膨脹劑及纖維對水泥穩定碎石干縮性能的影響＊

李艷春 李 俠 張 攀

（河北工業大學土木工程學院 天津 300401）

水泥穩定碎石是目前高等級公路最常用的一種半剛性基層材料，水泥穩定碎石具有足夠的強度、適宜的剛度、抗凍能力強、水穩性好等優點，較適應現代重型交通的要求［1］.但水泥穩定碎石的抗溫縮和干縮性能較差，容易產生收縮裂縫，在車輛荷載和環境因素的作用下，裂縫會延伸至路面面層，使路面結構的承載能力降低，路面使用壽命縮短.水泥穩定碎石混合料收縮機理是水泥穩定碎石混合料成型過程中，由于蒸發和混合料內部發生水化作用，混合料的水份不斷減少，因而發生毛細管作用、吸附作用、分子間力的作用，材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化收縮作用等，引起水泥穩定碎石材料產生體積收縮［2－3］.本文依據水泥穩定碎石混合料收縮機理，研究摻加膨脹劑和聚丙烯纖維對水泥穩定碎石抗裂性能的改善作用，通過室內試驗研究膨脹劑和聚丙烯纖維改善水泥穩定碎石抗裂性能的作用機理和效果，以期得到對工程實踐有指導意義的結果.

1 原材料性能測試

1.1 水泥穩定碎石原材料

1）水泥 本試驗采用唐山冀東水泥廠生產的盾石牌P.O42.5水泥，其主要指標見表1.

表1 水泥主要性能指標

2）碎石集料 本試驗碎石集料采用唐山豐潤碎石，最大粒徑選為31.5 mm.碎石級配采用文獻［5］中的骨架密實型級配范圍中值，級配組成如表2.

表2 集料級配組成

1.2 添加劑材料

1）膨脹劑 膨脹劑選用北京鑫宏光建材有限公司生產的WDN 型粉劑，試驗指標見表3.

表3 膨脹劑技術性能指標

2）聚丙烯纖維 本試驗選用常州利爾德通新材料科技有限公司生產的強韌牌XDF 聚丙烯單絲纖維，纖維長度為25mm，截面形式為Y 形，其物理性能見表4.

表4 聚丙烯纖維物理性能

2 干縮性能試驗分析

2.1 試件制備

根據重型擊實試驗結果確定的最大干密度和最佳含水量，用靜壓法成型試件；干縮性能試驗采用100mm×100 mm×400 mm 的梁式試件.試件脫模后立即移至標準養護室養護，至養護期的最后一天，將試件浸水一晝夜.

以水泥劑量4%（外摻），膨脹劑摻量4%，7%，10%（占水泥質量）、聚丙烯纖維體積摻量0.7%，0.9%，1.1%進行配合比設計，綜合考慮路用性能和經濟性，得出膨脹劑最佳摻量為7%，纖維最佳體積摻量為0.7%.為了比較摻與不摻添加劑的水泥穩定碎石的力學性能，本試驗增加了一組不摻添加劑的基準配合比，三組配合比的重型擊實試驗結果見表5.

表5 擊實試驗結果

2.2 干縮性能試驗

依據文獻［7］對3組水泥穩定碎石進行28d齡期的干縮性能試驗，干縮應變采用千分表法測定.

累計干縮應變、平均干縮系數與齡期的關系，如圖1～2.膨脹劑、聚丙烯纖維水泥穩定碎石各齡期的累計干縮應變和平均干縮系數均明顯小于不加添加劑的基準水泥穩定碎石.當齡期為28d時，膨脹劑水泥穩定碎石的累計干縮應變、平均干縮系數比基準配合比降低了59.1%，57.5%，纖維水泥穩定碎石的累計干縮應變、平均干縮系數比基準配合比降低了17.9%，18.1%，這說明膨脹劑、纖維的加入顯著改善了水泥穩定碎石的干縮抗裂性能.膨脹劑水泥穩定碎石初期累計干縮應變為負值，說明初期出現膨脹變形，后期出現干縮變形，且隨著齡期的增加而增加.

