低收缩抗裂水泥土路面基层材料性能研究

孟新，王勇，蔡同星，高劲松，王君，丁庆军，解鹏洋

（1.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430050；2.武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北 武汉 430070；3.中国新型建材设计研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引 言

在公路工程建设中遇到的土料性质千差万别，有些土料路用性能很差，不能用于公路建设。针对性能较差的土质，我国部分地区引进了土壤固化剂对不良土进行改良。自从20 世纪80 年代始，引进国外土壤固化技术的基础上[1]，开始了针对我国土质的土壤固化剂的研究，虽然起步较晚，但是依然取得了一定成就，研制的多种类型固化剂已应用于许多工程，对公路建设做出了贡献[2-4]。固化剂的引入虽然弥补了传统固化材料的一些不足，但是由于研究起步较晚，基础理论薄弱，技术水平上与国外相比存在较大的差异，许多工程仍采用进口固化材料。引进的固化材料与我国土壤的适应性未知，且缺乏长期应用效果的跟踪反馈和环境的评估监控，以及技术垄断，价格昂贵，限制了其大规模推广应用。此外，固化材料在使用中出现了一系列问题，例如加固土的早期强度发展缓慢，影响施工进度，不能满足一些工期要求较短且强度要求高的工程[5]。固化土的抗压强度达不到行业标准，只能通过增大掺量来弥补强度，固化土水稳性、耐久性差，使用过程中基层容易出现收缩裂缝，这些裂缝逐渐开裂并向上发展形成反射裂缝，不仅会影响路面的外观和行车舒适性，而且会造成路表水下渗，进一步引起基层变软破坏，在大量行车荷载反复作用下导致路面强度大大降低，影响公路使用质量和使用寿命。

对于基层开裂机理及防裂措施的研究，国内外主要从以下方面采取了措施：

（1）对混合料压实度和含水量的调控进行研究，控制基层适宜的含水量，避免因含水量过大而引起的干缩裂缝的发生[6]。

（2）控制细粒料含量和塑性指数，提高粗集料用量，即尽量用级配粒料。

（3）采取对基层的“预裂”措施，基层设置假缝，减少裂缝的破坏作用。

（4）水泥稳定粒料中采用减水剂，用粉煤灰代替部分水泥用量，增加沥青路面的厚度[7]。

以上减缩防裂措施对减少基层的收缩和裂缝起到了一定的效果，但是在防范效果上很有限，而且大多数研究主要集中在水泥稳定粒料的力学性能，对于解决半刚性基层收缩开裂，提高其水稳性方面的研究较少，改善基层材料组成成分性能方面的研究还远远不够。因此，若能够在保证工程质量的前提下减少石料用量，充分利用廉价的土壤资源，通过对材料组分的研究，寻找一种经济实用的新材料，制备出路用性能好、低收缩抗裂的基层材料，则可以解决自然资源短缺问题，还可延长路面的使用寿命，具有实际应用价值及理论研究意义。本文采用多组分材料复合进行减缩增强的技术原理与方法，开发了可显著提高水泥稳定土强度和水稳性能，并降低收缩和提高抗裂性能的材料，针对采用该材料制备的稳定土进行力学性能、水稳定性能和收缩性能等的研究，从而为我国半刚性基层路面材料的研究与应用提供研究思路和技术支撑。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，华新水泥股份有限公司生产，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，其主要性能见表1。

表1 水泥的主要性能

土：粉质黏土，取自武汉某施工场地，物理力学性能见表2。

表2 土样的物理力学性能

氧化镁：采用辽宁海城群力矿业有限公司提供的菱镁矿进行煅烧而得，煅烧温度900 ℃、煅烧时间1.5 h。菱镁矿的化学成分见表3。

表3 菱镁矿的化学成分 %

氯化钙：天津市北辰方正试剂厂，有效成分含量不少于99.5%。

1.2 试验方法

（1）无侧限抗压强度：试件的制备和养生参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。

（2）干缩试验：材料的失水收缩程度和干缩系数参照JTG E51—2009 中无机结合料稳定材料干缩试验方法进行测试。

（3）温度收缩：材料的温度收缩程度和温度收缩系数参照JTG E51—2009 中无机结合料稳定材料温缩试验方法进行测试。

（4）水稳定性试验：参照JTG E51—2009 进行测试。

（5）抗压回弹模量：参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对稳定土基层材料进行测试。

2 结果与分析

2.1 稳定土的力学性能

采用田口法对脱硫石膏、氯化钙及氧化镁（3 个控制因子）稳定土的无侧限抗压强度进行设计，通过信噪比望大的方法得出3 个控制因子的最优值，结果显示，最优配比为m（水泥）∶m（脱硫石膏）∶m（氧化镁）∶m（氯化钙）=75∶12∶9∶4。并将其制备成减缩增强材料A。不同龄期减缩增强材料稳定土和水泥稳定土的无侧限抗压强度如表4 所示。

