復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石路用性能研究

曹駿駒

(江蘇省交通工程建設局，南京 210001)

水泥穩定碎石具有良好的整體性、力學強度、抗水性和耐凍性等特點，被廣泛用于高等級公路的基層。但它的脆性較大，在工程應用中因受溫度、濕度影響，基層經常開裂，嚴重時還會造成瀝青路面出現裂縫。目前，針對水泥穩定碎石路面裂縫防治方面的研究多數是通過降低水泥穩定碎石的收縮性能，提高抗裂性能。這類研究主要集中在膨脹劑、減縮劑、纖維和乳化瀝青等外加劑[1-9]、養生溫度[10]和集料集配[11-12]等對水泥穩定碎石抗裂性能的影響。摻外加劑在一定程度上能抑制水泥穩定碎石出現早期收縮裂縫，提高其抗裂性能，復摻膨脹劑和減縮劑在水泥穩定碎石中應用較少，程箭等[13]研究了復摻膨脹劑和減縮劑對水泥穩定碎石力學性能的影響，發現兩種外加劑顯著改善水泥穩定碎石的脆性，提高其抗裂性，但力學性能疊加效應不顯著。因此，在水泥穩定碎石中摻膨脹劑和減縮劑是否出現疊加效應，有必要進一步研究。本文研究了復摻膨脹劑和減縮劑對水泥穩定碎石的抗壓強度、劈裂強度、劈裂回彈模量等強度性能和干縮性能的影響，以期為工程應用提供科學參考。

1 試驗材料

1.1 級配組成

采用江蘇省宿遷市發展大道集料，該集料級配良好，水泥穩定碎石中集料的顆粒組成如表1所示，集料篩分結果如表2所示，集料級配曲線如圖1所示。土工試驗在強度性能試驗前完成。

表1 水泥穩定碎石中集料的顆粒組成 (%)

表2 集料篩分結果 (%)

圖1 集料級配曲線

1.2 試驗材料

水泥選用海螺牌PO42.5硅酸鹽水泥；膨脹劑采用中國建筑材料科學研究總院UEA-H型膨脹劑，其為硫鋁酸鈣類膨脹劑，具有含堿量低、不會引起堿骨料反應、流動性能好等特點；減縮劑采用海韻牌BT-500型減縮劑，其由聚羧酸系原料配制，與膨脹劑相比，聚羧酸系高效減縮劑對水泥穩定碎石的干縮性能無副作用，具有一定程度的改善作用。膨脹劑和減縮劑為固體，將兩種外加劑先摻入水泥，再與集料拌和。

2 試驗方法

2.1 試驗內容

通過擊實試驗確定水泥穩定碎石基層的最大干密度和最佳含水量，在最佳含水量條件下制作成型試件，再進行室內強度試驗和干縮試驗。水泥穩定碎石的水泥摻量為4.5%，結合膨脹劑和減縮劑的推薦摻量[13]，本試驗選用具有代表性的摻量，膨脹劑摻量為4%、6%、8%，減縮劑摻量為1%、2%、3%，外加劑摻量為所占水泥用量的比例。本試驗的4組摻量配比中，膨脹劑摻量遞增，減縮劑摻量遞減，并設置空白對照組(第1組)，以便在進行后期數據分析時，更直觀地體現水泥穩定碎石力學性能和干縮性能變化規律。試件中膨脹劑和減縮劑摻量如表3所示。

表3 試件中膨脹劑和減縮劑摻量 (%)

2.2 試驗方法

2.2.1 最佳含水量

按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[14]進行擊實試驗，確定水泥穩定碎石的最大干密度和最佳含水量。擊實試驗結果如表4所示。

表4 擊實試驗結果

2.2.2 強度性能

為研究復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的強度性能，在最佳含水量條件下，進行水泥穩定碎石的強度性能(7 d、28 d)試驗，包括無側限抗壓強度試驗、劈裂試驗和劈裂回彈模量試驗。無側限抗壓強度、劈裂強度、劈裂回彈模量等指標相關性較好，可以作為水泥穩定碎石的主要路用指標。《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[15]將7 d 無側限抗壓強度作為路面基層的性能評價指標。劈裂強度和劈裂回彈模量對評價水泥穩定碎石的抗裂性有著重要意義。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[14]試驗方法，圓柱形試件成型高度150 mm、直徑150 mm，待上下壓柱都壓入試模后維持壓力2 min。成型壓實度98%，標準養生溫度(20±2)℃，標準養生濕度95%以上。

