凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石性能的影响

曲美燕 马全红 许雪松

(1东南大学化学化工学院,南京211189)(2南京市路桥工程总公司,南京210046)

凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石性能的影响

曲美燕1马全红1许雪松2

(1东南大学化学化工学院,南京211189)(2南京市路桥工程总公司,南京210046)

为了避免水泥稳定碎石基层收缩开裂的产生、延长路面使用寿命,在水泥稳定碎石基层中掺加凹凸棒石黏土来改善其力学性能与抗裂性能.试验结果表明,与空白试样相比,在各自最佳掺量下,掺X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石的7 d无侧限抗压强度分别提高约5.9%,5.4%和21.5%,50 d后其干缩系数较空白试验分别减小约13.7%,7.4%和20.5%,且掺入凹凸棒石黏土后水泥稳定碎石的失水率也有一定程度的下降.采用扫描电镜观察水泥砂浆的微结构,发现凹凸棒石黏土掺入后生成较多的水化产物,形成网状结构,从而大大减少了水泥稳定碎石的收缩裂缝数量.

凹凸棒石黏土;水泥稳定碎石基层;力学性能;抗裂性能;微结构

水泥稳定碎石基层以其较高的强度和良好的稳定性,在当前高等级公路建设中占有重要地位[1].但它脆性较大,抗变形能力低,在温度或湿度变化时易产生收缩裂缝,从而导致路面产生反射裂缝,破坏路面结构的整体性和连续性,影响公路的使用质量和寿命.国内外研究者们采用掺膨胀剂、加铺土工布或土工格栅、掺聚丙烯纤维和掺抗裂缝剂等方法来减少和抑制水泥稳定碎石基层裂缝的产生[2-4].这些方法存在一定的局限性,例如会增大原材料的使用成本、给施工过程带来不便等.本文采用矿产资源丰富、价格低廉且具有胶体性、黏结性和填充性的凹凸棒石黏土为添加剂,掺入水泥稳定碎石基层中,以增加其强度、避免干燥收缩的产生,从而减少路面裂缝数量.

1 原材料及试样

1.1 水泥稳定碎石

本试验采用南京柘塘水泥有限公司提供的P.O 42.5型普通硅酸盐水泥.根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)[5],对水泥的各项性能进行检验,结果见表1.由表可知,该水泥符合国家水泥质量要求[6].

表1 水泥性能

注:T为养护龄期.

碎石集料选用南京市路桥工程总公司122省道南京段改扩建工程现场施工的集料,最大粒径为31.5 mm,采用悬浮密实级配.

1.2 添加剂原材料

本文选用了3种凹凸棒石黏土:X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土.其中,Y型凹凸棒石黏土的煅烧温度为800 ℃.主要成分分析见表2.

本文中采用的水泥质量分数为4.5%,X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土的掺量分别为水泥质量的5%,10%和15%.

表2 凹凸棒石黏土的化学组成 %

1.3 试样成型

根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[7],所有试样均在各自最大干密度和最佳含水量下成型.制备的试样分为圆柱形试样和梁式试样2类.圆柱形试样的尺寸为150 mm×150 mm,主要用于无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验和抗压回弹模量试验;梁式试样的尺寸为150 mm×150 mm×550 mm,主要用于干缩试验.

试样采用静压成型,压实度为98%,于温度为(20±2) ℃、湿度不小于95%的条件下进行标准养护.

2 凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石性能的影响

2.1 基层强度

在路面结构中,水泥稳定碎石基层是主要的承重层.在环境和车辆荷载作用下,基层材料的力学特性对路面使用寿命具有重要影响.本文主要考察了掺凹凸棒石黏土水泥稳定碎石的无侧限抗压强度和劈裂强度.根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[7],在同一水泥剂量下,对不同掺量的凹凸棒石黏土水泥稳定碎石材料进行了不同龄期的无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验,结果见表3.由表可知,掺凹凸棒石黏土水泥稳定碎石材料的强度随龄期的增长而增大;对于相同龄期的试样,掺入凹凸棒石黏土后,水泥稳定碎石基层材料的强度得到明显提高,且随掺量的增加,强度先增大后减小.X型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土的最佳掺量为10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳掺量为5%.与空白试样相比,在各自最佳掺量下,掺加X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石的7 d无侧限抗压强度分别提高约5.9%, 5.4%和21.5%,劈裂强度分别提高约6.8%,4.0%和11.1%.

表3 强度试验结果

注:Rc7,Rc14,Rc28分别为T=7,14,28 d的无侧限抗压强度;Ri7,Ri14,Ri28分别为T=7,14,28 d的劈裂强度.

2.2 基层刚度

将抗压回弹模量作为水泥稳定碎石基层材料刚度的标准.根据凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石强度的影响结果,在抗压回弹模量试验中将凹凸棒石黏土掺量选取为10%.根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[7]中的顶面法进行室内抗压回弹模量试验,选用圆柱形试样,T=90 d.试验结果见图1.