表4 稳定土无侧限抗压强度随龄期的变化 MPa

由表4 可知：（1）2 种稳定土的抗压强度随着龄期的延长，均表现出提高的趋势，但提高的幅度不同。减缩增强材料稳定土7 d 强度可达6.9 MPa，而水泥稳定土7 d 强度仅为2.9 MPa。这是因为减缩增强材料组分中除了水泥外，还含有脱硫石膏、氧化镁和氯化钙等组分，各组分水化生成的产物穿插于土颗粒以及絮状C-S-H 凝胶与未水化的物质之间，使土体强度提高。虽然水泥稳定土中也存在钙矾石等水化晶体，但其含量比减缩增强材料稳定土中的少，因此7 d 龄期强度较减缩增强材料稳定土小。

（2）28 d 以前减缩增强材料稳定土的强度提高幅度比水泥稳定土的大，而28 d 以后水泥稳定土的强度提高幅度显得更明显。这是因为减缩增强材料中的早强组分氯化钙及脱硫石膏等的加入使水化反应主要在早期进行，后期随着氢氧化镁量的增加，体积膨胀，在一定程度上会影响水泥石结构，故强度增大幅度不大。

不同龄期减缩增强材料稳定土和水泥稳定土的抗压回弹模量如表5 所示。

表5 2 种稳定土抗压回弹模量随龄期的变化MPa

由表5 可知，2 种稳定土的抗压回弹模量均随着龄期延长而提高，提高规律与强度提高规律类似。28 d 前减缩增强材料稳定土的回弹模量提高幅度比水泥稳定土大，28 d 以后水泥稳定土的回弹模量提高幅度较大。

稳定土抗压回弹模量的大小取决于稳定材料本身的模量、反应生成物的模量及其结构类型等。早期由于反应刚开始，生成物量少，不足以使混合料成为一个整体，因此稳定土的早期回弹模量较小。后期随着反应的不断进行，生成的胶结物量愈来愈多，颗粒之间的联接更加致密，整体的结构逐步加强，故表现为回弹模量逐渐增大。

2.2 稳定土的水稳定性能

不同浸泡时间减缩增强材料稳定土和水泥稳定土的水稳系数如表6 所示。

表6 2 种稳定土水稳系数随浸泡时间的变化关系%

由表6 可知，2 种稳定土的水稳系数随着浸泡时间的延长而减小，早期减小幅度较大，后期幅度变小。减缩增强材料稳定土的28 d 水稳系数大于90%，具有较好的水稳性。相比之下，水泥稳定土的28 d 水稳系数较小。这是由于减缩增强材料稳定土的强度高于水泥稳定土，结构更加致密，在浸水作用下，稳定土孔隙中的大量二价阳离子与附着在土粒表面的低价阳离子进行离子交换及团粒化作用；此外，减缩增强材料中各组分的水化作用在水中更加充分，因此水稳系数较高。但是随着浸泡时间的延长，水分的渗入量增大，对试样的破坏性增大。

综合以上2 种稳定土水稳性能试验表征结果，稳定土的强度都有所降低，但减缩增强材料稳定土具有较好的水稳性能。因此该材料即使施工后出现暴雨的情况，其力学性能仍能满足基层材料的要求。

不同干湿循环次数减缩增强材料稳定土和水泥稳定土的水稳系数如表7 所示。

表7 水稳系数随干湿循环次数的变化关系 %

由表7 可知，在干湿循环情况下，2 种稳定土的水稳系数随循环次数的增多，有不同的变化规律。其中水泥稳定土的水稳系数随着循环次数的增多而逐渐减小，减小的幅度逐渐变小，其干湿循环水稳定性比浸泡水稳定性好。这是由于在循环过程中，材料吸收水分后还会散失部分水分，这样就在一定程度上减少了水分对材料的破坏。

减缩增强材料稳定土水稳系数随着干湿循环次数的增多逐渐增大。经受5 次干湿循环后，水稳系数达到了106.5%。这可能是因为稳定土浸水1 d，风干1 d 后，由于减缩增强材料组分中有氧化镁存在，早期水化反应中氧化镁的水解较慢，而在后期慢慢加快，因此在既有水又暴露在空气状态下，氧化镁水化生成的氢氧化镁量会增加，部分还参与碳化反应生成碳酸镁，具有较强的胶结能力，有助于提高稳定土的强度。所以减速增强材料干湿循环水稳系数表现出增大的趋势。

