黏度时变水泥稳定碎石材料抗冻性能试验研究

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

1 研究背景

我国高寒地区分布十分广泛，遍布西北、东北及西南部分高纬度或高海拔地区，区内夜间气温低、冬季时间长、昼夜温差和季节性温差大[1-2]。严酷的自然地理环境不仅给公路施工造成诸多困难，亦使得公路在使用过程中出现诸多病害，造成公路远未达到设计服役寿命便被破坏。在我国高寒地区沥青路面工程中，水泥稳定碎石材料被广泛应用于道路基层中，水稳基层材料强度增长缓慢，施工周期长；同时受到车辆荷载的反复作用，在高寒山区昼夜温差大、风速高、干燥及季节性冻胀等因素影响下，公路路面极易产生干缩裂缝、温缩裂缝，导致路面受冻融循环作用后其基层强度快速衰减，极易产生沉降或变形等严重病害问题。

目前，针对水泥稳定类基层材料的研究主要集中于强度的影响和抗冻性能的研究。孙兆辉[3]通过正交试验方法优选出了无侧限抗压强度较高、干缩应变小的集料级配组成方案；聚丙烯纤维可以有效改善水泥稳定碎石材料的干缩性能，同时提高其后期强度[4-6]；蒋应军等[7]、李頔等[8]分别采用静压法和振动试验法成型试样，通过室内对比试验表明：采用振动压实方法成型的试样集料排列更加紧密，无侧限抗压强度更高；林敏等[9]、宋云连等[10]对超早强水泥稳定基层的力学性能及抗冻性能的研究结果表明：早强剂能有效提高水泥稳定碎石的强度和抗冻性能，但未对其抗冻机理进行分析。

高寒地区水泥稳定碎石基层存在早期强度增长慢，低温(冻融)条件下路面收缩开裂、变形、沉降严重等问题。为缩短道路在高寒地区的施工周期，并提高其服役周期，需要求水泥稳定碎石基层具有较高的早期强度，使得基层材料在较短的养护周期内达到设计强度；同时要求结构具有良好的抗冻性能，减少在大温差气候下裂缝的产生，以便保证道路的使用寿命。故本文通过采用课题组自主研发的黏度时变(SJP)浆液，对比SJP水泥稳定碎石材料和普通水泥稳定碎石材料的力学性能和抗冻性能，结合水泥结石体冻融试验后的微观结构特征，对SJP水稳材料的冻融损伤机理进行探讨。

2 试验概况

2.1 试验原材料

(1)骨料取自成都市新都镇顺和砂石加工厂，部分细沙、集料各级配用量如表1所示。

(2)本次试验选用峨眉山西南水泥有限公司生产的 “西南”牌复合硅酸盐水泥(P.C32.5R)，其各项指标如表2所示。

表2 P.C32.5R水泥的主要技术指标Table 2 Main technical indexes of cement P.C32.5R

(3)选用课题组自主研发的SJP浆液[11]作为水泥稳定碎石材料(简称水稳材料)的胶结材料，与集料搅拌混合后形成SJP水稳材料。

SJP浆液以水泥浆为基浆，掺加助剂1#(纤维素类溶剂)、助剂2#(钙硅质早强剂)、助剂3#(酰胺类稳定剂)，各类材料配合比(质量比)为m水泥∶m水∶m助剂1#∶m助剂2#∶m助剂3#=100∶60∶0.33∶2∶1.5。按一定顺序加入助剂配合形成不同的浆液。

2.2 试样制备

本次试验把质量比为3.5%的水泥掺入水泥稳定碎石混合料中，预定含水量分别为4.5%，4.8%，5.1%，5.4%，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[12]中振动压实试验方法进行击实试验，通过试验结果确定最佳含水量和最大干密度分别为5.1%和2.29 g/cm3(忽略助剂掺量的影响)。试样为Φ150 mm×150 mm的圆柱体，振动压实，0.5 h后脱模装入塑料袋内，并在恒温(20±2)℃、相对湿度95%的保湿条件下养护至1，3，7，14，28 d龄期进行无侧限抗压强度试验，且在相应龄期的最后1天将试样饱水。冻融循环试验前，将试样放入20 ℃的水中养护1 d；分别将普通水稳材料和SJP水稳材料试样的一半放入冻融试验装置中，剩余部分试样用于做对比试验。

2.3 试验方法

2.3.1 无侧限抗压强度试验

将试样养护至规定龄期后对其进行单轴无侧限抗压强度试验，每个龄期6个试样，结果采用3倍均方差方法剔除异常值后取平均值。试验在CSS-44300电子万能试验机上进行，单轴无侧限抗压强度试验以1 mm/min的剪切速率进行。

