添加剂在水泥稳定碎石中的应用研究

刘后林 邓勤波 单翔宇

(1.重庆交通大学，重庆 400074;2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430077)

水泥稳定碎石材料是以具有一定级配的碎石作为骨料，并结合胶凝材料(如水泥等)和一定量的灰浆体积来填充其空隙，主要依靠碎石与碎石之间的嵌挤原理形成的具有一定力学强度和密实度的混合料。因为水泥的作用，其初期强度一般较高，并且随着龄期的增加，其强度很快增加并形成一个整体，因而整体强度较高，且通过多年工程的检验，水泥稳定碎石同样具有较好的抗渗度和抗冻性。因为其较好的力学性能，在道路工程尤其是半刚性沥青路面的基层中得到广泛推广和使用。但从实际效果来看，很多道路在使用过程中也出现了诸如裂缝、渗水等问题，并随着使用年限的增加问题日趋严重，这是由于水泥稳定碎石在路用性能上的不足所致。因而有必要对水泥稳定碎石的抗裂性能进行研究，本文通过增加两种添加剂(膨胀剂和减缩剂)对水泥稳定碎石力学性能的影响展开研究，并得出了相关规律，提出了抗裂方法。

1 水泥稳定碎石基本抗裂措施和材料综述

国内外道路工作者在如何预防水泥稳定碎石的裂缝问题开展了很多研究，针对路面的水泥稳定碎石基层而言，其防裂措施一般有三个方面:1)改善路面结构形式，如增加上面层的沥青层厚度;2)采用一些结构预防措施，如采用应力吸收层，如添加级配碎石、采用SAMI层等措施;3)从改善水泥稳定碎石的性能入手，如在保证强度的前提下尽量减少水泥的用量、严格控制碾压时的含水量和加入一些添加剂等措施。很显然，前两种措施虽然效果明显，但成本较高，最经济的措施还是改善水泥稳定碎石自身的力学性能。

近些年来，许多道路工作者在水泥稳定碎石中通过掺外加剂来改善其抗裂性能作了大量研究，但是对于选择添加剂的种类、配比等，并未达成一致的结论。根据已有研究，需先对各种不同抗裂材料的特点进行了解，评估其经济成本，方能正确的指导水泥稳定碎石材料添加剂的选择方案。

1.1 粉煤灰

粉煤灰是一种常用的路用材料，它是用空气把煤粉高速吹进电厂锅炉，燃烧后生成的并从烟气中收集的粉状灰粒，国外称其为“飞灰”(Fly Ash)或者称其为“磨细燃料灰”(PFA)。粉煤灰的化学成分以 SiO2和 A12O3为主，此外还含有 Fe2O3，MgO，SO3，CaO等。粉煤灰颗粒粒径主要分布在0.5 μm～300 μm范围内，其密度一般为 1.77 g/cm3～2.43 g/cm3。

粉煤灰掺入水泥稳定碎石后，发生的效应一般有形态效应、活性效应和微集料效应三项基本效应。其改善水泥稳定碎石抗裂性的机理主要有以下几个方面:1)由于粉煤灰具有的玻璃微珠形态起到“滚珠”作用，减小了水泥颗粒间的相对滑移时的阻力，进而增大了浆体的流动度，从而降低了水泥稳定碎石混合料的需水量，减小了干缩;2)由于粉煤灰能较快的吸收水泥水化生成的氢氧化钙，从而大大减弱水泥稳定碎石混合料中的碳化作用，同时也降低了碳化过程中产生的收缩作用;3)粉煤灰本身温缩性能比较小，同时能降低水泥水化过程中的水化热，缩小了水泥稳定碎石内部和外部的温度差，从而会减缓其开裂的时间和速度;4)由于粉煤灰会发生火山灰效应，能大大增加水泥稳定碎石中的胶凝物的数量，从而填满其间颗粒的缝隙，增加水泥稳定碎石的后期抗拉强度和抗裂性，使整体结构变得更加紧密和结实。此外，粉煤灰代替部分水泥可以减少悬浮结构中的孔隙，从而在最大限度内以颗粒接触为主，而颗粒的压缩与孔隙中的气体压缩相比要小的多，所以表现出宏观上的温度收缩应变较小。

但是，近几年的实践表明:1)粉煤灰用量太大，导致早期强度低，收缩大，增加了施工难度，且施工拌和均匀性较差，强度检测结果表明离散性较大。2)集料级配偏细，后期横向裂缝较多。3)配合比使用随意性大，粉煤灰掺法(内掺和外掺)比较混乱。

由于水泥稳定碎石是一种水灰比大和空隙率大(达8%)的材料，采用外掺粉煤灰能起到一定的填隙作用，可以改善水泥稳定碎石中碎石的级配，增加水泥稳定碎石的最大干密度、早期和后期强度以及抗裂性(见表1，图1)。

表1 水泥稳定碎石级配

1.2 纤维

目前，在路用水泥混凝土中使用较为广泛的纤维主要有碳纤维、钢纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维。在掺加钢纤维添加剂以后，由于单丝纤维的重重分布，可以在混合料内部形成大量的乱向分布的网状承托系统，起到衬托骨架的作用，从而减少离析作用。当水泥稳定碎石内部发生收缩时，由于纤维具有微细配筋的作用，会在内部产生收缩拉应力，消耗掉材料收缩的内部能量，从而克服水泥稳定碎石的塑性裂缝。但是钢纤维混凝土生产成本较高，从而使之大面积的推广受到一定程度的抑制。

