复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石路用性能研究

曹骏驹

(江苏省交通工程建设局，南京 210001)

水泥稳定碎石具有良好的整体性、力学强度、抗水性和耐冻性等特点，被广泛用于高等级公路的基层。但它的脆性较大，在工程应用中因受温度、湿度影响，基层经常开裂，严重时还会造成沥青路面出现裂缝。目前，针对水泥稳定碎石路面裂缝防治方面的研究多数是通过降低水泥稳定碎石的收缩性能，提高抗裂性能。这类研究主要集中在膨胀剂、减缩剂、纤维和乳化沥青等外加剂[1-9]、养生温度[10]和集料集配[11-12]等对水泥稳定碎石抗裂性能的影响。掺外加剂在一定程度上能抑制水泥稳定碎石出现早期收缩裂缝，提高其抗裂性能，复掺膨胀剂和减缩剂在水泥稳定碎石中应用较少，程箭等[13]研究了复掺膨胀剂和减缩剂对水泥稳定碎石力学性能的影响，发现两种外加剂显著改善水泥稳定碎石的脆性，提高其抗裂性，但力学性能叠加效应不显著。因此，在水泥稳定碎石中掺膨胀剂和减缩剂是否出现叠加效应，有必要进一步研究。本文研究了复掺膨胀剂和减缩剂对水泥稳定碎石的抗压强度、劈裂强度、劈裂回弹模量等强度性能和干缩性能的影响，以期为工程应用提供科学参考。

1 试验材料

1.1 级配组成

采用江苏省宿迁市发展大道集料，该集料级配良好，水泥稳定碎石中集料的颗粒组成如表1所示，集料筛分结果如表2所示，集料级配曲线如图1所示。土工试验在强度性能试验前完成。

表1 水泥稳定碎石中集料的颗粒组成 (%)

表2 集料筛分结果 (%)

图1 集料级配曲线

1.2 试验材料

水泥选用海螺牌PO42.5硅酸盐水泥；膨胀剂采用中国建筑材料科学研究总院UEA-H型膨胀剂，其为硫铝酸钙类膨胀剂，具有含碱量低、不会引起碱骨料反应、流动性能好等特点；减缩剂采用海韵牌BT-500型减缩剂，其由聚羧酸系原料配制，与膨胀剂相比，聚羧酸系高效减缩剂对水泥稳定碎石的干缩性能无副作用，具有一定程度的改善作用。膨胀剂和减缩剂为固体，将两种外加剂先掺入水泥，再与集料拌和。

2 试验方法

2.1 试验内容

通过击实试验确定水泥稳定碎石基层的最大干密度和最佳含水量，在最佳含水量条件下制作成型试件，再进行室内强度试验和干缩试验。水泥稳定碎石的水泥掺量为4.5%，结合膨胀剂和减缩剂的推荐掺量[13]，本试验选用具有代表性的掺量，膨胀剂掺量为4%、6%、8%，减缩剂掺量为1%、2%、3%，外加剂掺量为所占水泥用量的比例。本试验的4组掺量配比中，膨胀剂掺量递增，减缩剂掺量递减，并设置空白对照组(第1组)，以便在进行后期数据分析时，更直观地体现水泥稳定碎石力学性能和干缩性能变化规律。试件中膨胀剂和减缩剂掺量如表3所示。

表3 试件中膨胀剂和减缩剂掺量 (%)

2.2 试验方法

2.2.1 最佳含水量

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[14]进行击实试验，确定水泥稳定碎石的最大干密度和最佳含水量。击实试验结果如表4所示。

表4 击实试验结果

2.2.2 强度性能

为研究复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的强度性能，在最佳含水量条件下，进行水泥稳定碎石的强度性能(7 d、28 d)试验，包括无侧限抗压强度试验、劈裂试验和劈裂回弹模量试验。无侧限抗压强度、劈裂强度、劈裂回弹模量等指标相关性较好，可以作为水泥稳定碎石的主要路用指标。《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[15]将7 d 无侧限抗压强度作为路面基层的性能评价指标。劈裂强度和劈裂回弹模量对评价水泥稳定碎石的抗裂性有着重要意义。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[14]试验方法，圆柱形试件成型高度150 mm、直径150 mm，待上下压柱都压入试模后维持压力2 min。成型压实度98%，标准养生温度(20±2)℃，标准养生湿度95%以上。

