氧化镁对半刚性基层力学性能及稳定性影响分析

2023-11-08孟新王勇蔡同星高劲松王君丁庆军解鹏洋

新型建筑材料 2023年10期

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工程中心国家重点实验室，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 前言

目前，半刚性基层材料在各等级公路中得到了普遍的应用。但由于其本身的特性，即对温湿度变化较敏感，在使用过程中出现了一些致命的缺点，如收缩大、易产生收缩裂缝等[1-2]。这些裂缝在行车荷载的长期作用下，对路面容易产生反射裂缝，导致沥青路面层破坏，严重时则失去承载能力，影响公路的使用寿命[3]。因此，半刚性基层材料的收缩开裂问题已成为当前国内外急需解决的一个重要问题。

对于半刚性基层材料产生裂缝的原因，国内外学者认为基层结构的失水导致了干燥收缩应力和温度收缩应力，这两者的共同作用下半刚性基层材料会出现裂缝。国内外进行了大量关于半刚性基层材料的干燥收缩和温度收缩性能的研究。Sanan 和George 等[4-6]研究了水泥稳定土的干缩特性，得出了影响水泥稳定土收缩应变的因素：集料中小于0.002 mm 黏粒含量越多，水泥稳定土的收缩越大，且其干缩量增加速度较黏粒含量的增加速度快；成型试件时，试件的含水量越大，稳定土的干缩应变也越大，因此在施工过程中要注意含水量的控制，保证其含水量在最优含水量浮动范围内；另外水泥稳定土的干密度越大，干缩应变越小。Rawlings[7]认为，影响水泥稳定土干缩特性的因素包括粒料土的种类和粒径、土的塑性及含水量、水泥的用量等。王宏畅等[8]对比研究了3 种传统无机结合料稳定粒料的干缩性能，得出结论：二灰稳定碎石＞水泥稳定碎石＞水泥粉煤灰稳定碎石。王加龙等[9]研究了无机结合料和固化剂稳定粉土的干缩性能和温缩性能，得出结论：混合料的收缩性能主要受湿度的影响，干缩作为半刚性基层材料收缩的主要原因，在施工初期要洒水养护，避免由于水分蒸发而产生的收缩开裂。许巍等[10]研究了简易机场水泥稳定细粒土基层的抗裂特性，试验结果表明，水泥稳定细粒土材料受到温度、湿度等环境因素影响时，其干缩、温缩随养护龄期延长、水泥掺量增加而降低，干缩对材料抗裂性能的影响更为显著。

从国内外的研究现状可知，目前的研究主要集中在水泥稳定粒料类基层的收缩性能方面，研究的重点主要在级配设计及水泥掺量的控制等方面，而针对固化剂稳定土基层的收缩特性研究较少，稳定材料也是单一的传统稳定材料。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稳定土并进行力学性能、水稳定性能和收缩性能研究，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参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：武汉华新水泥厂，P·O42.5 水泥，物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

土样：取自武汉某施工场地，黄色细粒状，其主要物理力学性能见表2。根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》按塑性指数分类法，本试验用土属于粉质黏土。

表2 土样的物理力学性能

菱镁矿：辽宁海城群力矿业有限公司，采用XRF 和XRD测得菱镁矿的化学成分和物相组成见表3 和图1。

图1 菱镁矿的XRD 图谱

表3 菱镁矿的化学成分%

1.2 试验方法

无侧限抗压强度和抗弯拉强度试验：按JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的方法制备和养生试件，试件成型压实度控制在96%，对稳定土基层材料进行无侧限抗压强度、间接抗拉强度测试。

干缩试验：按JTG E51—2009 中的T0854-2009 进行试件的制备与养生，并测试材料的失水收缩程度和干缩系数。

氧化镁活性：按YB/T 4019—2020《轻烧氧化镁化学活性测定方法》测试煅烧菱镁矿的活性指标。首先将菱镁矿破碎，再放入球磨机粉磨到一定的细度，将菱镁矿粉料放入电炉中煅烧，升温速率设置为10 ℃/min，将炉温分别加热到700、750、800、900 ℃，目标保温时间分别设为1.0、1.5、2.0、2.5 h。

限制膨胀率试验：按GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》进行测试，试验采用40 mm×40 mm×160 mm 三联模，并放入纵向限制器（骨架）装料成型，1 d 脱模后进行标准入水养护，在规定龄期用螺旋测微器测量试件的长度。