1.3 减缩剂

路用材料的减缩剂主要是由聚醚或聚醇类有机物或它们的衍生物组成。其作用机理是对水泥稳定碎石内部的孔隙水发生作用，降低孔隙水的表面张力，在混凝土干缩过程中，孔隙水内部会产生毛细收缩压力，而减缩剂的存在，使得其收缩压力大大降低，据有关研究，减缩剂对一般水泥混凝土干缩率的减轻程度可达20%～30%。因为对于某些养护比较困难的路用材料，减缩剂能发挥较好作用。我国也研制了许多性能较好的减缩剂，其掺量一般在1%～3%，但是由于其实际工程中的应用不多，因而实际效果和长期的抗裂性能方面还需在实际工程中多做观察和研究，目前大范围推广也存在一定的局限性。

1.4 膨胀剂

膨胀剂的使用，最初见于膨胀水泥。路用材料中常见的膨胀剂分为硫铝酸钙类、氧化钙类和氧化镁类。其主要作用机理是从改善混凝土的应力状态和应变状态来实现的。在混凝土中添加膨胀剂以后，会与水泥水化反应生成一种叫钙矾石(C3A·3CaSO4·32H2O)的物质，使水泥稳定碎石发生性能上的变化。钙矾石在水泥稳定碎石内部产生体积膨胀，可以构建一定的预压应力(一般为0.2 MPa～0.7 MPa)，大大改善内部的应力状态，从而使其抗裂性能得到提高。

同时，钙矾石膨胀后，将填充和堵塞水泥稳定碎石的内部空隙，降低了孔隙水的毛细作用及水泥稳定碎石的总体空隙率，可在潮湿的环境中保持50个～200个微应变的膨胀状态，保持一定的干缩状态，推迟收缩产生的时间，使混凝土具有更长的时间增长其抗拉强度，从而抑止裂缝的发生。

2 掺膨胀剂和减缩剂后水泥稳定碎石混合料的力学性能

综上所述，在以上三种抗裂材料中，膨胀剂和减缩剂所需的掺量较小，抗裂效果较好，经济成本也较低，施工过程也比较好控制，适合广泛推广和使用。不同的掺量和配比的膨胀剂与减缩剂对于改善水泥稳定碎石的抗裂性能有所不同。本实验的基准配合比为5∶100，水泥采用道路工程常用的32.5号缓凝硅酸盐水泥混凝土。骨料的最大公称粒径为19 mm，膨胀剂和减缩剂的含量分别为水泥质量的7%和2%，其配合比分别为5∶100∶0.5和5∶100∶0.1，通过室内试验，确定了掺加膨胀剂和减缩剂对混凝土最大干密度和最佳含水量的影响规律，并按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行无侧限抗压强度和劈裂强度试验。试验结果见表2，表3。

表2 三种混合料击实结果

表3 水泥稳定碎石7 d强度结果汇总

从图2可以看出，掺加膨胀剂和掺加减缩剂对水泥稳定碎石的最佳含水量和最大干密度的影响规律并不一致。掺加膨胀剂后，混凝土的最佳含水量和最大干密度并无明显影响;而掺加减缩剂以后，混凝土的最佳含水量和最大干密度均有明显变化:最佳含水量下降明显，而最大干密度则大幅度减小。

究其原因，因为减缩剂是表面活性物质，能大幅度降低水的表面张力，具有分散、润湿作用，导致混凝土内部减水明显和水泥稳定碎石的漏浆、离析。同时，减缩剂具有引气作用，对水泥稳定碎石的最佳含水量造成了较大影响。

3 室内试验结果分析

通过室内实验结果，可归纳分析得到如下结论:

1)掺加一定量的膨胀剂后，水泥稳定碎石的力学性能有明显变化，主要表现在其7 d无侧限抗压强度下降。作为一个力学整体的水泥稳定碎石在添加膨胀剂以后，处于无约束的自由膨胀状态，而且膨胀剂在与水泥和水泥稳定碎石的孔隙水发生化学反应生成的钙矾石自由膨大，体积增长较快，因而导致水泥稳定碎石的强度有所下降。2)掺加一定量膨胀剂以后，水泥稳定碎石的另一力学性能指标——劈裂强度有明显改善。分析其原因，主要是添加膨胀剂以后，与Ca(OH)2发生化学反应生成钙矾石并结晶，而且钙矾石的分布及大小发生变化，颗粒体积变小，分布比较密集，从而使得集料—胶体之间的空隙率得到改善，而影响劈裂强度的主要因素是胶体与集料之间的粘结力，与骨料之间的嵌锁能力无太大关系。3)掺加一定量减缩剂以后，水泥稳定碎石的总体力学性能改善明显——7 d劈裂强度和抗压强度均提高明显。分析其原因，在于加入减缩剂以后，改善了水泥的水化条件，分散了水泥与水之间的絮凝结构;另一方面，由于减缩剂使得水泥稳定碎石集料—胶体之间产生表面张力，从而改善了水泥与水的接触条件，使得水泥颗粒的水化面积大幅增加。4)添加一定量的膨胀剂和减缩剂后的水泥稳定碎石，其破坏拉伸应变和拉压比均有增加，其中破坏拉伸应变变化比较显著(提高1倍以上)。说明添加剂对水泥稳定碎石脆性的提高具有明显效果，因而达到改善水泥稳定碎石抗裂性能的作用。

4 结语

水泥稳定碎石具有较高的力学性能，但如何增加其抗裂性能是一个难题。在工程实践中，要综合考虑设计、施工工艺、材料及养护等多个方面。添加外加剂来提高水泥稳定碎石的抗裂性能经济成本较低，适合大范围推广，而且具有良好的施工和易性。从长远看来，可进一步开展其他类型的抗裂材料如粉煤灰与聚丙烯纤维的复合、聚丙烯纤维和膨胀剂的复合等对水泥稳定碎石性能影响的研究。

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