圖1 累計干縮應變與齡期關系

圖2 平均干縮系數與齡期關系

累計干縮應變、平均干縮系數與累計失水率的關系，如圖3～4.隨著失水率的增加，基準配合比和聚丙烯纖維水泥穩定碎石的累計干縮應變和平均干縮系數逐漸增大，當失水率小于2.0%時，累計干縮應變和平均干縮系數隨失水率的增加變化較為平緩，當失水率超過2.0%后，累計干縮應變和平均干縮系數急劇增大；膨脹劑水泥穩定碎石的累計干縮應變和平均干縮系數隨著失水率的增加先減小后增大.

圖3 累計干縮應變與累計失水率關系

圖4 平均干縮系數與累計失水率關系

3 膨脹劑、聚丙纖維對水泥穩定碎石干縮性能的影響

3.1 膨脹劑對水泥穩定碎石干縮性能的影響

3.1.1 膨脹劑的作用機理 膨脹劑對水泥穩定碎石的抗裂機理主要可以從補償收縮和微結構作用2個方面解釋.

1）補償收縮作用 膨脹劑的主要功能是補償收縮［8］.依據吳中偉院士提出的補償收縮理論，膨脹劑對水泥穩定碎石的抗縮裂的作用主要來自于膨脹劑與水泥水化產物Ca（OH）2反應生成鈣礬石（C3A·3CaSO4·32H2O）晶體時，固相體積產生的膨脹力抵消水泥穩定碎石材料由失水干縮引起的毛細管張力、吸附水及分子間力，從而減小水泥穩定碎石由收縮應力而引起的體積收縮.

筆者認為膨脹劑的補償收縮作用是有限的，一般鈣礬石在有限制的條件下，在水泥混凝土中產生的體積膨脹應力為0.2～0.7MPa.由于在水泥穩定碎石中水泥劑量及含水量較水泥混凝土石中水泥劑量及含水量小很多，其中水泥水化產物Ca（OH）2反應生成鈣礬石晶體量有限，所以固相體積產生的膨脹力很有限.

另外膨脹劑的補償收縮作用具有時效性，有資料表明：鈣礬石膨脹主要發生在7d以前，后期膨脹效果較差［9］.這是因為水泥的水化產物Ca（OH）2中C3S（硅酸三鈣）含量多，且水化反應較快，C2S（硅酸二鈣）含量少，且水化反應較慢.因此初期，水泥水化產物Ca（OH）2與膨脹劑反應生成鈣礬石晶體的速度較快，補償干燥收縮能力增強；后期生成的鈣礬石晶體量少，膨脹效果較差，補償干燥收縮能力也差.

2）微結構作用 膨脹劑有填充和細化孔隙的作用［10］.膨脹劑的水化產物填充于水泥水化產物未能填充的孔隙中，使水泥穩定碎石孔隙率減小、孔徑細化，改變了水泥穩定碎石微結構，從而提高了水泥穩定碎石的密實度，使水泥穩定碎石中毛細管作用、層間水的蒸發及碳化脫水作用減小，水泥穩定碎石的體積收縮量減小.

3.1.2 膨脹劑作用效果分析 圖3和圖4的結果顯示膨脹劑水泥穩定碎石的累計干縮應變和平均干縮系數隨著累計失水率的增加先減小后增大，其原因為失水率較小時，水泥穩定碎石材料由失水干縮引起的毛細管張力、吸附水及分子間力較小，膨脹劑與Ca（OH）2反應生成鈣礬石晶體的固相體積的膨脹作用足以補償水泥穩定碎石因水分蒸發而引起的體積收縮，累計干縮應變和平均干縮系數降低.當失水率不斷增加時，膨脹劑反應生成鈣礬石固相體積的膨脹作用不足以補償水泥穩定碎石因水分蒸發而產生的體積收縮，從而使累計干縮應變和平均干縮系數逐漸增大.

3.2 纖維對水泥穩定碎石干縮性能的影響

3.2.1 纖維的作用機理

1）水分遷移 在水泥穩定碎石中加入纖維后，增加了材料中固相的內表面積，纖維本身的潤濕作用也吸附了部分水，從而減少了泌水孔隙，改變了水泥和集料間過渡區的微結構；由于堵塞了材料孔隙中的毛細管道，內部水分遷移困難，毛細管張力減小，從而使基層材料的體積收縮減小.

