水稳砂砾基层低温冰冻环境抗裂性能研究

?

水稳砂砾基层低温冰冻环境抗裂性能研究

赵 跃

(江苏高速公路工程养护有限公司，江苏 淮安 223001)

摘　要：水泥稳定砂砾混合料广泛应用于我国各类公路的基层或底基层，其低温冰冻环境抗裂性能是非常重要的路用性能指标。通过室内试验分别研究了水泥激发剂(GRJ)、添加次序、砂砾集料的级配等因素在低温冰冻环境对抗裂性能的影响。试验结果表明：在低温冰冻环境下采用28 d残留冻融劈裂强度比作为低温抗裂性能指标，更加符合水稳砂砾基层在低温环境下受拉的实际应力状态；同时通过掺加一定剂量的外加剂(GRJ)，可有效提高水稳砂砾基层的抗冻性能。对在低温冰冻环境下增强水泥稳定砂砾混合料的适用性具有重要意义。

关键词：低温冰冻环境；水泥激发剂；抗裂性能

水泥稳定砂砾混合料广泛应用于我国各类公路的基层或底基层，是半刚性基层材料的主要形式之一，在低温冰冻环境地区抗裂性能是非常重要的路用性能指标[1]。本文将一种聚合物水泥激发剂用于低剂量水泥用量的水泥稳定砂砾混合料，并通过室内试验分别研究了水泥激发剂(GRJ)、添加次序、砂砾集料的级配等三种因素对水泥稳定砂砾混合料低温抗裂性能的影响。

1 原材料性质与集料级配

1.1 水泥和激发剂性能检验

试验中采用青海大通水泥，试验结果表明符合我国水泥技术规范的要求，其相关技术指标如表1所示。

表1 青海大通水泥技术指标检验结果

出磨时安定性初凝时间/min终凝时间/min3d强度/MPa抗折抗压标准稠度/%比表面积/(m2/kg)28d强度/MPa抗折抗压标准稠度/%检验结果合格2062774.520.127.03278.446.627.7技术要求必须合格不早于45不迟于600>3.5>17/不小于300>6.5>42.5/

水泥激发剂为一种新型的水溶性粘稠高分子添加剂，相关性能指标为：聚合物类型，水溶性添加剂；外观，半透明粘稠液体；树脂含量，30.3%；NaO含量，0.25%；氯化物含量，0.002%；硫酸盐含量，0.002%；粘度(25±2 ℃)，4 500 mpa·s；密度(25±2 ℃)，1.16 g/cm3；PH值，8.5～10.0；平均粒径，10 nm。

1.2 集料性质与级配

按规范[2]检验集料的主要技术指标，对于粒径小于0.6 mm的颗粒，检验其液限和塑性指数。集料的各项性能指标如表2所示。

集料级配是影响混合料性质的重要因素，本次试验选取了两种集料进行试验，一种是天然砂砾集料，另一种是级配砂砾集料(粒径37.5～2.36 mm占75%，粒径2.36～0.075 mm占25%)，两种砂砾筛分结果见图1。

表2 集料技术指标值

压碎值/%液限/%塑性指数试验结果16.222.74.7技术要求<><><>

图1 两种级配曲线图

2 试验结果对比分析

2.1 28 d冻融间接抗拉强度(劈裂强度)试验

结构设计中以28 d冻融残留抗压强度比(TSR)作为评价半刚性材料低温抗裂性能指标，并作为施工控制指标执行[3]。半刚性基层作为承重层，主要承受拉应力的作用，在荷载和低温冰冻环境作用下，其最终的破坏形式表现为受拉开裂[4]，因此28 d冻融残留劈裂强度比作为低温抗裂指标能更好的评价材料在冻融条件下的抗拉性能。

劈裂强度试验根据无机结合料稳定材料试验规程进行，试验前用游标卡尺量试件高度，劈裂强度根据破坏荷载计算。

(1)

