振动搅拌对水泥稳定碎石干温缩性能的影响

2019-06-05张飞龙岳光华尚庆芳

筑路机械与施工机械化 2019年5期

张飞龙，岳光华，尚庆芳，吕璐

（河南万里交通科技集团股份有限公司，河南许昌 461000）

0 引言

水泥稳定碎石半刚性基层材料具有早期强度高、稳定性好、整体性强等优点，在中国高等级公路建设中得到广泛应用；但是也同时存在容易出现干温缩开裂的问题。出现裂缝后道路服务水平降低、寿命缩短，并会产生其他的早期破坏，如唧泥、网裂、水损害等［1－5］，致使沥青路面使用年限未达到设计年限时就已发生严重的损坏，严重制约了高速公路乃至全国公路事业的健康发展。

作为提高基层抗裂性和耐久性的有效方法之一，振动搅拌技术［6－7］在水泥混凝土中的应用研究较为充分［8－12］，但将振动搅拌技术应用于水泥稳定碎石基层材料中的研究较少。因此有必要研究振动搅拌对水泥稳定碎石基层材料干温缩性能的影响。理论上讲，振动作用可以使水泥稳定碎石混合料的颗粒运动速度增大，颗粒的有效碰撞次数增加，使水泥、水和细集料充分弥散，并通过对流和扩散运动均匀地包裹于粗集料的表面，形成“膜”［13］，从而增强骨料与水泥界面的黏结强度，改善水泥稳定碎石基层材料的薄弱环节，提高水泥稳定碎石基层材料的强度；同时，可以提高水泥的利用率，在一定程度上减少水泥剂量，进而提高水泥稳定碎石基层的抗裂性和耐久性［14－16］。

1 试验原材料与混合料级配

试验用水泥为P·O32．5的普通硅酸盐水泥，其剂量为4%。

此次试验所用粗、细集料的技术指标见表1、2，其性能的检测按《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）的规定进行。

表1 粗集料密度指标

表2 细集料密度指标

混合料级配按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）的有关规定进行设计，选用规范中基层骨架密实型级配，级配设计范围见表3，级配曲线如图1所示。为了避免级配不同对试验结果造成影响，此次试验统一采用中值级配。

表3 骨架密实型级配矿料组成

图2 平均干缩系数变化趋势

用振动击实法得到的水泥稳定碎石混合料的最大干密度为2．412g·m－3，最佳含水量为4．56%。

2 试验结果分析

2．1 不同搅拌方式对水泥稳定碎石基层材料干缩性能的影响

图1 级配曲线

通过室内自然条件下的干缩试验可以得到水泥稳定碎石混合料失水收缩的程度，并以此来计算干缩系数。本试验对振动搅拌与普通搅拌2种不同搅拌方式下水泥稳定碎石基层材料的干缩性能进行研究。

试验采用4%的水泥剂量，静压法成型100mm×100mm×400mm中梁，每组6个试件，标准条件下养生3d，饱水后擦干试件表面开始试验。为了与现实中的环境条件相同，在自然条件下进行试验时没有控制温度和湿度。试验中选取的振动搅拌参数为：振动频率40Hz，搅拌时间20s。不同搅拌方式下试件的干缩性能试验结果如图2所示。

分析试验结果可得出：当干缩量不再增加时，振动搅拌试件的总干缩变形量平均值为46．8×10－3mm，而普通搅拌试件的干缩总变形量为75．4×10－3mm，振动搅拌试件的干缩总变形量相比普通搅拌试件减少了约37．9%；振动搅拌试件的平均总干缩系数为125．917 3×10－6，而普通搅拌试件的平均总干缩系数为181．686 0×10－6，振动搅拌试件的总干缩系数明显小于普通搅拌试件的总干缩系数。这说明在自然条件下，相对于普通搅拌，振动搅拌技术可以提高水泥稳定碎石混合料的抗干缩性能。

从图2还可以看出平均干缩系数表现出不太稳定的现象，这可能是由于外界温度和湿度的变化造成的。虽然在室内自然条件下的试验没有恒定的湿度和温度，但从整体的变化来看，干缩系数随水分的耗散有增大趋势。

