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膨胀剂对水泥稳定碎石性能影响研究综述

作者:武汉三源特种建材有限公司 朱海军

  【摘 要】水泥稳定碎石具有稳定性好、经济性能优越、施工简便快速等优点,但是其抗裂性差、耐久性不佳,阻碍了其在各大公路工程中的应用。本文搜集了国内关于水泥稳定碎石的研究,总结出提高水泥稳定碎石路用性能的办法,通过加入膨胀剂,增加水泥稳定碎石的密实度,减小材料的孔隙率,增强水泥稳定碎石的强度性能以及耐久性,综述了各研究者关于膨胀剂对水泥稳定碎石的各项性能的影响研究。

  【关键词】水泥稳定碎石;膨胀剂;耐久性

  1概论

  目前水泥稳定基层材料被广泛的运用在我国公路建设中,水泥稳定基层材料具有的优点:稳定性好(强度从1MPa至10MPa均可以调整)、产量高、搅拌时间短、利于高效、大面积的持续施工;另外经济性能好,在缺乏粒料的地区,采用水泥稳定材料是比较经济的[1]。同时水泥稳定基层材料也存在很多缺点,例如材料的抗裂性能差,渗透性能不好等。水泥稳定基层是通过振动压路机振动碾压成型,通过最大干密度、最佳含水量的指标进行指导施工[2,3]。水泥稳定基层在较大的振动压实能作用下,得到很高的密实度,但是其内部由于胶凝材料较少,仍然有许多空隙没有得到良好地填补。尽管水泥稳定材料能够在压路机的作用下紧密的连接在一起,可是这种连接仅仅是物理接触,这种接触削弱了胶凝材料的粘结性,所以这种集料的接触也成为材料中的薄弱区,给强度的降低、水分的进入和耐久性的减弱创造了条件。

  水泥稳定半刚性基层应用于各个公路工程中,问题出现的也非常多,最多的表现为收缩与开裂,导致路面反射缝的生成,并且严重影响了公路结构,另外由于地下水的侵入以及路面水分的渗透,都导致水泥稳定基层的耐久性不佳,减弱其正常的使用年限。

  2 膨胀剂对水泥稳定碎石力学性能的影响

  张宏君[4]研究了水泥掺量为5%的条件下,膨胀剂掺量分别为0%、3%、5%、8%、10%时,水泥稳定碎石无侧限抗压强度以及劈裂强度的变化规律,图1、2可以看到不同的龄期对于无侧限抗压强度和劈裂强度,膨胀剂的掺量分别有个最佳值。龄期为180天时,在膨胀剂的掺量为8%时,水泥稳定碎石的无侧限抗压强度最高且为7MPa,相对于没有掺膨胀剂的组分,提高约4.5%;龄期为90天,膨胀剂掺量为5%时,水泥稳定碎石的劈裂强度最佳且为1.11MPa,相对于没有掺膨胀剂的试件,提高约29%。掺量太高时,由图可以看到当膨胀剂的掺量为10%的条件下,其无侧限抗压强度以及劈裂强度相对于膨胀剂的最佳掺量时,均有所降低。

  因此可以得出,膨胀剂的加入是有利于提高水泥稳定碎石的力学性能,前期强度以及后期强度均有所提高,但是膨胀剂的加入有其最佳掺量,主要是因为水泥稳定碎石的空隙率较高,施工过程中压路机能够将水泥稳定碎石压实达到最佳干密度,但是压路机的压实能是随着面层到内部而逐渐减弱的,导致内部依然存在很多空隙,从而不利于强度性能的发展,而膨胀剂的加入通过其化学膨胀性将这些空隙填充,有效的增加体系的密实度,此外也有利于水泥颗粒等胶凝材料得到二次重排,使其更加贴近于界面薄弱区以及多孔区域,随着龄期的增加而改善薄弱区。因此强度性能由于膨胀剂的加入而有所增加,但是当膨胀剂掺量超过其最佳掺量时候,过度的膨胀又会引起强度的降低,当膨胀大到水泥浆体系中的内部空隙无法容纳时,反而会破坏材料本身已经形成的结构,导致强度降低。

  3 膨胀剂对水泥稳定碎石干缩性能的影响

  水泥稳定碎石由于其干缩而引起的裂缝,从而导致路面反射缝的生成是目前很多路面破坏的原因之一,这也较大限制了水泥稳定碎石在各大工程中的应用。陈冬燕[5]研究了水泥掺量为5%的条件下,膨胀剂掺量为0%、3%、5%、8%时,水泥稳定碎石的干缩率,成型的试件为100mm×100mm×400mm的小梁,所得到的干燥收缩系数如图3所示。

  由图3可以看到随着膨胀剂掺量的增加,水泥稳定碎石的干缩系数逐渐降低,其体积稳定性也因此而逐渐提高,可以看到与不加膨胀剂的组分相比,膨胀剂掺量为3%、5%、8%的条件下分别降低约11%、23%、27%,主要由于膨胀剂的加入使水泥稳定碎石的结构发生变化,由于内部的空隙逐渐由生成的钙矾石填补,内部的密实度得到有效的增加,原先由于毛细管张力而引起的干燥收缩在膨胀剂加入的条件下逐渐改善,同时毛细管数量以及孔径都得到了减少与缩小,因此膨胀剂的加入有效的减小了水泥稳定碎石的干缩情况,提高材料的体积稳定性。

  4 膨胀剂对水泥稳定碎石抗冻性能的影响

  杨红辉[6, 7]研究了膨胀剂的掺入对水泥稳定碎石抗冻性能的影响,结果显示:由于水泥稳定碎石的多孔性质,在未做抗冻实验的条件下,其强度性能低于掺加膨胀剂的组分,经过冻融循环实验之后,试件强度均有不同程度的降低,从抗裂系数来看,掺加膨胀剂的试件均高于未掺加膨胀剂的试件,另外从图4可以看到,添加膨胀剂的抗冻试件强度降低率在三个龄期里都明显的小于未添加膨胀剂的组分,充分说明了膨胀剂的加入有利于填补混凝土内的空隙,增加密实度,并且有效的减小了毛细孔的数量与孔径,增强了水泥稳定碎石的抗冻性能,增强材料的耐久性。

  5 结论

  膨胀剂的加入有利于增强水泥稳定碎石的密实度,减小体系的空隙率,同时也减小了材料内部毛细孔的数量以及孔径,因此膨胀剂的加入有利于提高水泥稳定碎石的强度性能,但是其具体掺量根据材料体系的不同而存在其最佳掺量,超过最佳掺量,过度的膨胀不利于材料强度性能的发展。另外,膨胀剂的加入对水泥稳定碎石的干缩性能以及抗冻性能均有不同程度的改善。

  【参考文献】

  [1] 刘佳.基于路面基层稳定用水泥的组成设计及机理研究[D].武汉理工大学,2011

  [2] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[D].北京:人民交通出版社.1999.

  [3] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社.2001.3.

  [4] 张宏君,王选仓,李振霞.膨胀剂水泥稳定碎石路用性能研究[J].公路.2008 ,(11).

  [5] 陈冬燕,选仓薛.掺膨胀剂水泥稳定碎石抗裂性能研究[J].河北交通科技.2005 ,(3).

  [6] 杨红辉.掺膨胀剂及纤维水泥稳定碎石抗裂性能研究[D].西安:长安大学, 2003.

  [7] 杨红辉,郝培文,经梁.膨胀剂水泥稳定碎石路用性能[J].交通运输工程学报.2006,(3).


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