趙 躍

(江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，江蘇 淮安 223001)

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水穩(wěn)砂礫基層低溫冰凍環(huán)境抗裂性能研究

趙 躍

(江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)有限公司，江蘇 淮安 223001)

摘要：水泥穩(wěn)定砂礫混合料廣泛應(yīng)用于我國各類公路的基層或底基層，其低溫冰凍環(huán)境抗裂性能是非常重要的路用性能指標(biāo)。通過室內(nèi)試驗(yàn)分別研究了水泥激發(fā)劑(GRJ)、添加次序、砂礫集料的級(jí)配等因素在低溫冰凍環(huán)境對(duì)抗裂性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低溫冰凍環(huán)境下采用28 d殘留凍融劈裂強(qiáng)度比作為低溫抗裂性能指標(biāo)，更加符合水穩(wěn)砂礫基層在低溫環(huán)境下受拉的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)；同時(shí)通過摻加一定劑量的外加劑(GRJ)，可有效提高水穩(wěn)砂礫基層的抗凍性能。對(duì)在低溫冰凍環(huán)境下增強(qiáng)水泥穩(wěn)定砂礫混合料的適用性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：低溫冰凍環(huán)境；水泥激發(fā)劑；抗裂性能

水泥穩(wěn)定砂礫混合料廣泛應(yīng)用于我國各類公路的基層或底基層，是半剛性基層材料的主要形式之一，在低溫冰凍環(huán)境地區(qū)抗裂性能是非常重要的路用性能指標(biāo)[1]。本文將一種聚合物水泥激發(fā)劑用于低劑量水泥用量的水泥穩(wěn)定砂礫混合料，并通過室內(nèi)試驗(yàn)分別研究了水泥激發(fā)劑(GRJ)、添加次序、砂礫集料的級(jí)配等三種因素對(duì)水泥穩(wěn)定砂礫混合料低溫抗裂性能的影響。

1 原材料性質(zhì)與集料級(jí)配

1.1 水泥和激發(fā)劑性能檢驗(yàn)

試驗(yàn)中采用青海大通水泥，試驗(yàn)結(jié)果表明符合我國水泥技術(shù)規(guī)范的要求，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 青海大通水泥技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

水泥激發(fā)劑為一種新型的水溶性粘稠高分子添加劑，相關(guān)性能指標(biāo)為：聚合物類型，水溶性添加劑；外觀，半透明粘稠液體；樹脂含量，30.3%；NaO含量，0.25%；氯化物含量，0.002%；硫酸鹽含量，0.002%；粘度(25±2 ℃)，4 500 mpa·s；密度(25±2 ℃)，1.16 g/cm3；PH值，8.5～10.0；平均粒徑，10 nm。

1.2 集料性質(zhì)與級(jí)配

按規(guī)范[2]檢驗(yàn)集料的主要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于粒徑小于0.6 mm的顆粒，檢驗(yàn)其液限和塑性指數(shù)。集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。

集料級(jí)配是影響混合料性質(zhì)的重要因素，本次試驗(yàn)選取了兩種集料進(jìn)行試驗(yàn)，一種是天然砂礫集料，另一種是級(jí)配砂礫集料(粒徑37.5～2.36 mm占75%，粒徑2.36～0.075 mm占25%)，兩種砂礫篩分結(jié)果見圖1。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)值

圖1 兩種級(jí)配曲線圖

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 28 d凍融間接抗拉強(qiáng)度(劈裂強(qiáng)度)試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以28 d凍融殘留抗壓強(qiáng)度比(TSR)作為評(píng)價(jià)半剛性材料低溫抗裂性能指標(biāo)，并作為施工控制指標(biāo)執(zhí)行[3]。半剛性基層作為承重層，主要承受拉應(yīng)力的作用，在荷載和低溫冰凍環(huán)境作用下，其最終的破壞形式表現(xiàn)為受拉開裂[4]，因此28 d凍融殘留劈裂強(qiáng)度比作為低溫抗裂指標(biāo)能更好的評(píng)價(jià)材料在凍融條件下的抗拉性能。

劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺量試件高度，劈裂強(qiáng)度根據(jù)破壞荷載計(jì)算。

(1)

式中：P為試件破壞時(shí)的最大壓力(N)；a為壓條的寬度，采用18.75 mm；α為半壓條寬度對(duì)應(yīng)的圓心角；d為試件的直徑(mm)；H為試件高度(mm)。

正常情況下劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)試件養(yǎng)生齡期為90 d?？紤]到低溫冰凍地區(qū)的氣候特點(diǎn)，本研究模仿瀝青混凝土凍融劈裂試驗(yàn)，以28 d齡期試件做凍融前后的劈裂強(qiáng)度比來評(píng)價(jià)混合料的抗凍性能，并將其作為低溫冰凍地區(qū)水穩(wěn)砂礫混合料設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo)。凍融循環(huán)條件與瀝青混合料基本一致，考慮到低溫冰凍地區(qū)高溫一般在30 ℃以下，將熱融溫度改為40 ℃，試樣編號(hào)設(shè)計(jì)見表3，試驗(yàn)結(jié)果如表4～表7所示。

