膨胀剂及纤维对水泥稳定碎石干缩性能的影响＊

李艳春 李 侠 张 攀

（河北工业大学土木工程学院 天津 300401）

水泥稳定碎石是目前高等级公路最常用的一种半刚性基层材料，水泥稳定碎石具有足够的强度、适宜的刚度、抗冻能力强、水稳性好等优点，较适应现代重型交通的要求［1］.但水泥稳定碎石的抗温缩和干缩性能较差，容易产生收缩裂缝，在车辆荷载和环境因素的作用下，裂缝会延伸至路面面层，使路面结构的承载能力降低，路面使用寿命缩短.水泥稳定碎石混合料收缩机理是水泥稳定碎石混合料成型过程中，由于蒸发和混合料内部发生水化作用，混合料的水份不断减少，因而发生毛细管作用、吸附作用、分子间力的作用，材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化收缩作用等，引起水泥稳定碎石材料产生体积收缩［2－3］.本文依据水泥稳定碎石混合料收缩机理，研究掺加膨胀剂和聚丙烯纤维对水泥稳定碎石抗裂性能的改善作用，通过室内试验研究膨胀剂和聚丙烯纤维改善水泥稳定碎石抗裂性能的作用机理和效果，以期得到对工程实践有指导意义的结果.

1 原材料性能测试

1.1 水泥稳定碎石原材料

1）水泥 本试验采用唐山冀东水泥厂生产的盾石牌P.O42.5水泥，其主要指标见表1.

表1 水泥主要性能指标

2）碎石集料 本试验碎石集料采用唐山丰润碎石，最大粒径选为31.5 mm.碎石级配采用文献［5］中的骨架密实型级配范围中值，级配组成如表2.

表2 集料级配组成

1.2 添加剂材料

1）膨胀剂 膨胀剂选用北京鑫宏光建材有限公司生产的WDN 型粉剂，试验指标见表3.

表3 膨胀剂技术性能指标

2）聚丙烯纤维 本试验选用常州利尔德通新材料科技有限公司生产的强韧牌XDF 聚丙烯单丝纤维，纤维长度为25mm，截面形式为Y 形，其物理性能见表4.

表4 聚丙烯纤维物理性能

2 干缩性能试验分析

2.1 试件制备

根据重型击实试验结果确定的最大干密度和最佳含水量，用静压法成型试件；干缩性能试验采用100mm×100 mm×400 mm 的梁式试件.试件脱模后立即移至标准养护室养护，至养护期的最后一天，将试件浸水一昼夜.

以水泥剂量4%（外掺），膨胀剂掺量4%，7%，10%（占水泥质量）、聚丙烯纤维体积掺量0.7%，0.9%，1.1%进行配合比设计，综合考虑路用性能和经济性，得出膨胀剂最佳掺量为7%，纤维最佳体积掺量为0.7%.为了比较掺与不掺添加剂的水泥稳定碎石的力学性能，本试验增加了一组不掺添加剂的基准配合比，三组配合比的重型击实试验结果见表5.

表5 击实试验结果

2.2 干缩性能试验

依据文献［7］对3组水泥稳定碎石进行28d龄期的干缩性能试验，干缩应变采用千分表法测定.

累计干缩应变、平均干缩系数与龄期的关系，如图1～2.膨胀剂、聚丙烯纤维水泥稳定碎石各龄期的累计干缩应变和平均干缩系数均明显小于不加添加剂的基准水泥稳定碎石.当龄期为28d时，膨胀剂水泥稳定碎石的累计干缩应变、平均干缩系数比基准配合比降低了59.1%，57.5%，纤维水泥稳定碎石的累计干缩应变、平均干缩系数比基准配合比降低了17.9%，18.1%，这说明膨胀剂、纤维的加入显著改善了水泥稳定碎石的干缩抗裂性能.膨胀剂水泥稳定碎石初期累计干缩应变为负值，说明初期出现膨胀变形，后期出现干缩变形，且随着龄期的增加而增加.

