复合型稳定土的收缩特性研究

2019-09-26古力再拉艾买尔江

山西交通科技 2019年4期

古力再拉·艾买尔江

（新疆路桥建设集团有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

随着原材料成本和人工成本的逐渐增加，如何降低运输成本、缩短施工工期是今后公路建设行业的主要发展方向。而路面基层作为道路重要组成部分，对于不良土路段需要通过挖除原土，外运碎石完成道路路基建设，造成废弃土的堆积和成本的增加。为达到节约资源，减少运输成本，缩短工期的效果，我国通过引进或自主研发的土壤固化剂对不良土进行改良，提高路基土路用性能，使路基材料的抗压强度、抗剪强度、压缩特性等均符合公路建设的要求，但固化剂对土壤的改良特点需进一步研究。

路面基层材料对温度和湿度的变化较敏感，干缩和温缩应变较大时，基层材料无法自由收缩，从而产生内部拉应力，当拉应力超过材料承受范围时，便产生收缩裂缝，收缩裂缝容易通过较薄的沥青面层反射至公路路面，形成反射裂缝，导致沥青路面的破坏，减少使用寿命，因此路面基层材料要求具有尽可能小的收缩[1]。而国内对土壤固化剂的研究中，白羊[2]、方祥位[3]、岳涛[4]等人分别就不同固化剂的无侧限抗压强度、抗剪强度、回弹模量、冻稳定系数和承载比等物理力学性能进行了研究，表现出不同类别的固化剂均能在一定程度上改良土的工程特性，但对土壤固化基层收缩特性的研究还未深入。本文通过对干燥收缩和温度收缩性能的研究，探讨复合型固化剂对路基材料的收缩特性的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 土样

本文采用的土样呈黄色细粒状，其主要物理力学性能如表1所示。根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》中按塑性指数分类法，本次试验用土为粉质黏土。

表1 土样物理力学指标

1.1.2 水泥

水泥作为最常用的胶结材料在道路工程中应用广泛。在细粒土的多相分散体系中主要起到连接土壤颗粒的作用，并且通过水化反应吸收体系中的水，影响到其他参与土壤稳定组分的水化反应，因此水泥的品质、矿物组成、比表面积和细度等性能均会影响到细粒土多相分散体系的稳定性能。本文结合现有的研究成果，选择P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能指标分别如表2、表3所示。

表2 水泥的主要性能指标

表3 水泥的化学成分 w/%

1.1.3 脱硫石膏

公路工程建设中，脱硫石膏一般作为路基填充材料使用，将脱硫石膏用于基层稳定土中，可提高基层的性能，降低工程造价，减小碳排放，扩大脱硫石膏的使用范围。本文采用的是二级脱硫石膏，呈粉末状，其化学成分见表4。

表4 脱硫石膏化学成分 w/%

由表4可以看出，SO3与CaO含量比较高，另外还含有部分少量的 SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3和 K2O主要由石灰石等其他矿物带入的杂质，由于脱硫石膏是矸石电厂烟气湿法脱硫产物，含水率较高，为15.24%。按SO3含量的理论计算值，脱硫石膏中CaSO4·2H2O含量为83.33%，石膏品级属于二级，本文对湿度较高的脱硫石膏进行55℃烘箱烘干并球磨机粉磨20 min处理。

1.1.4 氯化钙

氯化钙是工业上常用的早强剂，本文选用分析纯氯化钙，分子量110.98，白色粉末，含量不少于99.5%。

1.1.5 菱镁矿

煅烧菱镁矿是制备氧化镁的最简便、应用最多的方法。我国的菱镁矿资源比较丰富，同时煅烧方便，煅烧产物的性能可通过控制煅烧过程来调节。本文采用菱镁矿原料化学成分如表5所示。