2.2 28 d劈裂強(qiáng)度的影響因素分析

從圖2可以看出：

(1)在水泥劑量為3%時(shí)，摻加一定劑量的GRJ后，28 d劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后降低的規(guī)律，其規(guī)律性與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相同。其中3組試件的劈裂強(qiáng)度當(dāng)GRJ摻量為6%時(shí)取最大值，只有一組試件的劈裂強(qiáng)度當(dāng)GRJ摻量為2%時(shí)取最大值。

表3 試樣編號(hào)設(shè)計(jì)

表4 28 d試件劈裂強(qiáng)度(先加水泥)

表5 28 d試件劈裂強(qiáng)度(后加水泥)

表6 28 d凍融試件劈裂強(qiáng)度(先加水泥)

表7 28 d凍融試件劈裂強(qiáng)度(后加水泥)

圖2 28 d劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)水泥穩(wěn)定級(jí)配砂礫的28 d劈裂強(qiáng)度普遍要高于水泥穩(wěn)定天然砂礫。

(3)水泥添加次序?qū)ε褟?qiáng)度的影響不顯著。

2.3 28 d凍融劈裂強(qiáng)度的影響因素分析

從圖3可以看出：

(1)隨著GRJ摻量的增加，28 d凍融劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后降低的規(guī)律，其規(guī)律性與28 d劈裂強(qiáng)度完全相同。其中3組試件的凍融劈裂強(qiáng)度當(dāng)GRJ摻量為6%時(shí)取最大值，只有1組試件的凍融劈裂強(qiáng)度當(dāng)GRJ摻量為2%時(shí)取最大值。

(2)水泥穩(wěn)定級(jí)配砂礫的28 d凍融劈裂強(qiáng)度普遍要高于水泥穩(wěn)定天然砂礫。

(3)水泥添加次序?qū)鋈谂褟?qiáng)度的影響不明顯。

圖3 28 d凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明[5]，水泥劑量增大，水泥穩(wěn)定砂礫最佳含水量和最大干密度均有所增大，水泥穩(wěn)定天然砂礫混合料的強(qiáng)度越高；但同時(shí)也意味著基層的成本越高，而且水泥劑量越高，水穩(wěn)砂礫混合料的干、溫縮特性增強(qiáng)，更容易導(dǎo)致水穩(wěn)基層開裂。

2.4 凍融劈裂強(qiáng)度殘留比的影響因素分析

由圖4可以看出，摻加GRJ后，殘留強(qiáng)度比大體上呈先升高后降低的規(guī)律，當(dāng)GRJ摻量為2%時(shí)，殘留強(qiáng)度比達(dá)到最大值，其抗凍性最強(qiáng)，而且級(jí)配砂礫要優(yōu)于天然砂礫。

圖4 凍融劈裂強(qiáng)度殘留比

3 結(jié)束語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，分別研究水泥激發(fā)劑(GRJ)的劑量(2%、6%、10%)、混合料的級(jí)配組成(天然砂礫和級(jí)配砂礫)、水泥添加次序等三個(gè)因素對(duì)劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比的影響，通過以上研究表明:

(1)隨著GRJ摻量的提高，劈裂強(qiáng)度均呈先升高后降低的規(guī)律，先加水泥的水穩(wěn)天然砂礫混合料當(dāng)GRJ摻量為2%時(shí)凍融前后劈裂強(qiáng)度達(dá)到最高值，其余當(dāng)GRJ摻量為6%時(shí)劈裂強(qiáng)度達(dá)到最高值。

(2)水泥的添加次序?qū)鋈谇昂蟮呐褟?qiáng)度也有一定影響，但幅度不大。

(3)不摻GRJ的天然砂礫殘留強(qiáng)度比小于級(jí)配砂礫，而摻加GRJ后，殘留強(qiáng)度比大體上呈先升高后降低的規(guī)律，即存在一個(gè)最佳摻量，使得凍融強(qiáng)度達(dá)到最大值，提高了混合料的抗凍性，而且級(jí)配砂礫要優(yōu)于天然砂礫。

(4)試驗(yàn)采用28 d殘留凍融劈裂強(qiáng)度比作為低溫抗裂性能指標(biāo)，更加符合水穩(wěn)砂礫基層在低溫冰凍環(huán)境下受拉的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)凍融劈裂強(qiáng)度殘留比大于90%為合格。

(5)在添加低劑量水泥的水穩(wěn)砂礫混合料中摻加一定劑量的外加劑(GRJ)，既滿足了抗拉強(qiáng)度的要求，提高了水穩(wěn)基層的抗凍性能，又由于水泥劑量的降低減小了水穩(wěn)基層的干、溫縮開裂，降低了水泥的成本，大大提高了水穩(wěn)基層在低溫冰凍環(huán)境中的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

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[5]趙 躍.低溫條件下水泥激發(fā)劑對(duì)水穩(wěn)砂礫基層強(qiáng)度影響研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，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

作者簡介：趙躍(1982—)，男，工程師，主要從事道橋工程材料與施工管理工作zachary1202@139.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.007

中圖分類號(hào)：U416.213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0027-04