2）復合材料理論 摻聚丙烯纖維的水泥穩定碎石屬于短纖維亂向復合材料，亂向分布短纖維復合材料的抗拉強度由基體和纖維的抗拉強度疊加而成.使其穩定碎石復合材料的抗拉強度增大，抵消大部分因水分蒸發而產生的收縮應力，使水泥穩定碎石中的裂縫程度減輕.

3）纖維間距理論 在拉應力作用下，水泥穩定碎石中摻入的聚丙烯纖維與基體的粘結力使裂縫尖端產生一個與基體相反的應力場和應力強度因子，從而使裂縫尖端的應力集中減弱，總應力強度因子減小，抑制了裂縫的進一步擴展.

3.2.2 纖維作用效果分析 從圖1和圖2的結果可知纖維水泥穩定碎石的累計干縮應變、平均干縮系數比基準配合比降低了17.9%，18.1%；雖然纖維對水泥穩定碎石的干縮抗裂性能有顯著的改善，但由于纖維對水泥穩定碎石的作用機理屬于物理作用，所以效果不如具有化學作用機理的膨脹劑效果好.從圖3圖4的結果可知當失水率小于2.0%時，累計干縮應變和平均干縮系數隨失水率的增加變化較為平緩，當失水率超過2.0%后，累計干縮應變和平均干縮系數急劇增加；筆者認為這一現象可以解釋為失水率很大時纖維的潤濕作用減弱，毛細管張力增大，且纖維承受大的拉力時會出現拉斷或拔出，使纖維的加筋作用減弱，導致干縮變形增大、累計干縮應變和平均干縮系數急劇增加.

4 結 論

1）摻加膨脹劑、聚丙烯纖維對水泥穩定碎石的干縮抗裂性能有顯著的改善.相比較而言，摻加膨脹劑的效果優于摻加聚丙烯纖維的效果.

2）對于摻加膨脹劑、聚丙烯纖維的水泥穩定碎石，當累積失水率大于2.0%時，累積干縮應變或平均干縮系數增長迅速，施工中應注意控制累積失水率值的變化.

3）聚丙烯纖維和膨脹劑在水泥穩定碎石中的作用機理不同，其防止裂縫產生和擴展的作用過程和效果有很大差異，工程使用中應注意二者的使用條件.

4）基于干縮系數、干縮應變等抗裂評價指標對摻膨脹劑和摻纖維的水泥穩定碎石材料抗收縮裂縫性能好壞程度的評價是一種間接的評價方法，可以利用裂縫形態指標（裂縫寬度、長度）和裂縫密度來進行直接評價，綜合兩種評價方法會得到更滿意的結果.

［1］薛以東，周天民，余婷婷.水泥穩定碎石基層收縮裂縫防治［J］.交通科技，2008，4（2）：76－78.

［2］李林香，謝永江，馮仲偉，等.混凝土的收縮及防裂措施概述［J］.混凝土，2011（4）：113－117.

［3］陳冬燕.半剛性基層材料抗裂性能研究［D］.西安：長安大學，2005.

［4］國家標準局信息分類編碼研究所.GB 175－2007硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥質量標準［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［5］國家標準局信息分類編碼研究所.JTG E51－2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［6］國家標準局信息分類編碼研究所.GB 23439－2009混凝土膨脹劑［S］.北京：中國標準出版社，2009.

［7］王愛國，孫道勝，鄧 敏，等.聚丙烯纖維和膨脹劑對混凝土微結構的影響［J］.武漢理工大學學報，2010，32（7）：31－34.

［8］呂慧君，鄧朝飛，李江華.淺析摻膨脹劑混凝土限制膨脹率的影響因素［J］.混凝土，2010（10）：31－33.

［9］張 君，陳浩宇，侯東偉.水泥凈漿.砂漿及混凝土早期收縮與內部濕度發展分析［J］.建筑材料學報，2011，14（3）：287－292.

［10］KAMEN A，DENARIE E，SADOUKI H，et al.Thermo－mechanical response of UHPERC at early age：Experimental study and numerical simulation［J］.Cement and Concrete Research，2008，36（6）：822－831.