表5 菱镁矿的化学成分 w/%

1.2 复合型材料稳定土制备

复合型稳定土中各材料组分及比例为水泥∶脱硫石膏∶氧化镁∶氯化钙=75∶12∶9∶4。首先复合型固化剂各组分按比例充分搅拌后，以10%掺量与土搅拌制备得出复合型稳定土。同时为了深入研究稳定土基层的收缩性能，与普通水泥稳定土（水泥掺量10%）做对比试验研究，含水量选用前期试验得到的最佳含水量，试验按JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》制备试件，试件成型压实度控制在96%[5]。

1.3 试验方法

1.3.1 干燥收缩

路面基层材料的干燥收缩是由材料内部失水引起的。干燥收缩的基本原理是由于材料内一部分水参与化学反应，另一部分由于蒸发而导致整体的体积在宏观上的变化。在混合料中水的存在形式有多种，颗粒之间的孔隙水是以毛细管水的形式存在的；各层之间的水和结晶水是以结构水的形式存在；而混合料颗粒表面吸附的水是以结合水的形式存在。混合料内部发生的水化作用和水的蒸发作用都引起含水率减小，基层材料依次经受毛细管作用、胶凝体或者矿物晶体的层间水作用、吸附水作用以及碳化收缩作用引起宏观上的体积变化。随着水分的减小，分子之间距离变小，分子力增加，引起体积的收缩[6]。

材料的失水收缩程度和干缩系数按（T0854—2009）方法测定。干缩试验装置示意图，见图1。

图1 干缩试验装置示意图

试件尺寸为：50 mm×50 mm×200 mm的小梁试件，采用压力机静压成型。每组制备6个平行试样，其中3个试样测收缩变形用，其余3个标准试样，用于测量干缩失水率。试件成型后在标准养护室养生7 d，养生结束后将饱水后的试件用游标卡尺测量初始长度，至无明显水迹后称取试件初始质量。

干缩应变和干缩系数按式（1）、式（2）计算：

式中：εd为干缩应变，即水分损失引起的试件单位长度的收缩量，×10-6；ΔL为水分损失时试件的干缩量，10-6m；L 为试件的初始长度，mm；αd为干缩系数，即某失水量试件单位失水率的干缩应变，×10-6；Δω为失水率，即试件失去的水分重量与试件烘干至恒重之比，%。

1.3.2 温度收缩

温度收缩是由组成半刚性材料的各种矿物颗粒的固、液和气三相在降温过程中的综合效应引起的[7]。虽然组成半刚性材料的各矿物有不同的温度胀缩性，但稳定土作为整体性的胶结材料，其整体的温度胀缩特性由各组成单元体间的综合作用效应导致。一般气相由于大部分与孔隙贯通，故在综合效应中气相的影响极小，可以忽略其对半刚性基层材料的温度胀缩性的影响。因此，针对半刚性材料的热胀缩特性可以从固相胀缩和液相胀缩以及两者的综合作用等方面进行分析。

材料的温度收缩程度和温度收缩系数按（T0855—2009）方法进行。试件标准养生7 d后，在60℃条件下烘干24 h，使试件中没有自由水存在。试验前用游标卡尺测量试件的初始长度并称其重量。该次试验由25℃开始降温，每降5℃为一级间隔，最低试验温度为-20℃，每个温度保温24 h后立即记录千分表读数，进行下一个温度设定。

温缩应变和温缩系数按式（3）、式（4）计算：

式中：εt为温缩应变，即温度变化引起的试件的单位长度变化量，×10-6；ΔL为温度变化Δt时，试件的收缩量，mm；L为试件的初始长度，mm；αt为温缩系数，×10-6/℃；Δt为试验温差，℃。

2 收缩特性研究

2.1 干燥收缩

稳定土的干燥收缩与时间、含水量等因素有关，本文通过对干缩应变和时间的关系、干缩系数和失水率的关系、干缩系数和时间的关系综合探究复合型稳定土的干燥收缩性能，结果如表6、图2、图3、图4所示。