图1 累计干缩应变与龄期关系

图2 平均干缩系数与龄期关系

累计干缩应变、平均干缩系数与累计失水率的关系，如图3～4.随着失水率的增加，基准配合比和聚丙烯纤维水泥稳定碎石的累计干缩应变和平均干缩系数逐渐增大，当失水率小于2.0%时，累计干缩应变和平均干缩系数随失水率的增加变化较为平缓，当失水率超过2.0%后，累计干缩应变和平均干缩系数急剧增大；膨胀剂水泥稳定碎石的累计干缩应变和平均干缩系数随着失水率的增加先减小后增大.

图3 累计干缩应变与累计失水率关系

图4 平均干缩系数与累计失水率关系

3 膨胀剂、聚丙纤维对水泥稳定碎石干缩性能的影响

3.1 膨胀剂对水泥稳定碎石干缩性能的影响

3.1.1 膨胀剂的作用机理 膨胀剂对水泥稳定碎石的抗裂机理主要可以从补偿收缩和微结构作用2个方面解释.

1）补偿收缩作用 膨胀剂的主要功能是补偿收缩［8］.依据吴中伟院士提出的补偿收缩理论，膨胀剂对水泥稳定碎石的抗缩裂的作用主要来自于膨胀剂与水泥水化产物Ca（OH）2反应生成钙矾石（C3A·3CaSO4·32H2O）晶体时，固相体积产生的膨胀力抵消水泥稳定碎石材料由失水干缩引起的毛细管张力、吸附水及分子间力，从而减小水泥稳定碎石由收缩应力而引起的体积收缩.

笔者认为膨胀剂的补偿收缩作用是有限的，一般钙矾石在有限制的条件下，在水泥混凝土中产生的体积膨胀应力为0.2～0.7MPa.由于在水泥稳定碎石中水泥剂量及含水量较水泥混凝土石中水泥剂量及含水量小很多，其中水泥水化产物Ca（OH）2反应生成钙矾石晶体量有限，所以固相体积产生的膨胀力很有限.

另外膨胀剂的补偿收缩作用具有时效性，有资料表明：钙矾石膨胀主要发生在7d以前，后期膨胀效果较差［9］.这是因为水泥的水化产物Ca（OH）2中C3S（硅酸三钙）含量多，且水化反应较快，C2S（硅酸二钙）含量少，且水化反应较慢.因此初期，水泥水化产物Ca（OH）2与膨胀剂反应生成钙矾石晶体的速度较快，补偿干燥收缩能力增强；后期生成的钙矾石晶体量少，膨胀效果较差，补偿干燥收缩能力也差.

2）微结构作用 膨胀剂有填充和细化孔隙的作用［10］.膨胀剂的水化产物填充于水泥水化产物未能填充的孔隙中，使水泥稳定碎石孔隙率减小、孔径细化，改变了水泥稳定碎石微结构，从而提高了水泥稳定碎石的密实度，使水泥稳定碎石中毛细管作用、层间水的蒸发及碳化脱水作用减小，水泥稳定碎石的体积收缩量减小.

3.1.2 膨胀剂作用效果分析 图3和图4的结果显示膨胀剂水泥稳定碎石的累计干缩应变和平均干缩系数随着累计失水率的增加先减小后增大，其原因为失水率较小时，水泥稳定碎石材料由失水干缩引起的毛细管张力、吸附水及分子间力较小，膨胀剂与Ca（OH）2反应生成钙矾石晶体的固相体积的膨胀作用足以补偿水泥稳定碎石因水分蒸发而引起的体积收缩，累计干缩应变和平均干缩系数降低.当失水率不断增加时，膨胀剂反应生成钙矾石固相体积的膨胀作用不足以补偿水泥稳定碎石因水分蒸发而产生的体积收缩，从而使累计干缩应变和平均干缩系数逐渐增大.