2.2.3 干縮性能

為研究水泥穩定碎石的干縮性能，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)[14]進行干縮試驗。選擇100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件作為標準試件，每組成型7個試件，其中3個試件用于測定收縮變形，3個試件用于測量干縮失水率，1個試件備用。

3 試驗結果分析

3.1 無側限抗壓強度

復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的無側限抗壓強度如圖2所示。

圖2 復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的無側限抗壓強度

由圖2可知：

(1) 7 d齡期時，3組復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的無側限抗壓強度都增大，可能是因為一方面減縮劑在一定程度上改善了水泥水化條件，水泥分布更加均勻；另一方面水泥與膨脹劑生成的鈣礬石填充了試件內部空隙，改善了其內部的應力狀態。

(2) 7 d齡期時，第2組試件的無側限抗壓強度達到峰值。隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，無側限抗壓強度下降，說明后期摻量的調整延緩了水泥水化，無側限抗壓強度反而降低。結果表明，實際工程中，合理摻量的外加劑對提升水泥穩定碎石強度，同時控制施工成本至關重要。

(3) 28 d齡期時，第2組試件的無側限抗壓強度反而降低，隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度呈現先上升后下降的趨勢。綜合分析可得，第3組試件表現最穩定，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度提升顯著。

3.2 劈裂強度

復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的劈裂強度如圖3所示。

圖3 復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的劈裂強度

由圖3可知：

(1) 7 d齡期時，第2組試件劈裂強度輕微降低。隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，第3組試件的劈裂強度達到峰值，隨后下降。原因可能是摻入膨脹劑后，導致試件自由膨脹劈裂強度下降，但膨脹劑與水泥生成的鈣礬石在一定程度上改善了內部缺陷，劈裂強度提高；另外，減縮劑具有減水作用，但會帶來緩凝、級配改變等副作用，多因素耦合作用下，劈裂強度發生如上變化。

(2) 28 d齡期時，隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，試件劈裂強度先上升后下降。與無側限抗壓強度變化類似，第2組試件抗裂性能提升呈現抑制作用，導致其在7 d齡期時，劈裂強度反而降低，在28 d齡期時才有所體現。原因可能是水泥穩定碎石的抗壓強度較高，劈裂強度很低，其破壞形式多為拉裂，導致其劈裂強度的變化較為敏感。

3.3 劈裂回彈模量

復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的劈裂回彈模量如圖4所示。

圖4 復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的劈裂回彈模量

由圖4可知：

(1) 7 d齡期時，復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的劈裂回彈模量顯著提高；隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，試件劈裂回彈模量不斷提升。

(2) 28 d齡期時，隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，試件的劈裂回彈模量先增大后減小；隨著齡期增加，摻外加劑試件劈裂回彈模量增長幅度較小，且隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，劈裂回彈模量后期增長幅度下降。結果表明，摻外加劑抑制了試件的劈裂回彈模量的后期增長，膨脹劑增加，減縮劑減少，該抑制作用增強。在實際工程中，復摻外加劑可通過減少膨脹劑摻量，增加減縮劑摻量，提高水泥穩定碎石劈裂回彈模量的后期增長，以提高水泥穩定碎石的剛度。

3.4 干縮性能

本試驗對復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的累計干縮應變、干縮系數與齡期的關系進行了研究，累計干縮應變與齡期的關系如圖5所示，干縮系數與齡期的關系如圖6所示。

圖5 累計干縮應變與齡期的關系

圖6 干縮系數與齡期的關系

由圖5和圖6可知：

(1) 復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的累計干縮應變、干縮系數與齡期呈現正相關，復摻外加劑試件的累計干縮應變—齡期曲線和干縮系數—齡期曲線都居于未摻外加劑試件的對應曲線之下，表明復摻膨脹劑和減縮劑可以改善水泥穩定碎石的干縮性能。