表6 稳定土干缩特性随龄期的变化关系

图2 稳定土干缩应变随时间的关系曲线

如图2所示，复合型稳定土的干缩应变随着时间的增长先增大后减小，水泥稳定土的干缩应变早期增长幅度较大，后期增长幅度较小。对比两种稳定土的干缩应变可知，相比于水泥稳定土，复合型稳定土的整体干缩应变较小，60 d龄期干缩应变是水泥稳定土的16%。两种稳定土干缩主要受水分蒸发影响，此外稳定土均为稳定细粒土，其结构类型属于均匀密实结构，此类型的基层材料干燥收缩量还受细集料自身的收缩应变影响。

图3 稳定土干缩系数与时间的关系

图4 稳定土干缩系数与失水率的关系

从图3、图4中可以看出，不同稳定土的干缩系数随着时间的增长总体呈现减小的趋势，7 d前复合型稳定土的干缩系数逐渐增大，之后逐渐减小。早期水泥稳定土干缩系数变化波动较大，后期逐渐减小，最后趋于稳定。两种稳定土的干缩系数均随着失水率的增大呈现不同程度的减小趋势，但相比于水泥稳定土，复合型稳定土整体干缩系数较小，这是由于随着龄期的增长，在复合型稳定土中水化反应生成的产物增多，这些生成物填充在颗粒之间，减小了材料内部的孔隙，孔隙率降低，使其干缩系数比水泥稳定土的要小。

综合以上分析结果可知，复合型稳定土的抗干缩性能比水泥稳定土的抗干缩性能好。

2.2 温度收缩

复合型材料稳定土和水泥稳定土的温度收缩研究结果如表7、图5、图6所示。

表7 稳定土温缩特性随温度的变化关系

图5 稳定土温缩应变与温度的变化关系

由图5中可以发现，两种稳定土的温缩应变随着温度的降低呈现出增大的趋势。在-5～20℃的区间内，两种稳定土的温缩应变增大幅度较小，这主要是因为毛细管张力和弱结合水的共同作用所引起的。本试验中，测试试样养护到规定龄期后在60℃下进行烘干，排除试样内部大孔隙中的自由水，但试样内部的毛细水等弱结合水难以排除掉，当温度降低到0℃左右时，这些弱结合水结冰导致体积增大，相应地抵消了部分的收缩变形，但是这种抵消作用不是很明显。另外，材料内部液面一般为凸液面，存在一定的表面张力。当温度降低时，液面的内外压力差和表面张力都会增加，这种作用力大于颗粒内部的连结力时，引起材料的收缩。在高温区间，这种作用力的变化较小，材料因弱结合水和毛细管张力的共同作用下收缩量小幅增加。当温度继续下降时，稳定土的温缩应变增大幅度较大，整体效果是复合型稳定土的收缩较水泥稳定土的小。

图6 稳定土温缩系数与温度的变化关系

由图6中可以看出，两种稳定土的温缩系数变化趋势基本相同，其中水泥稳定土的温缩系数在0℃时达到最小值，复合型稳定土的温缩系数在-5℃时达到了最小值。这可能是由于在这个温度区间内，材料内部的弱结合水开始结冰，使材料的体积增大，从而抵消了部分的收缩变形，而因复合型稳定土中含有氯化钙，其起到一定的降低冰点的作用。当温度继续降低时，材料内部水分已结冰，而冰的温缩系数较大，因此材料的温缩系数也会变大。此外，由于细集料对温度的变化比较敏感，故温度降低幅度比较大时，表现出较大的温缩系数。

对比两种稳定土可以发现，复合型稳定土的温缩系数比水泥稳定土的小，这是由于在相同稳定材料掺量下，复合型稳定土中水泥组分所占的比例较水泥稳定土中的小，水泥稳定土中主要的化学反应是水化反应，因此生成的胶结物主要是C-S-H凝胶（热膨胀系数 a=（10～20）×10-6）等水化产物，而复合型稳定土中的水化产物除了水泥水化产物外，还有其他组分与黏土矿物及氧化物（热膨胀系数a=（8.3～9.3）×10-6）发生化学反应生成的物质，故从这些混合料组成部分的热胀缩系数可知，复合型稳定土的温缩系数较水泥稳定土的小。