2.3.2 冻融循环试验

冻融循环试验依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)[12]进行，选用养护28 d后的标准试样，养护龄期的最后1天将待测试样从养护箱中取出，饱水24 h，然后置于低温箱中开始冻结。试样冻结温度从20 ℃降低到-18 ℃，融化温度为20 ℃，冻结时间为16 h，融化时间为8 h。如此反复，每个冻融循环周期为24 h。测定冻融5，10，15，20次后试样的无侧限抗压强度，并对试样质量的变化及外观拍照进行记录。

3 试验结果分析与讨论

3.1 无侧限抗压强度

通过对不同龄期试样的无侧限抗压强度数据进行统计分析后，得到各龄期无侧限抗压强度的结果如表3所示，抗压强度随龄期的变化曲线见图1。

表3 SJP与普通水稳材料强度对比
Table 3 Comparison of strength between SJP andordinary cement stabilizing material

龄期/d水稳层抗压强度/MPa普通水稳材料SJP水稳材料13.964.3635.786.1876.897.31147.328.15287.828.86

图1 SJP与普通水稳材料各龄期抗压强度对比曲线Fig.1 Curves of compressive strength of SJP and ordinary cement stabilizing material at different ages

通过表3和图1可以看出，水稳材料的无侧限抗压强度随龄期的增加呈现早期(7 d前)强度增长快、后期(7 d后)强度增长缓的趋势，2种水稳材料养护龄期3 d的无侧限抗压强度均可以达到设计的施工的强度(5～6 MPa)要求。

SJP水稳材料3 d的抗压强度比普通水稳材料强度高7%左右，28 d的强度高13%左右。与普通水稳材料相比，SJP水稳材料具有前期强度增长较快、后期强度较普通水稳材料高的特点。这主要是因为SJP浆液在纤维素类助剂的作用下产生大量的纤维针状水泥水化衍生物，水化产物间相互穿插，充填于水泥颗粒之间，形成的“联带”将水泥颗粒连接更紧密[13-14]，有效提高了SJP浆液的黏聚力，与级配骨料混合时，将其中的细小颗粒黏结得更加紧密，从而提高了SJP水稳材料的早期强度；同时硅钙类助剂的加入使得C-S-H(Ca-SiO2-H2O)凝胶产量增多，C-S-H与纤维状水泥衍生物相结合使得水泥水化的晶胚加速形成，从而后期强度更高。

3.2 质量损失率

水稳材料经过n次冻融循环后试样质量的变化率Wn(%)可按式(1)计算[9]。

(1)

式中：M0为冻融循环前试样的质量；Mn为n次冻融循环后试样的质量。

冻融循环作用使水稳材料的质量发生变化，主要由2部分构成：一是试样在水槽中融化时表面或边缘的细骨料会不断剥落使其质量减小；二是试样在反复冻融循环作用下会出现细小的裂缝，融化的过程中水分迁移使得质量增加。实际试验过程中，边缘骨料剥落的质量要远大于水分迁移至裂缝的质量，所以整个冻融试验后，总体质量不断减小。冻融循环试验过程中观测到普通水稳材料试样掉块非常明显，SJP水稳材料试样表面剥落量相对较少。分别对1，2，3，4，5，10，15，20次冻融循环后的质量损失率进行测量并计算，其结果如表4所示。

表4 平均质量损失率Table 4 Average mass loss rate

由表4可知，随着冻融次数的增加，平均质量损失率呈增大趋势。5次冻融循环前，普通水稳材料在2，3，4，5次冻融循环后的质量损失率比冻融1次时分别增长85.3%，122.1%，188.2%，230.9%；而SJP水稳材料分别增长71.2%，96.6%，145.8%，206.8%。结果表明：普通水稳材料在初期冻融循环时质量损失率累积更快； 5次冻融循环后，其质量损失率均呈线性增长，15次冻融循环时试样边缘掉块较明显，传统水泥水稳材料质量损失率为4.62%，SJP水稳材料质量损失率为3.68%。从质量损失率来看，SJP水稳材料冻融后的耐久性能更好。

3.3 冻融后抗压强度与抗冻系数

水稳材料冻融循环后试样的抗冻系数BDR可用式(2)计算。

(2)

式中： RDC为冻融后试样的无侧限抗压强度；RC为未冻试样浸水24 h后的无侧限抗压强度。

利用冻融前后试样无侧限抗压强度试验数据，采用3倍均方差方法剔除异常值后取平均值，继而采用式(2)计算不同冻融循环次数后试样的抗冻系数，冻融后的抗压强度和冻融系数计算结果如表5所示。

强度衰减曲线如图2(a)所示。从图2(a)可以看出，随着冻融循环次数的增加，2种水稳材料抗压强度的变化趋势基本一致。

表5 冻融后的抗压强度及抗冻系数Table 5 Compressive strength and frost resistance coefficient after different cycles of freezing and thawing

