水泥穩定碎石基層摻加SBR膠乳抗裂性能研究

曹軍

摘要：針對高等級公路水泥穩定碎石基層材料的開裂問題，提出在水泥穩定碎石材料中摻加SBR膠乳來改善其物理力學性能，特別是抗裂性能;通過環境掃描電子顯微鏡對摻SBR膠乳的水泥穩定碎石材料的微觀結構進行觀察，揭示SBR膠乳對水泥穩定碎石材料抗裂性能的改善機理。

關鍵詞：水泥穩定碎石? SBR膠乳? 抗裂性能? 環境掃描電鏡? 改善機理

1 概述

水泥穩定碎石材料因其強度高、剛度大、整體性好等優點而廣泛應用于我國高速公路基層。但水泥穩定碎石材料作為一種散粒體材料具有很大的缺點，那就是其很容易在溫度變化及水分散失時產生很大的收縮變形，進而會形成基層的收縮裂縫。導致瀝青面層形成反射裂縫，并且由于雨水的浸入，在交通荷載作用下，路面表面出現唧漿、坑洞，從而影響了路面的使用性能和壽命。本文提出以SBR膠乳為摻加劑，對水泥穩定碎石材料進行了宏觀試驗及微觀試驗，對SBR膠乳對水泥穩定碎石材料的改善性能及機理進行分析。

2 原材料性質及實驗方法

2.1原材料性質

本試驗采用鎮江船山廠“寶船”32.5水泥。改性劑采用江陰榮成路橋材料開發有限公司的SBR1500膠乳。摻SBR膠乳的水泥穩定碎石級配均采用常用的一級公路現場施工級配，見表1。

2.2試驗方法

摻加SBR膠乳后的水泥穩定碎石材料的組成設計見表2。試驗中，無側限抗壓強度及劈裂強度根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》 （ JTJ057-94）所規定方法進行試驗，使用路面強度試驗儀進行試驗。干縮和溫縮試驗所用試件為10cm×10cm×40cm的小梁試件，用振動擊實儀成型。干縮和溫縮試驗采用高低溫交變濕熱試驗箱以及千分表進行。微觀試驗采用28d齡期的摻SBR膠乳的水泥穩定碎石材料的斷面薄片， 在XL--30ESEM環境掃描電子顯微鏡下進行。

3 宏觀試驗結果分析

3.1無側限抗壓及劈裂試驗結果分析

對于SBR膠乳摻量不同的水泥穩定碎石材料試件進行了28d無側限抗壓試驗，具體試驗結果見表3。試驗結果表明，摻加SBR膠乳并不能顯著提高水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度，在摻量較少時會呈現略微降低的趨勢，但當SBR膠乳摻量達到15%時，其無側限抗壓強度值相比不摻SBR膠乳的水泥穩定碎石材料要高，此后隨著摻量增加，強度有所增長，但幅度不大。而摻加SBR膠乳對水泥穩定碎石材料劈裂強度有較大影響，隨著SBR膠乳摻量的增加，水泥穩定碎石材料的劈裂強度增長較快，摻量達到15%時增幅達到了21.8%，此后再增加摻量劈裂強度值提高不大。

3.2干縮性能評價

水泥穩定碎石干燥收縮是由于其內部含水量的變化而引起整體宏觀體積收縮的現象。為了分析材料的干縮規律，常采用干縮系數αd（單位含水量t改變所引起材料的應變值）表征材料干燥收縮程度。干縮系數就是材料對水的敏感系數;干縮系數大，表示材料對水敏感，干縮系數小，表示材料對水不敏感。在某種程度上，干縮系數可以用來表述材料的抗裂性能。

計算干縮系數，對摻SBR膠乳的水泥穩定碎石材料干縮性能進行評價，見表4。結果顯示，在摻量范圍內，摻加SBR膠乳能夠有效的降低水泥穩定碎石材料的干縮系數，從而也表明摻加SBR膠乳對水泥穩定碎石材料的抗裂產生了積極的作用。