3.2 纤维对水泥稳定碎石干缩性能的影响

3.2.1 纤维的作用机理

1）水分迁移 在水泥稳定碎石中加入纤维后，增加了材料中固相的内表面积，纤维本身的润湿作用也吸附了部分水，从而减少了泌水孔隙，改变了水泥和集料间过渡区的微结构；由于堵塞了材料孔隙中的毛细管道，内部水分迁移困难，毛细管张力减小，从而使基层材料的体积收缩减小.

2）复合材料理论 掺聚丙烯纤维的水泥稳定碎石属于短纤维乱向复合材料，乱向分布短纤维复合材料的抗拉强度由基体和纤维的抗拉强度叠加而成.使其稳定碎石复合材料的抗拉强度增大，抵消大部分因水分蒸发而产生的收缩应力，使水泥稳定碎石中的裂缝程度减轻.

3）纤维间距理论 在拉应力作用下，水泥稳定碎石中掺入的聚丙烯纤维与基体的粘结力使裂缝尖端产生一个与基体相反的应力场和应力强度因子，从而使裂缝尖端的应力集中减弱，总应力强度因子减小，抑制了裂缝的进一步扩展.

3.2.2 纤维作用效果分析 从图1和图2的结果可知纤维水泥稳定碎石的累计干缩应变、平均干缩系数比基准配合比降低了17.9%，18.1%；虽然纤维对水泥稳定碎石的干缩抗裂性能有显著的改善，但由于纤维对水泥稳定碎石的作用机理属于物理作用，所以效果不如具有化学作用机理的膨胀剂效果好.从图3图4的结果可知当失水率小于2.0%时，累计干缩应变和平均干缩系数随失水率的增加变化较为平缓，当失水率超过2.0%后，累计干缩应变和平均干缩系数急剧增加；笔者认为这一现象可以解释为失水率很大时纤维的润湿作用减弱，毛细管张力增大，且纤维承受大的拉力时会出现拉断或拔出，使纤维的加筋作用减弱，导致干缩变形增大、累计干缩应变和平均干缩系数急剧增加.

4 结 论

1）掺加膨胀剂、聚丙烯纤维对水泥稳定碎石的干缩抗裂性能有显著的改善.相比较而言，掺加膨胀剂的效果优于掺加聚丙烯纤维的效果.

2）对于掺加膨胀剂、聚丙烯纤维的水泥稳定碎石，当累积失水率大于2.0%时，累积干缩应变或平均干缩系数增长迅速，施工中应注意控制累积失水率值的变化.

3）聚丙烯纤维和膨胀剂在水泥稳定碎石中的作用机理不同，其防止裂缝产生和扩展的作用过程和效果有很大差异，工程使用中应注意二者的使用条件.

4）基于干缩系数、干缩应变等抗裂评价指标对掺膨胀剂和掺纤维的水泥稳定碎石材料抗收缩裂缝性能好坏程度的评价是一种间接的评价方法，可以利用裂缝形态指标（裂缝宽度、长度）和裂缝密度来进行直接评价，综合两种评价方法会得到更满意的结果.

［1］薛以东，周天民，余婷婷.水泥稳定碎石基层收缩裂缝防治［J］.交通科技，2008，4（2）：76－78.

［2］李林香，谢永江，冯仲伟，等.混凝土的收缩及防裂措施概述［J］.混凝土，2011（4）：113－117.

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［4］国家标准局信息分类编码研究所.GB 175－2007硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥质量标准［S］.北京：中国标准出版社，2007.

［5］国家标准局信息分类编码研究所.JTG E51－2009公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［6］国家标准局信息分类编码研究所.GB 23439－2009混凝土膨胀剂［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［7］王爱国，孙道胜，邓 敏，等.聚丙烯纤维和膨胀剂对混凝土微结构的影响［J］.武汉理工大学学报，2010，32（7）：31－34.

［8］吕慧君，邓朝飞，李江华.浅析掺膨胀剂混凝土限制膨胀率的影响因素［J］.混凝土，2010（10）：31－33.

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