2.2.3 干缩性能

为研究水泥稳定碎石的干缩性能，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[14]进行干缩试验。选择100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件作为标准试件，每组成型7个试件，其中3个试件用于测定收缩变形，3个试件用于测量干缩失水率，1个试件备用。

3 试验结果分析

3.1 无侧限抗压强度

复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的无侧限抗压强度如图2所示。

图2 复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的无侧限抗压强度

由图2可知：

(1) 7 d龄期时，3组复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的无侧限抗压强度都增大，可能是因为一方面减缩剂在一定程度上改善了水泥水化条件，水泥分布更加均匀；另一方面水泥与膨胀剂生成的钙矾石填充了试件内部空隙，改善了其内部的应力状态。

(2) 7 d龄期时，第2组试件的无侧限抗压强度达到峰值。随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，无侧限抗压强度下降，说明后期掺量的调整延缓了水泥水化，无侧限抗压强度反而降低。结果表明，实际工程中，合理掺量的外加剂对提升水泥稳定碎石强度，同时控制施工成本至关重要。

(3) 28 d龄期时，第2组试件的无侧限抗压强度反而降低，随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度呈现先上升后下降的趋势。综合分析可得，第3组试件表现最稳定，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度提升显著。

3.2 劈裂强度

复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的劈裂强度如图3所示。

图3 复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的劈裂强度

由图3可知：

(1) 7 d龄期时，第2组试件劈裂强度轻微降低。随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，第3组试件的劈裂强度达到峰值，随后下降。原因可能是掺入膨胀剂后，导致试件自由膨胀劈裂强度下降，但膨胀剂与水泥生成的钙矾石在一定程度上改善了内部缺陷，劈裂强度提高；另外，减缩剂具有减水作用，但会带来缓凝、级配改变等副作用，多因素耦合作用下，劈裂强度发生如上变化。

(2) 28 d龄期时，随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，试件劈裂强度先上升后下降。与无侧限抗压强度变化类似，第2组试件抗裂性能提升呈现抑制作用，导致其在7 d龄期时，劈裂强度反而降低，在28 d龄期时才有所体现。原因可能是水泥稳定碎石的抗压强度较高，劈裂强度很低，其破坏形式多为拉裂，导致其劈裂强度的变化较为敏感。

3.3 劈裂回弹模量

复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的劈裂回弹模量如图4所示。

图4 复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的劈裂回弹模量

由图4可知：

(1) 7 d龄期时，复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的劈裂回弹模量显著提高；随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，试件劈裂回弹模量不断提升。

(2) 28 d龄期时，随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，试件的劈裂回弹模量先增大后减小；随着龄期增加，掺外加剂试件劈裂回弹模量增长幅度较小，且随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，劈裂回弹模量后期增长幅度下降。结果表明，掺外加剂抑制了试件的劈裂回弹模量的后期增长，膨胀剂增加，减缩剂减少，该抑制作用增强。在实际工程中，复掺外加剂可通过减少膨胀剂掺量，增加减缩剂掺量，提高水泥稳定碎石劈裂回弹模量的后期增长，以提高水泥稳定碎石的刚度。

3.4 干缩性能

本试验对复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的累计干缩应变、干缩系数与龄期的关系进行了研究，累计干缩应变与龄期的关系如图5所示，干缩系数与龄期的关系如图6所示。

图5 累计干缩应变与龄期的关系

图6 干缩系数与龄期的关系

由图5和图6可知：

(1) 复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的累计干缩应变、干缩系数与龄期呈现正相关，复掺外加剂试件的累计干缩应变—龄期曲线和干缩系数—龄期曲线都居于未掺外加剂试件的对应曲线之下，表明复掺膨胀剂和减缩剂可以改善水泥稳定碎石的干缩性能。