式中：P为试件破坏时的最大压力(N)；a为压条的宽度，采用18.75 mm；α为半压条宽度对应的圆心角；d为试件的直径(mm)；H为试件高度(mm)。

正常情况下劈裂强度试验试件养生龄期为90 d。考虑到低温冰冻地区的气候特点，本研究模仿沥青混凝土冻融劈裂试验，以28 d龄期试件做冻融前后的劈裂强度比来评价混合料的抗冻性能，并将其作为低温冰冻地区水稳砂砾混合料设计的一个指标。冻融循环条件与沥青混合料基本一致，考虑到低温冰冻地区高温一般在30 ℃以下，将热融温度改为40 ℃，试样编号设计见表3，试验结果如表4～表7所示。

2.2 28 d劈裂强度的影响因素分析

从图2可以看出：

(1)在水泥剂量为3%时，掺加一定剂量的GRJ后，28 d劈裂强度呈现先增长后降低的规律，其规律性与无侧限抗压强度相同。其中3组试件的劈裂强度当GRJ掺量为6%时取最大值，只有一组试件的劈裂强度当GRJ掺量为2%时取最大值。

表3 试样编号设计

试样编号级配类型GRJ掺量/%水泥剂量/%12345678天然级配合成级配02610026103.03.0

表4 28 d试件劈裂强度(先加水泥)

试样编号 劈裂强度/MPa 平均值代表值最大值最小值变异系数/%10.310.270.350.278.720.370.340.390.345.730.250.210.290.238.840.240.200.270.209.650.320.280.350.287.560.330.300.350.315.270.350.330.370.333.780.310.270.350.287.7

表5 28 d试件劈裂强度(后加水泥)

试样编号 劈裂强度/MPa 平均值代表值最大值最小值变异系数/%10.290.250.330.268.320.300.270.340.287.030.340.300.370.287.640.270.240.300.256.750.320.280.350.295.560.340.310.370.316.270.370.340.390.344.680.330.300.360.305.5

表6 28 d冻融试件劈裂强度(先加水泥)

试样编号残留强度比/% 劈裂强度/MPa 平均值代表值最大值最小值变异系数/%193.50.290.240.340.2610.3289.20.330.280.370.279.43112.00.280.240.320.259.6491.70.220.190.260.208.6593.80.300.270.330.276.7697.00.320.280.350.287.8797.10.340.310.360.315.0893.50.290.260.310.266.6

表7 28 d冻融试件劈裂强度(后加水泥)

试样编号残留强度比/% 劈裂强度/MPa 平均值代表值最大值最小值变异系数/%189.70.260.220.310.239.6293.30.280.250.310.266.8391.20.310.270.340.277.4481.50.220.200.240.205.9596.90.310.280.330.285.5697.10.330.300.350.295.8794.60.350.320.370.334.6893.90.310.290.320.283.9

图2 28 d劈裂强度试验结果

(2)水泥稳定级配砂砾的28 d劈裂强度普遍要高于水泥稳定天然砂砾。

(3)水泥添加次序对劈裂强度的影响不显著。

2.3 28 d冻融劈裂强度的影响因素分析

从图3可以看出：

(1)随着GRJ掺量的增加，28 d冻融劈裂强度呈现先增长后降低的规律，其规律性与28 d劈裂强度完全相同。其中3组试件的冻融劈裂强度当GRJ掺量为6%时取最大值，只有1组试件的冻融劈裂强度当GRJ掺量为2%时取最大值。

(2)水泥稳定级配砂砾的28 d冻融劈裂强度普遍要高于水泥稳定天然砂砾。

(3)水泥添加次序对冻融劈裂强度的影响不明显。

图3 28 d冻融劈裂强度试验结果

同时，相关试验结果表明[5]，水泥剂量增大，水泥稳定砂砾最佳含水量和最大干密度均有所增大，水泥稳定天然砂砾混合料的强度越高；但同时也意味着基层的成本越高，而且水泥剂量越高，水稳砂砾混合料的干、温缩特性增强，更容易导致水稳基层开裂。

