水泥稳定碎石低温强度与干缩特性分析

周启伟，叶　伟，杨　波，吴雪柳

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆　400074;2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆　400067)



水泥稳定碎石低温强度与干缩特性分析

周启伟1,2，叶伟2，杨波2，吴雪柳2

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074;2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆400067)

以研究高寒地区水泥稳定碎石基层材料路用性能为目的，分别研究了在低温环境下，不同的级配、不同类型早强剂对水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度和劈裂强度的影响，同时也研究了不同外加剂对水泥稳定碎石材料干缩特性的影响。研究结果表明：0 ℃和5 ℃养生，级配偏中值时试件的无侧限抗压强度最佳，掺入C类早强剂7 d无侧限抗压强度和劈裂强度最佳，无侧限抗压强度提高了57.8%和99%，劈裂强度分别提高了78%和14%；掺入聚丙烯纤维的水泥稳定碎石28 d累计干缩应变减小了33.3%，抗干缩性能优于膨胀剂。

低温环境； 7 d无侧限抗压强度； 劈裂强度； 累计干缩应变

1　引　言

水泥稳定碎石基层以强度高、稳定性好、施工周期短、造价相比柔性基层低的特点在我国被广泛使运用于高等级公路建设中。但在高寒地区的施工过程中均发现水泥稳定碎石易出现早期强度不足和干缩开裂等早期病害，不仅影响了施工工期，也为路面出现早期破坏埋下隐患。因此，如何解决高寒地区低温环境条件下水泥稳定碎石早期强度不足和干缩开裂问题一直是改善高寒地区路面基层施工质量，降低路面出现早期破坏几率的核心技术问题之一。目前，国内就如何提高低温环境下水泥稳定碎石早期强度的相关文献少见报道[1,2]，对于水泥低温水化方面的相关研究主要集中在房屋建筑领域和深海油气开采领域[3-6]，而对掺入两种以上复合外加剂的水泥稳定碎石干缩特性的研究也少见相关文献报道[7-9]。本文结合西藏地区的地理气候情况，开展低温环境下，不同级配和早强剂对水泥稳定碎石材料强度的影响规律研究，同时研究了不同外加剂的水泥稳定碎石干缩特性，以期为当地的工程施工提供合理解决方案和数据参考。

2　试　验

2.1试验材料

(1)水泥

水泥采用新疆某公司生产的P·O 32.5普通硅酸盐水泥，水泥细度为3.8%，其它技术性质试验结果见表1所示。

表1　水泥的主要技术指标

(2)集料

集料采用石灰岩，其物理指标结果见表 2。

表2　集料主要技术指标

(3)早强剂

参照相关规范，分别选用三种不同类型的低温早强剂，相应指标见下表3。

表3　早强剂指标

(4)外加剂

分别选用了聚丙烯纤维和微膨胀剂用于改善水泥稳定碎石的干缩性能，性能满足相关规范要求。

(5)级配设计

参照在JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》中悬浮密实型结构的范围，分别合成出粗中细三种不同的级配，固定水泥用量为5%，并分别测定其最大干密度和最佳含水量，结果见下图1、表4。

表4　击实试验结果

2.2试验方法

图1　合成级配Fig.1　Synthesis of grading

(1)低温环境模拟

先将水、集料、水泥和早强剂放入预定设置的低温箱(温度分别为0 ℃和5 ℃)中放置4 h，然后按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)的要求成型后将试件放入低温箱中养生，直至6 d后取出在相同温度的水中放置1 d，方能进行试验。

(2)强度试验

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，将制备好的试件分别进行无侧限抗压强度试验和劈裂试验。

(3)干缩试验

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)，将制备好的试件进行干缩试验。

3　结果与讨论

3.1级配对水泥稳定碎石低温无侧限抗压强度的影响

(1)试验结果

根据以上选出的三种粗、中、细级配，分别进行低温下的7 d无侧限抗压强度测试，拟得出低温环境下抗压强度最优的级配，具体数据及分析见下表5。

表5　不同级配的7 d无侧限抗压强度试验结果

(2)结果分析

由以上表5中分析得出低温环境下，中级配的7 d无侧限抗压强度最佳，同时在不同的养护温度下，水泥稳定碎石的抗压强度随着温度的降低而衰减，因此拟定中级配为优选级配，并进行下一步研究。