(2) 試驗初期，復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的累計干縮應變—齡期曲線和干縮系數—齡期曲線較為陡峻，之后逐漸趨于平緩，說明復摻膨脹劑和減縮劑能明顯降低水泥穩定碎石初期累計干縮應變和干縮系數，顯著改善其干縮應變作用。

(3) 各齡期條件下，第3組試件的累計干縮應變和干縮系數始終最小。28 d齡期時，第3組試件累計干縮應變比未摻外加劑(第1組)試件降低了21.8%，干縮系數比未摻外加劑(第1組)試件降低了24.4%，說明對于減少干縮變形，復摻膨脹劑和減縮劑存在最佳摻量。

本試驗對復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的累計干縮應變、累計干縮系數與失水率的關系進行了研究，累計干縮應變與失水率的關系如圖7所示，累計干縮系數與失水率的關系如圖8所示。

圖7 累計干縮應變與失水率的關系

圖8 累計干縮系數與失水率的關系

由圖7和圖8可知：

(1) 當失水率小于2%時，未摻外加劑(第1組)水泥穩定碎石的累計干縮應變和干縮系數增速明顯大于復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的累計干縮應變和干縮系數；當失水率超過3%時，其累計干縮系數急劇增加，原因可能是水泥穩定碎石試件養護結束后，干縮裂縫在短時間暴露情況下表面大孔隙的自由水揮發導致試件干縮，長時間暴露則毛細孔水揮發，干縮裂縫大大增加。

(2) 隨著失水率的增加，各組試件的累計干縮應變和干縮系數均逐漸增大，在失水率達到臨界值后，試件累計干縮應變和干縮系數陡增。本試驗各摻量條件下， 水泥穩定碎石的臨界失水率為2%～3%，試件失水率達到該值后其干縮裂縫數量急劇增加。

(3) 試件暴露初期，第4組試件的累計干縮應變和干縮系數最小，抗開裂能力強；長時間暴露后，達到臨界失水率時，第3組試件的累計干縮應變和干縮系數最小。結果表明第4組試件早期抗裂性能最好，后期第3組試件的外加劑通過水化反應，補償試件收縮的能力更穩定，外加劑摻量更合理。

4 結論

(1) 復摻膨脹劑和減縮劑后，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度、劈裂強度和劈裂回彈模量等指標均有所提高；隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，上述指標呈現先增大后減小的趨勢。

(2) 第2組試件(復摻4%膨脹劑和3%減縮劑)的無側限抗壓強度和劈裂強度提升呈現抑制作用，且對劈裂強度的抑制作用比無側限抗壓強度的抑制作用表現得更早。復摻外加劑，水泥穩定碎石劈裂強度比抗壓強度變化更敏感。

(3) 隨著齡期增加，摻外加劑水泥穩定碎石的劈裂回彈模量增長較小，且隨著膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，劈裂回彈模量后期增量減少。結果表明摻外加劑抑制了水泥穩定碎石劈裂回彈模量的后期增長，膨脹劑摻量增加，減縮劑摻量減少，該抑制作用增強。在實際工程中，復摻外加劑可通過減少膨脹劑摻量、增加減縮劑摻量的方式提高水泥穩定碎石劈裂回彈模量的后期增長。

(4) 復摻膨脹劑和減縮劑水泥穩定碎石的累計干縮應變、干縮系數與齡期呈正相關，復摻外加劑有助于改善水泥穩定碎石的干縮抗裂性能，且初期的改善效果更好。

(5) 隨著失水率的增加，各外加劑摻量的水泥穩定碎石的累計干縮應變和干縮系數均逐漸增大，在失水率達到臨界值后，其累計干縮應變和干縮系數陡增。本試驗各外加劑摻量條件下，水泥穩定碎石的臨界失水率為2%～3%，失水率達到該值后，水泥穩定碎石干縮裂縫數量急劇增加。

(6) 水泥穩定碎石復摻膨脹劑和減縮劑存在最佳摻量。綜合考慮無側限抗壓強度、劈裂強度、劈裂回彈模量和干縮應變等指標，本試驗條件下，復摻6%膨脹劑和2%減縮劑的水泥穩定碎石在力學性能和干縮性能等方面表現更優異，更穩定。