2.4 冻融劈裂强度残留比的影响因素分析

由图4可以看出，掺加GRJ后，残留强度比大体上呈先升高后降低的规律，当GRJ掺量为2%时，残留强度比达到最大值，其抗冻性最强，而且级配砂砾要优于天然砂砾。

图4 冻融劈裂强度残留比

3 结束语

本文通过室内试验，分别研究水泥激发剂(GRJ)的剂量(2%、6%、10%)、混合料的级配组成(天然砂砾和级配砂砾)、水泥添加次序等三个因素对劈裂强度、冻融劈裂强度及冻融劈裂残留强度比的影响，通过以上研究表明:

(1)随着GRJ掺量的提高，劈裂强度均呈先升高后降低的规律，先加水泥的水稳天然砂砾混合料当GRJ掺量为2%时冻融前后劈裂强度达到最高值，其余当GRJ掺量为6%时劈裂强度达到最高值。

(2)水泥的添加次序对冻融前后的劈裂强度也有一定影响，但幅度不大。

(3)不掺GRJ的天然砂砾残留强度比小于级配砂砾，而掺加GRJ后，残留强度比大体上呈先升高后降低的规律，即存在一个最佳掺量，使得冻融强度达到最大值，提高了混合料的抗冻性，而且级配砂砾要优于天然砂砾。

(4)试验采用28 d残留冻融劈裂强度比作为低温抗裂性能指标，更加符合水稳砂砾基层在低温冰冻环境下受拉的实际应力状态，当冻融劈裂强度残留比大于90%为合格。

(5)在添加低剂量水泥的水稳砂砾混合料中掺加一定剂量的外加剂(GRJ)，既满足了抗拉强度的要求，提高了水稳基层的抗冻性能，又由于水泥剂量的降低减小了水稳基层的干、温缩开裂，降低了水泥的成本，大大提高了水稳基层在低温冰冻环境中的适应性。

参考文献

[1]琚晓辉.水泥稳定碎石基层抗裂性能应用技术研究[D].郑州：郑州大学，2007

[2]中华人民共和国交通部.JTG E51—2009 公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2009

[3]中华人民共和国交通部.JTG D50—2006 公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006

[4]邓有左.半刚性基层沥青路面开裂原因及防治措施[J].公路，2001(6)：14-16

[5]赵 跃.低温条件下水泥激发剂对水稳砂砾基层强度影响研究[J].山东工业技术，2016(4)：47-48

A Study of the Anti-Cracking Performance of the Cement-Stabilized Gravel Base in the Cryogenic Freezing Environment

Zhao Yue

(Jiangsu Expressway Engineering Maintenance Co.Ltd.,Huai′an 223001,China)

Abstract: Since the cement-stabilized sand-and-gravel mixture is widely applied to road bases or subgrades in our country,its anti-cracking performance in the cryogenic freezing environment becomes a very important road-use performance target.The effects of the cement activator(GRJ), the adding sequence and the grading of the sand-and-gravel aggregates on the anti-cracking performance of the mixture in the cryogenic freezing environment are studied by means of lab tests in the paper.The results of the tests show that taking the 28 d residual freezing-and-thawing splitting strength as the anti-cracking target for the cement-stabilized sand-and-gravel subgrade in the cryogenic freezing,environment is closer to the actual tension stress state of the cement-stabilized sand-and-gravel mixture.Meanwhile,with a certain dose of GRJ added,the anti-freezing performance of the cement-stabilized sand-and-gravel subgrade may be effectively improved,which is of great importance in improving the adaptability of the cement-stabilized sand-and-gravel mixture in the cryogenic freezing environment.

Key words: cryogenic freezing environment；cement activator;anti-cracking performance

收稿日期：2015-12-16

作者简介：赵　跃(1982—)，男，工程师，主要从事道桥工程材料与施工管理工作　[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.007

中图分类号：U416.213

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)03-0027-04