3.2不同早强剂对水泥稳定碎石低温无侧限抗压强度的影响

(1)试验结果

选用上述三种不同的早强剂，掺入采用中级配的水泥稳定碎石中，水泥剂量5%，进行无侧限抗压强度测试，以得出在低温条件下强度最优的早强剂。具体数据见表6。

(2)结果分析

由上表6可以得出5 ℃养生，7 d无侧限抗压强度掺入C类早强剂提高了99%，B类早强剂提高了76%，A类早强剂提高了39%；0 ℃养生，7 d无侧限抗压掺入C类早强剂强度提高了57.8%，B类早强剂提高了20.5%，A类早强剂几乎不提高。

表6　掺不同早强剂7 d无侧限抗压强度试验结果

3.3不同早强剂对水泥稳定碎石低温劈裂强度的影响

(1)试验结果

选用上述三种不同的早强剂，掺入水泥稳定碎石中，进行劈裂强度测试，以得出在低温条件下抗弯拉强度最优的早强剂。具体数据见下表7。

表7　掺不同早强剂的劈裂强度试验结果

(2)试验结果分析

由表7得出在同一养生温度下，C类早强剂对水泥稳定碎石劈裂强度的提升最为明显，0 ℃养生时，提高了78%，5 ℃养生时，提高了14%。

3.4干缩试验

(1)试验方案

试验方案如表8所示。

表8　试验方案

(2)试验结果及分析

图2　累计干缩应变结果Fig.2　Result of total dry shrinkage strain

试验结果分析：由图2分析得出， 28 d累计干缩应变方案Ⅱ比方案Ⅰ减小了13.72%；而方案Ⅲ比方案Ⅰ减小33.6%，掺聚丙烯纤维的水泥稳定碎石抗干缩开裂性能较优。分析其原因为聚丙烯纤维在砂浆内部形成一个三维交错的网络体系，承担了一部分因水稳层体积收缩引起的内应力，同时挤压甚至阻塞水稳层内部的毛细管，一定程度上减小了因水分从毛细管流失而形成的表面张力，增强了材料整体抵抗开裂的抗拉强度，材料表面的开裂状况得以缓解，抗干缩开裂的性能得到提升。

而水泥膨胀剂作用是依靠膨胀剂与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成钙矾石(C3A·3CaSO4·32H2O)大体积晶体引起的固相体积增大能抵消掉一部分水泥稳定碎石材料因失水干缩引起的毛细管张力及水分子间作用力，从而减小水泥稳定碎石由收缩应力而引起的体积收缩。但是相比聚丙烯纤维，水泥膨胀剂抗干燥收缩的作用十分有限，主要原因是水化反应生产的钙矾石晶体数量较少使得其抗体积收缩能力不如聚丙烯纤维。

4　结　论

(1)低温环境下中级配的7 d抗压强度最大，且水泥稳定碎石的抗压强度随着温度的降低而降低；

(2)5 ℃养生，掺入C类早强剂7 d无侧限抗压强度提高了99%，掺B类提高了76%，掺A类提高了39%；0 ℃养生，掺入C类早强剂7 d无侧限抗压强度提高了57.8%，掺B类提高了20.5%，掺A类几乎不提高;

(3)在同一养生温度下，C类早强剂对水泥稳定碎石劈裂强度的提升最为明显，0 ℃养生时，提高了78%，5 ℃养生时，提高了14%;

(4)掺入膨胀剂后28 d累计干缩应变减小了13.72%；掺入聚丙烯纤维后减小33.6%，掺聚丙烯纤维的抗干缩性能更优。

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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

周启伟(1984-)，男，博士研究生.主要从事新型道路材料开发方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0948-05