2.3 稳定土的收缩性能

将室内成型的100 mm×100 mm×400 mm 的梁式试件放置在收缩仪上，一端安置千分表，试件整体收缩会引起千分表触头移动从而引起读数变化，稳定土干缩应变随时间的关系曲线如图1 所示。

由图1 可知，减缩增强材料稳定土的干缩应变随着时间的延长先增大后减小，水泥稳定土的干缩量早期增长幅度较大，后期增长幅度较小直至稳定不变。对比2 种稳定土的干缩应变可知，减缩增强材料稳定土的整体干缩应变比水泥稳定土的小，其60 d 龄期干缩应变比水泥稳定土的降低了83.9%。总的来说，稳定土干缩应变主要受水分蒸发影响，此外还受细集料自身的收缩应变影响。

稳定土干缩系数随失水率的变化关系如图2 所示。

图2 稳定土干缩系数随失水率的变化关系

由图2 可知，2 种稳定土的干缩系数均随着失水率的增大有不同程度的减小，其中水泥稳定土的整体干缩系数比减缩增强材料稳定土的要大。

稳定土干缩系数与时间的关系如图3 所示。

图3 稳定土干缩系数与时间的关系

由图3 可知，前期（7 d 内）减缩增强材料稳定土的干缩系数逐渐增大，之后逐渐减小，后趋于稳定。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。且14 d以前干缩系数逐渐变大，随后逐渐减小。在减缩增强材料稳定土中，随着龄期的增长，混合料中水化反应生成的产物增多，这些水化产物起到很好的填充效果，减小了材料内部的孔隙，因此其干缩系数相比来说更小。

稳定土温缩应变与温度的变化关系如图4 所示。

图4 稳定土温缩应变与温度的变化关系

由图4 可知，2 种稳定土的温缩应变随着温度的降低呈现出增大的趋势。一般而言，材料内部液面一般为凸液面，存在表面张力。随着温度降低，液面表面张力增加，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，这种作用力比较小，故在20~-5 ℃区间内，因为毛细管张力和弱结合水的共同作用，导致2 种稳定土的温缩应变增大幅度较小。当温度继续下降时，稳定土的温缩应变增大幅度较大，整体效果是减缩增强材料稳定土的收缩较水泥稳定土的小。

稳定土温缩系数与温度的变化关系如图5 所示。

图5 稳定土温缩系数与温度的变化关系

由图5 可知，2 种稳定土的温缩系数变化趋势基本相同，在-15~20 ℃区间内，温缩系数先减小后增大，且整体而言减缩增强材料稳定土的温缩系数比水泥稳定土的小。

其中温度为0 ℃时，水泥稳定土的温缩系数达到最小值；而减缩增强材料稳定土的温缩系数达到最小值的温度为-5 ℃。究其原因，一般内部的弱结合水在0 ℃结冰，体积增大，从而抵消了部分的收缩变形。而减缩增强材料中含有氯化钙，降低了冰点，使温缩系数达到最小值为-5 ℃。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。

整体而言，减缩增强材料稳定土的温缩系数更小，这是由于在相同稳定材料掺量下，减缩增强材料中水泥组分所占的比例小，水泥组分的水化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，而减缩增强材料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，二者相比，减缩增强材料稳定土的温缩系数偏小。

3 结 论

（1）随着龄期的延长，稳定土的各项力学性能逐渐提高，7 d 无侧限抗压强度6.9 MPa，60 d 抗压回弹模量≥1608.4 MPa，减缩增强材料稳定土的各项力学性能均优于相同稳定材料掺量的水泥稳定土。

（2）稳定土浸泡28 d 的水稳系数为90.1%，稳定土经受5 次干湿循环后，水稳系数达到了106.5%，强度没有出现损失情况，而相反，水泥稳定土的水稳系数减小。

（3）减缩增强材料稳定土的干缩应变随着时间的延长先增大后减小，稳定土的干缩量早期增长幅度较大，后期增长幅度较小，60 d 干缩系数为60.4×10-6。水泥稳定土的干缩应变随时间的延长而增大，60 d 干缩系数为358.3×10-6。稳定土的温缩应变随着温度的降低呈增大的趋势，与水泥稳定土相比，减缩增强材料稳定土收缩量更小，抗收缩性能更好。