3.3溫縮性能指標與評價

為了分析材料的溫縮規律，常采用溫縮系數αt（單位溫度t改變所引起材料的應變值）來表征材料溫度收縮程度。溫縮系數就是材料對溫度的敏感系數：溫縮系數大，表示材料對溫度變化敏感;溫縮系數小，表示材料對溫度變化不敏感。從溫縮試驗的結果可知，在試驗摻量范圍內，摻加SBR膠乳能夠降低水泥穩定碎石材料的溫縮系數，從而也說明摻加SBR膠乳能夠較顯著的提高水泥穩定碎石材料的抗裂性能，見表4。

4 微觀試驗結果分析

4.1環境電子掃描結果

為了更加深入的探討SBR膠乳改性水泥穩定碎石的改性機理，揭示摻入SBR膠乳后材料微觀結構的改變和宏觀性能的改善之間的聯系，本文借助微觀試驗手段，對SBR膠乳改性水泥穩定碎石的機理進行研究。取28d齡期的摻SBR膠乳的水泥穩定碎石材料的斷面薄片，

在XL-30ESEM掃描電鏡下觀察微觀結構。試驗結果見圖1。

4.2改善機理分析

對微觀照片進行分析可以得出，SBR膠乳對水泥穩定碎石材料的改善機理大致可分為兩個方面。

1）網架結構的形成

由ESEM照片可以直觀地看出，水泥穩定碎石材料內部孔隙率較大，存在眾多的微裂縫與裂隙，加上薄弱的界面區的存在，整個體系呈現為空間不連續的結構。隨著SBR膠乳摻量的增加，SBR膠乳成膜趨于完整連續，SBR膠乳膜與水泥水化產物相互交織形成空間骨架結構，從而大幅度改善水泥穩定碎石材料內部結構;SBR膠乳摻量達到20%時，SBR膠乳已形成較為完善的網架結構，水泥穩定碎石材料內部特別是界面區的孔隙減少，整個體系呈現為初步的連續結構，材料明顯細化，進一步提高水泥穩定碎石材料內部網架結構的完整性。

2）過渡區的改善

水泥穩定碎石材料是由集料、水泥水化產物和水、氣等組成的多相復合體，各相之間尤其是水泥石與粗細集料之間的過渡區是水泥穩定碎石材料內部結構的重要組成部分。由于水泥石與粗細集料的收縮系數不一致，在溫濕變化作用下過渡區容易出現細微裂縫;此外，集料表面也易形成水膜，導致過渡區的水灰比較大。以上作用導致過渡區強度低且充滿微細裂縫，成為水泥穩定碎石材料中的薄弱部分，受外力時這些裂縫易擴展導致整個材料的破壞，且易成為外界腐蝕性因素滲透的通道。在水泥穩定碎石材料中摻入SBR膠乳后，過渡區有所改善，SBR膠乳摻量為10%時，SBR膠乳開始成膜，由于摻量較少，膠乳膜呈不連續狀態，結構仍較為松散，過渡區與粗集料的粘結有所加強，強度提高;隨著SBR膠乳摻量的增加，SBR膠乳成膜趨于完整，到摻量達到20%時，水泥穩定碎石材料內部特別是界面區的孔隙減少，過渡區主要為C-S-H凝膠與SBR膠乳填充，結構致密，強度較高。得到很好的改善。

另外，具有較高柔韌性的SBR膠乳在水泥穩定碎石材料內部起著“架橋”等作用，摻SBR膠乳的水泥穩定碎石材料向一種連續密實的結構轉化，宏觀性能表現為材料的劈裂強度提高、柔韌性增大等特點。

5 結論

（1）摻加SBR膠乳不能夠顯著提高水泥穩定碎石材料的無側限抗壓強度，但對其劈裂強度的提高效果明顯;

（2）從各抗裂評價指標看，摻加SBR膠乳后，水泥穩定碎石材料的干縮性能和溫縮性能都有很好的改善;

（3）從微觀試驗結果看，摻加SBR膠乳能夠提高水泥穩定碎石材料內部網架結構的完整性，改善水泥穩定碎石材料的過渡區。

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