）的相关要求进行。

2.1 干燥收缩试验

2.1.1 试验方案

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005），测定在20℃±2℃，相对湿度为60%±5%，不受外力作用所引起的长度变化。本试验共成型试件18块（1#、2#、3#混凝土各6块），取6块试件试验结果的平均值。1#代表等粒径混凝土；2#代表同水泥量普通混凝土；3#代表同强度等级普通混凝土。

2.1.2 结果分析

多孔混凝土与普通混凝土的干缩试验结果见表1，收缩曲线见图1。

表1 多孔混凝土与普通混凝土干缩试验结果

图1 多孔混凝土与普通混凝土干缩曲线

混凝土普遍存在干燥收缩的现象，主要是由于水泥浆中水化硅酸钙凝胶因毛细孔和胶孔水分蒸发而逐渐失去物理吸附水导致。另外还有碳化收缩，指大气中的二氧化碳在有水的条件下，与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水。碳化过程是体积收缩的过程。在实际工程中，碳化收缩往往与干燥收缩相伴发生，可能引起多孔混凝土严重的收缩裂缝。

由表1和图1，可知如下几点。

（1）普通混凝土的收缩大多来自水泥或水泥浆。等粒径混凝土砂率为零，其中的粗骨料被薄薄的一层水泥浆体包裹，骨料间的结合多为点、线或极小的面接触，并且骨料间结合物较薄；普通混凝土中骨料间空隙完全被水泥砂浆填充，骨料间结合物相对较厚，因此，等粒径混凝土与普通混凝土的收缩所呈现的规律也不完全相同。

（2）等粒径混凝土在恒温、恒湿（温度20℃±2℃，相对湿度60%±5%）的条件下，试件移入标养室的第1d龄期体积呈增大趋势，随着龄期增长到第3d龄期后基本恢复基长状态，当达到第5d龄期时出现收缩率最大值，此后体积变化逐渐趋于平稳，最终收缩率的值在10%以下。

（3）普通混凝土在恒温、恒湿（温度20℃±2℃，相对湿度60%±5%）的条件下，随龄期增长，收缩率逐渐增大，一般在60d后收缩率变化逐渐趋于缓慢。

（4）14d龄期后，等粒径混凝土的收缩率趋于稳定，但普通混凝土的收缩率仍然在持续增长。45d龄期时，等粒径混凝土的收缩率仅为同水泥用量普通混凝土的3.4%、为相近强度水平普通混凝土的2.2%，因此，等粒径混凝土较普通混凝土在相同的龄期具有更小的体积收缩率。

半刚性基层材料干缩性能如表2所示。

表2 半刚性基层材料收缩率

由表2可知，多孔混凝土收缩率与常用半刚性基层材料不在同一量级上，其干缩要小得多，具有更好的抗干缩性能，产生干缩裂缝可能性较小。

2.2 温度收缩试验

2.2.1 试验方案

制备100mm×100mm×400mm的多孔混凝土梁式试件和普通混凝土C30等级试件，标准养生28d。到规定龄期后，试件放入温度为105℃的烘箱中12h，然后打磨，黏贴应变片。由于多孔混凝土孔隙多，故选用标距150mm的应变片。连接电路并将接好线的试件和温度补偿片一同放入最高温度已经设定好的高、低温交变环境箱中。试件横向卧式放置，底面垫置可滚动的光圆钢筋，关好箱门。恒温3h后，试件达到开始温度，启动环境箱温度控制程序，湿度60%，在-30～60℃之间以10℃为间隔，每个温度间隔恒温2h，平衡应变仪各测试通道，开始读数并记录试件温缩应变值，进而推算混凝土的温缩系数。

2.2.2 结果分析

温缩试验结果如表3、表4所示。

表3 多孔混凝土温度收缩试验结果

表4 常用基层材料温缩系数（单位：με/℃）

混凝土在温度发生变化时，将伴随产生体积变化，即收缩、膨胀及翘曲等温度变形。如果因温度变化而产生的变形受到约束，不能自由胀缩和翘曲，混凝土将产生温度应力。温度应力与荷载应力同样是路面产生破坏的主要原因，而温度应力受着温度收缩系数的制约。

表3中，温度介于40～60℃时，平均温缩系数最大；温度在0～10℃时，平均温缩系数最低；温度在0℃以下时，低温部分低于正温部分平均温缩系数。这是因为高温时，集料颗粒与颗粒之间有较大的间隙，当温度降低时，这些间隙自然缩小，此时的温度收缩很大一部分是孔隙的收缩闭合。温度为0～10℃，各固体材料随着温度的降低收缩增大，故此时混合料的温缩系数要比其他温度区间的温缩系数要小，并达到最小值。水的胀缩性系数在不同的温度下具有较大的差异，每摄氏度差异在70×10-6～210×10-6之间，随着温度的进一步降低，冰点温度附近冻结时体积增大9%，与固体材料收缩相互抵消一部分，平均温缩系数有所提高，但平均温缩系数要比正温部分要小。

表4中，多孔混凝土温缩系数低于普通混凝土和常用道路基层材料，具有比较优良的温度稳定性。从多孔混凝土组成的固、液、气三相综合效应来看，气相由于大部分与大气相通，可以忽略不计；多孔混凝土中的水泥用量较低，生成水泥石量较少，该部分收缩也不大；多孔混凝土孔径较大且相互连通，液相对多孔混凝土温度收缩影响也不大。因此，多孔混凝土的温度收缩性更接近组成集料的温度收缩性能。

3 结论

（1）多孔改性水泥混凝土较普通混凝土具有更小的体积收缩率。

（2）多孔改性水泥混凝土温缩系数低于普通混凝土和常用道路基层材料，具有较优良的温度稳定性。

[1]DB13/T 1419—2011，公路路面多孔改性水泥混凝土施工技术规程[S].

[2]JTG E30—2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].