分析水泥稳定碎石基层材料干燥收缩的原因为：水泥稳定碎石混合料毛细管中水的弯液面存在着内外压力差（即毛细管张力），其大小与毛细管半径、含水量成反比，随着水分损失量增大，致使毛细管张力增大加速，从而收缩加剧；接着，水泥稳定碎石混合料中的吸附水开始损失，使颗粒表面水膜变薄，间距变小，分子力增大，导致其宏观体积进一步收缩，这一阶段的收缩量要比毛细管作用下的收缩量大得多；而当分子距离小到一定程度后，分子间的斥力增大，收缩量逐渐减小，分子斥力与引力达到平衡，收缩终止。水泥稳定碎石混合料中的一些层状结构物质（如C－S－H、C－A－H 等）间夹有大量层间水及水化离子，随着层间水的蒸发，晶格间距减小，也会引起整体材料收缩［17］。

振动搅拌试件和普通搅拌试件都存在上述的干缩过程，但相较于普通搅拌试件，振动搅拌试件的抗收缩性更好，原因为：振动搅拌使得水泥稳定碎石混合料中的水分和水泥分布更加均匀，黏结部分也更加密实均匀且强度有所提高，抗裂性增强，相应的干缩系数减小；混合料被搅拌均匀后会使得其中的大孔隙减小、小孔隙增多，增强了保水能力，减少了水分蒸发带来的开裂，使得干缩系数相应减小；水化产物均匀分布于集料孔隙间，使得混合料试件更均匀密实，提高其整体的协调变形能力，从而使整体的干缩应变减小。

2．2 不同搅拌方式对水泥稳定碎石基层材料温缩系数的影响

采用室内温缩试验法测量静压法成型的100mm×100mm×400mm中梁的温缩变形。中梁试件在标准条件下养生90d，分2种方法进行试验。第一种是将试件饱水24h后，再放入105℃的烘箱中烘10～12h至恒重，在无水条件下进行温缩试验。采用7级温度，最高温度选用40℃，最低温度为－20℃，以30min降10℃的速率降温，达到恒定温度时，保持3h。试验结果见表4。

表4 干燥条件下试件温缩试验结果

从表4可以看出，不同搅拌方式下试件的温缩系数接近，但振动搅拌试件的温缩系数比普通搅拌的要小一些。振动搅拌试件的温缩系数最大值为10．694×10－6，最小值为4．833×10－6，而普通搅拌试件的温缩系数最大值为11．248×10－6，最小值为4．862×10－6。同时，干燥条件下在－10℃～0℃时，混合料中毛细管张力大于水化反应微颗粒的黏结力，试件的收缩量有所上升，温缩系数的绝对值增大。

从表4还可以看出，在－10℃～10℃时试件的温缩系数变化最明显，其中温度在－10℃～0℃变化时试件的温缩系数绝对值达到最大，温度在10℃～0℃变化时试件的温缩系数绝对值最小。发生这种现象的原因可能是：烘干后的试件在自然环境中吸收一部分水，所以在0℃时膨胀抵消部分收缩，但含水量很小，抵消不明显。

第二种试验方法是：试件养护完成后，均匀喷洒适量的水，使其达到最佳含水量，然后最高温度选用15℃，最低温度为－15℃，分为7个温度等级，30 min降5℃的速率降温，达到恒定温度时，保持3h。试验结果见表5。

从表5可以得知：在0℃～5℃过程中试件温缩系数的绝对值减小，并出现膨胀现象（温缩系数出现正值），其主要原因在于，较多的自由水分在0℃结冰，抵抗了大部分的收缩；当温度继续下降时，毛细管水的张力可能大于颗粒间的黏结力，使得混合料急剧收缩，而结冰的膨胀体积趋于恒定，这就使得试件收缩系数的绝对值恢复到以前的状态，并不断增大；直到温度降到－10℃以下时，毛细孔的水结冰发生微膨胀，试件温缩系数的绝对值又有所减小。振动搅拌试件的温缩系数平均值为－8．155×10－6，而普通搅拌试件的温缩系数平均值为－11．081×10－6。

表5 最佳含水量条件下试件温缩试验结果

从水泥稳定碎石混合料的温缩系数对比中可以发现，振动搅拌试件的温度收缩系数绝对值比普通搅拌试件的更小。从反应生成物的角度分析，振动搅拌使水泥稳定碎石混合料的均匀性得到很大改善，生成的水化产物的量更多，且水化产物均匀分布于石料表面和混合料孔隙内，使得最薄弱的黏结部分有所增强，内部结构也更密实，因此混合料整体的协调变形能力增强，使得整体变形减小。