图1 抗压回弹模量

由图1可知,将凹凸棒石黏土掺入水泥稳定碎石中后,其抗压回弹模量值与无侧限抗压强度之间基本呈正相关关系,即无侧限抗压强度越大,其抗压回弹模量越大,这与已有研究结论[8]相符.掺Y型煅烧凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石的抗压强度及回弹模量最大,其次是掺X型凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石.基层的抗压回弹模量越大,说明路面结构的整体刚度越大.由文献[9]可知,在交通荷载作用下,增大基层抗压回弹模量,可以减少沥青层层底弯拉应力,延长沥青层的使用寿命,但抗压回弹模量过大则会导致基层材料本身的弯拉应力增大,从而影响基层材料的综合利用,因此刚度应与强度相适合.

2.3 干燥收缩性能

干燥收缩是指水泥稳定碎石材料内部因水分散失而导致的体积收缩,其基本原理为:水泥稳定碎石材料内部水分不断散失,产生毛细管张力作用、吸附水及分子间力作用、矿物晶体或凝胶体的层间水作用和碳化脱水作用,从而导致基层整体体积变化[10].在交通荷载作用下,路面会产生反射裂缝并逐渐扩展和延伸,影响公路的使用质量和寿命.为研究凹凸棒石黏土品种及掺量对水泥稳定碎石基层干燥收缩性能的影响,按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[7],分别测试不同掺量下不同凹凸棒石黏土改良水泥稳定碎石的干缩系数,结果分别见图2和图3.

由图2可知,随着时间的延长,水泥稳定碎石基层材料干缩系数逐渐增加.X型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土的最佳掺量为10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳掺量为5%,这与强度试验结论一致.与空白试样相比,掺X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土、Y型煅烧凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石的50 d干缩系数分别减小约13.7%,7.4%和20.5%,且掺Y型煅烧凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石的干缩系数最小.

凹凸棒石黏土作为外加剂在建材行业中应用广泛.文献[11-12]指出,凹凸棒石黏土能够改善水泥砂浆的流动性,具有保水增稠作用,可提高水泥砂浆的抗渗能力.由图3可知,掺X型凹凸棒石黏土、Y型凹凸棒石黏土、Y型煅烧凹凸棒石黏土的水泥稳定碎石基层材料前15 d的失水率均小于基准样的失水率,说明掺入适量的凹凸棒石黏土能够减少基层材料初期水分的散失,从而减少干燥收缩,防止收缩开裂的产生.

(a) X型凹凸棒石黏土

(b) Y型凹凸棒石黏土

(c) Y型煅烧凹凸棒石黏土

图3 失水率与时间的关系

3 微观结构

采用扫描电子显微镜对掺凹凸棒石黏土水泥砂浆的微观结构进行分析,并与空白水泥砂浆进行对比,结果见图4.由图可知,与空白砂浆相比,掺凹凸棒石黏土的水泥砂浆中生成了更多的纤维状水化产物,形成更多的网状结构,将混合料连接成一个整体,从而增加了混合料的整体强度.这些网状结构是水泥水化反应的结果.水泥水化反应生成Ca(OH)2,继而生成水化硅酸钙和水化铝酸钙,这2种产物均具有明显的膨胀性、增强性和抗水性[13],从而避免了基层结构因温度和湿度变化所引起的收缩,改善了水泥稳定碎石的收缩性能.因此,在水泥稳定碎石基层中加入适量的凹凸棒石黏土,能够提高基层强度,防止基层开裂.

(a) 空白试样

(b) X型凹凸棒石黏土

(d) Y型煅烧凹凸棒石黏土

4 结论

1) 凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度和劈裂强度均有不同程度的改善.X型凹凸棒石黏土与Y型煅烧凹凸棒石黏土的最佳掺量为10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳掺量为5%.

2) Y型煅烧凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石的抗压回弹模量影响最大,其次为X型凹凸棒石黏土.

3) 由干缩试验结果可知,X型凹凸棒石黏土和Y型煅烧凹凸棒石黏土的最佳掺量为10%,Y型凹凸棒石黏土的最佳掺量为5%,这与强度试验结论一致.在各自最佳掺量下,Y型煅烧凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石的干缩系数影响最大,50 d干缩系数减小约20.5%.

4) 通过微观结构的观察,掺凹凸棒石黏土的水泥砂浆中能生成较多的纤维状水化产物,形成网状结构,将混合料连接成一个整体,使混合料更加密实,从而提高混合料强度,避免干燥收缩的产生.

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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. 作者简介: 曲美燕(1989—),女,硕士生;马全红(联系人),女,博士,副教授,mqh@seu.edu.cn.

江苏省交通科学研究计划资助项目(2013-C-04).

曲美燕,马全红，许雪松.凹凸棒石黏土对水泥稳定碎石性能的影响[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(2):399-403.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.035

U414

A

1001-0505(2015)02-0399-05