水稳定性试验：按JTG E51—2009 规定的方法评价稳定土的水稳定性。

2 结果与分析

2.1 煅烧氧化镁的性能研究

采用柠檬酸中和法，测得不同煅烧温度和保温时间下煅烧氧化镁的活性（反应时间）见表4。

表4 不同煅烧温度和保温时间下煅烧氧化镁的活性

由表4 可知，在不同煅烧温度下，随着保温时间的延长，试样与柠檬酸所需反应时间越久，氧化镁的反应活性降低。保温时间一定时，低温煅烧氧化镁反应活性比高温煅烧氧化镁反应活性要高。其中，试样在900 ℃煅烧、保温2.5 h 制度下，反应活性最低。

不同煅烧温度和保温时间下试样的限制膨胀率见表5。

表5 不同煅烧温度和保温时间下试样的限制膨胀率

由表5 可知，随煅烧温度升高和保温时间的延长，试样的早期膨胀率降低，但后期水化膨胀逐渐增大，膨胀率有所提高，特别是900 ℃煅烧并保温1.0 h 的试样，在90 d 时仍然具有明显的膨胀现象。说明煅烧温度升高以及保温时间的延长，氧化镁的水化膨胀延迟特性越明显[11]。煅烧温度升高，会使氧化镁晶格尺寸逐渐减小，材料中的孔隙率减小，致密度提高，因而水化活性降低。当保温时间延长时，发生重结晶的MgO晶体高温生长的时间增多，氧化镁晶体更加致密，膨胀的时间将延迟更长。

综合以上分析，煅烧温度越低，氧化镁活性相应越高，其早期膨胀显著，后期膨胀不足，不仅难以弥补稳定土的收缩，反而会影响其强度。但煅烧温度太高，MgO 水化膨胀时间延长，膨胀量太大。从氧化镁烧成成本及后期的膨胀作用出发，煅烧温度宜选择900 ℃，煅烧时间宜为1.5 h。

2.2 煅烧氧化镁对稳定土力学性能的影响

以水泥和氧化镁复合材料为无机结合料，结合料剂量为10%。评价了不同氧化镁掺量条件下水泥稳定土的无侧限抗压强度，氧化镁掺量按占水泥质量计，结果见表6。

表6 氧化镁掺量对稳定土力学性能的影响

由表6 可知，氧化镁掺量从3%增大到12%时，稳定土的无侧限抗压强度呈先提高后降低的趋势。未掺氧化镁稳定土的7 d 无侧限抗压强度为2.9 MPa，当掺入3%氧化镁时，无侧限抗压强度达到4.8 MPa，提高了65.5%。并且随着氧化镁掺量的增大强度持续提高，在氧化镁掺量为9%时达到最大值5.8 MPa。这主要是由于混合料中除了水泥水化产物外还有氧化镁水化生成的少量氢氧化镁晶体，这些晶体在水化初期与尚未发生水化反应的氧化镁颗粒填充在土体空隙间，使稳定土致密化，强度有所提高。然而，当氧化镁掺量达到12%时，稳定土强度略有降低，这可能是由于水泥用量有所降低所致。

氧化镁掺量对稳定土干缩应变的影响见图2。

图2 氧化镁掺量对稳定土干缩应变的影响

由图2 可知，在相同龄期内随着氧化镁掺量的增加，稳定土干缩应变逐渐减小；氧化镁掺量一定时，早期稳定土的干缩应变逐渐增大，后期逐渐减小。这是因为氧化镁的水化反应较为缓慢，随着龄期的延长，氧化镁水化形成的氢氧化镁晶体增多，因而后期干缩应变逐渐减小。

氧化镁掺量对稳定土水稳定性的影响见图3。

图3 氧化镁掺量对稳定土水稳定性的影响

由图3 可知，各样品的水稳系数均随浸泡时间的延长而减小，早期减小幅度较大，后期幅度变小。此外，掺氧化镁体系稳定土在各浸泡时间段的水稳系数均大于未掺氧化镁稳定土。以28 d 为例，未掺氧化镁稳定土的水稳系数为81.1%，而掺加3%、6%、9%、12%氧化镁稳定土的水稳系数分别增大至82.5%、84.2%、85.9%、87.1%。导致水稳定性增加的原因是氧化镁的引入使土样结构更加致密，水分进入量降低，且反应产物氢氧化镁为极难溶物质，在土样中晶体结构稳定。因而从力学性能、干缩应变和水稳定性等方面综合考虑，氧化镁在水稳层中的应用具有显著的可行性。