冻融循环次数较少时，其抗压强度缓慢减小，随着冻融循环次数的增加，抗压强度衰减速率增大，这是因为试样在多次冻融循环的作用下，裂纹逐渐扩展并贯通，加速破坏。由于SJP水稳材料的后期强度较高，在相同冻融循环次数后，SJP水稳材料的强度更高。根据不同冻融循环次数后的抗压强度，得到了SJP水稳材料强度衰减曲线，曲线拟合度均较高。抗冻系数随冻融次数的变化趋势与其强度衰减趋势基本一致(图2(b))。

SJP0510152023456789 /MPa05101520BRD/%y=8.921-0.151x-0.004x2R2=0.987y=7.840-0.188x-0.003x2R2=0.990y=1-0.016 9x-0.005x2R2=0.988y=1-0.024 8x-0.004x2R2=0.989(a) (b) 10090807060504030图2 2种水稳定材料的强度衰减曲线和抗冻系数变化曲线Fig.2 Curves of strength attenuation and frost resistance coefficient

试验结果表明：5次和10次冻融循环后，SJP水稳材料的抗压强度均比传统水稳材料的抗压强度分别高21%和15%左右，15次冻融后高39%左右，20次冻融后高38%左右。在相同的冻融循环次数下，SJP水稳材料的耐冻系数BDR值均大于传统水稳材料，5，10，15，20次冻融循环后，SJP水稳材料的抗压强度与未冻融的相比分别减小了7%，21%，37%，55%，而传统水稳材料的抗压强度分别减小13%，27%，46%，63%，这表明经受冻融循环作用后，SJP水稳材料的强度衰减速率要比传统水稳层强度衰减速率慢，SJP助剂的加入提高了水稳材料的抗冻融能力及其在低温条件下的耐久性能。

3.4 冻融损伤机理分析

上述试验结果表明：SJP水稳材料具有前期强度增长快、后期强度更高、抗冻性较好的特性。为研究其抗冻机理，对普通水泥结石体和SJP浆液结石体冻融循环25次后的试样进行扫描电镜观测(水泥稳定碎石材料做电镜扫描试验难度大，故测试黏结材料冻融循环后的微观结构特征)，如图3所示。下面结合冻融后结石体的微观结构特征对SJP水稳材料的抗冻机理进行分析与讨论。

水泥的主要矿物成分为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙及铁铝酸四钙等。水泥的水化产物主要为C-S-H凝胶、氢氧化钙(Ca(OH)2)、钙矾石(Aft)、单硫型水化硫铝酸钙(Afm)。其中C-S-H凝胶是Ca-SiO2-H2O系统中存在的三元化合物总称，是硅酸盐水泥的最主要水化产物和水泥基材料强度的主要来源。从图3(a)可以看出，水泥结石体中Aft的含量较高，主要分布在水化的水泥颗粒周围，同时在微观结构中可以看到大量的Ca(OH)2六方晶体与钙矾石交叉排列，致使水泥浆结石体中的C-S-H产物之间的胶结度下降，体系中孔隙率增大。对比可知SJP结石体的微观结构与普通水泥结石已明显不同，见图3(b)。

图3 普通水泥液与SJP浆液结石体电镜图Fig.3 SEM images of ordinary cement slurry and SJP stone

在SJP浆液结石体中水化硅酸钙凝胶C-S-H的含量增加，相应的Aft钙矾石和Ca(OH)2的含量显著降低，同时C-S-H与纤维状水泥衍生物相结合形成“联带”，使得水化产物之间的胶结更加紧密、浆液结石体的大孔隙减小、微孔隙增多、孔隙率减少，孔隙间距减小、结构更加致密，从而使得SJP水稳材料的后期强度更高，并且有效地提高了过渡区界面结构的黏结力，整体上具有更高的抗压强度。在往复的冻融循环过程中，SJP浆液结石体纤维针状水泥水化衍生物形成了 “联带”，能有效地减缓结石体内部冰晶膨胀压的扩散速度。因此随冻融循环次数的增加，SJP水稳材料的质量损失率和强度衰减速率均要低于普通水稳材料，显著提高了其在冻融条件下的耐久性。

4 结 论

(1)水稳层不同龄期的抗压强度试验表明：SJP 水稳材料3 d的抗压强度比普通水稳材料强度高7%左右，28 d的强度高13%左右，与传统材料相比，SJP水稳材料具有前期强度增长较快、后期强度较普通水稳材料高的特点。

(2)SJP水稳材料的冻融试验表明：冻融循环作用后，SJP水稳材料的质量损失率和强度衰减速率均要低于普通水稳材料，SJP浆液能有效地提高水稳材料在冻融条件下的耐久性能。

(3)通过扫描电镜结果得到：SJP浆液结石体在纤维素类助剂的作用下，纤维状衍生物形成的“联带”能够有效抵抗冻融作用下毛细孔中冰晶产生膨胀压力；硅钙类助剂增加了C-S-H产量，与纤维状水化衍生物相结合，使得骨料结合得更加紧密，能有效减缓水稳材料在冻融条件下的累积损伤。