(2) 试验初期，复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的累计干缩应变—龄期曲线和干缩系数—龄期曲线较为陡峻，之后逐渐趋于平缓，说明复掺膨胀剂和减缩剂能明显降低水泥稳定碎石初期累计干缩应变和干缩系数，显著改善其干缩应变作用。

(3) 各龄期条件下，第3组试件的累计干缩应变和干缩系数始终最小。28 d龄期时，第3组试件累计干缩应变比未掺外加剂(第1组)试件降低了21.8%，干缩系数比未掺外加剂(第1组)试件降低了24.4%，说明对于减少干缩变形，复掺膨胀剂和减缩剂存在最佳掺量。

本试验对复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的累计干缩应变、累计干缩系数与失水率的关系进行了研究，累计干缩应变与失水率的关系如图7所示，累计干缩系数与失水率的关系如图8所示。

图7 累计干缩应变与失水率的关系

图8 累计干缩系数与失水率的关系

由图7和图8可知：

(1) 当失水率小于2%时，未掺外加剂(第1组)水泥稳定碎石的累计干缩应变和干缩系数增速明显大于复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的累计干缩应变和干缩系数；当失水率超过3%时，其累计干缩系数急剧增加，原因可能是水泥稳定碎石试件养护结束后，干缩裂缝在短时间暴露情况下表面大孔隙的自由水挥发导致试件干缩，长时间暴露则毛细孔水挥发，干缩裂缝大大增加。

(2) 随着失水率的增加，各组试件的累计干缩应变和干缩系数均逐渐增大，在失水率达到临界值后，试件累计干缩应变和干缩系数陡增。本试验各掺量条件下， 水泥稳定碎石的临界失水率为2%～3%，试件失水率达到该值后其干缩裂缝数量急剧增加。

(3) 试件暴露初期，第4组试件的累计干缩应变和干缩系数最小，抗开裂能力强；长时间暴露后，达到临界失水率时，第3组试件的累计干缩应变和干缩系数最小。结果表明第4组试件早期抗裂性能最好，后期第3组试件的外加剂通过水化反应，补偿试件收缩的能力更稳定，外加剂掺量更合理。

4 结论

(1) 复掺膨胀剂和减缩剂后，水泥稳定碎石的无侧限抗压强度、劈裂强度和劈裂回弹模量等指标均有所提高；随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，上述指标呈现先增大后减小的趋势。

(2) 第2组试件(复掺4%膨胀剂和3%减缩剂)的无侧限抗压强度和劈裂强度提升呈现抑制作用，且对劈裂强度的抑制作用比无侧限抗压强度的抑制作用表现得更早。复掺外加剂，水泥稳定碎石劈裂强度比抗压强度变化更敏感。

(3) 随着龄期增加，掺外加剂水泥稳定碎石的劈裂回弹模量增长较小，且随着膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，劈裂回弹模量后期增量减少。结果表明掺外加剂抑制了水泥稳定碎石劈裂回弹模量的后期增长，膨胀剂掺量增加，减缩剂掺量减少，该抑制作用增强。在实际工程中，复掺外加剂可通过减少膨胀剂掺量、增加减缩剂掺量的方式提高水泥稳定碎石劈裂回弹模量的后期增长。

(4) 复掺膨胀剂和减缩剂水泥稳定碎石的累计干缩应变、干缩系数与龄期呈正相关，复掺外加剂有助于改善水泥稳定碎石的干缩抗裂性能，且初期的改善效果更好。

(5) 随着失水率的增加，各外加剂掺量的水泥稳定碎石的累计干缩应变和干缩系数均逐渐增大，在失水率达到临界值后，其累计干缩应变和干缩系数陡增。本试验各外加剂掺量条件下，水泥稳定碎石的临界失水率为2%～3%，失水率达到该值后，水泥稳定碎石干缩裂缝数量急剧增加。

(6) 水泥稳定碎石复掺膨胀剂和减缩剂存在最佳掺量。综合考虑无侧限抗压强度、劈裂强度、劈裂回弹模量和干缩应变等指标，本试验条件下，复掺6%膨胀剂和2%减缩剂的水泥稳定碎石在力学性能和干缩性能等方面表现更优异，更稳定。