水泥稳定碎石基层掺加SBR胶乳抗裂性能研究

曹军

摘要：针对高等级公路水泥稳定碎石基层材料的开裂问题，提出在水泥稳定碎石材料中掺加SBR胶乳来改善其物理力学性能，特别是抗裂性能;通过环境扫描电子显微镜对掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料的微观结构进行观察，揭示SBR胶乳对水泥稳定碎石材料抗裂性能的改善机理。

关键词：水泥稳定碎石  SBR胶乳  抗裂性能  环境扫描电镜  改善机理

1 概述

水泥稳定碎石材料因其强度高、刚度大、整体性好等优点而广泛应用于我国高速公路基层。但水泥稳定碎石材料作为一种散粒体材料具有很大的缺点，那就是其很容易在温度变化及水分散失时产生很大的收缩变形，进而会形成基层的收缩裂缝。导致沥青面层形成反射裂缝，并且由于雨水的浸入，在交通荷载作用下，路面表面出现唧浆、坑洞，从而影响了路面的使用性能和寿命。本文提出以SBR胶乳为掺加剂，对水泥稳定碎石材料进行了宏观试验及微观试验，对SBR胶乳对水泥稳定碎石材料的改善性能及机理进行分析。

2 原材料性质及实验方法

2.1原材料性质

本试验采用镇江船山厂“宝船”32.5水泥。改性剂采用江阴荣成路桥材料开发有限公司的SBR1500胶乳。掺SBR胶乳的水泥稳定碎石级配均采用常用的一级公路现场施工级配，见表1。

2.2试验方法

掺加SBR胶乳后的水泥稳定碎石材料的组成设计见表2。试验中，无侧限抗压强度及劈裂强度根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 （ JTJ057-94）所规定方法进行试验，使用路面强度试验仪进行试验。干缩和温缩试验所用试件为10cm×10cm×40cm的小梁试件，用振动击实仪成型。干缩和温缩试验采用高低温交变湿热试验箱以及千分表进行。微观试验采用28d龄期的掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料的断面薄片， 在XL--30ESEM环境扫描电子显微镜下进行。

3 宏观试验结果分析

3.1无侧限抗压及劈裂试验结果分析

对于SBR胶乳掺量不同的水泥稳定碎石材料试件进行了28d无侧限抗压试验，具体试验结果见表3。试验结果表明，掺加SBR胶乳并不能显著提高水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度，在掺量较少时会呈现略微降低的趋势，但当SBR胶乳掺量达到15%时，其无侧限抗压强度值相比不掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料要高，此后随着掺量增加，强度有所增长，但幅度不大。而掺加SBR胶乳对水泥稳定碎石材料劈裂强度有较大影响，随着SBR胶乳掺量的增加，水泥稳定碎石材料的劈裂强度增长较快，掺量达到15%时增幅达到了21.8%，此后再增加掺量劈裂强度值提高不大。

3.2干缩性能评价

水泥稳定碎石干燥收缩是由于其内部含水量的变化而引起整体宏观体积收缩的现象。为了分析材料的干缩规律，常采用干缩系数αd（单位含水量t改变所引起材料的应变值）表征材料干燥收缩程度。干缩系数就是材料对水的敏感系数;干缩系数大，表示材料对水敏感，干缩系数小，表示材料对水不敏感。在某种程度上，干缩系数可以用来表述材料的抗裂性能。

计算干缩系数，对掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料干缩性能进行评价，见表4。结果显示，在掺量范围内，掺加SBR胶乳能够有效的降低水泥稳定碎石材料的干缩系数，从而也表明掺加SBR胶乳对水泥稳定碎石材料的抗裂产生了积极的作用。

3.3温缩性能指标与评价

为了分析材料的温缩规律，常采用温缩系数αt（单位温度t改变所引起材料的应变值）来表征材料温度收缩程度。温缩系数就是材料对温度的敏感系数：温缩系数大，表示材料对温度变化敏感;温缩系数小，表示材料对温度变化不敏感。从温缩试验的结果可知，在试验掺量范围内，掺加SBR胶乳能够降低水泥稳定碎石材料的温缩系数，从而也说明掺加SBR胶乳能够较显著的提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能，见表4。

4 微观试验结果分析

4.1环境电子扫描结果

为了更加深入的探讨SBR胶乳改性水泥稳定碎石的改性机理，揭示掺入SBR胶乳后材料微观结构的改变和宏观性能的改善之间的联系，本文借助微观试验手段，对SBR胶乳改性水泥稳定碎石的机理进行研究。取28d龄期的掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料的断面薄片，

在XL-30ESEM扫描电镜下观察微观结构。试验结果见图1。

4.2改善机理分析

对微观照片进行分析可以得出，SBR胶乳对水泥稳定碎石材料的改善机理大致可分为两个方面。

1）网架结构的形成

由ESEM照片可以直观地看出，水泥稳定碎石材料内部孔隙率较大，存在众多的微裂缝与裂隙，加上薄弱的界面区的存在，整个体系呈现为空间不连续的结构。随着SBR胶乳掺量的增加，SBR胶乳成膜趋于完整连续，SBR胶乳膜与水泥水化产物相互交织形成空间骨架结构，从而大幅度改善水泥稳定碎石材料内部结构;SBR胶乳掺量达到20%时，SBR胶乳已形成较为完善的网架结构，水泥稳定碎石材料内部特别是界面区的孔隙减少，整个体系呈现为初步的连续结构，材料明显细化，进一步提高水泥稳定碎石材料内部网架结构的完整性。

2）过渡区的改善

水泥稳定碎石材料是由集料、水泥水化产物和水、气等组成的多相复合体，各相之间尤其是水泥石与粗细集料之间的过渡区是水泥稳定碎石材料内部结构的重要组成部分。由于水泥石与粗细集料的收缩系数不一致，在温湿变化作用下过渡区容易出现细微裂缝;此外，集料表面也易形成水膜，导致过渡区的水灰比较大。以上作用导致过渡区强度低且充满微细裂缝，成为水泥稳定碎石材料中的薄弱部分，受外力时这些裂缝易扩展导致整个材料的破坏，且易成为外界腐蚀性因素渗透的通道。在水泥穩定碎石材料中掺入SBR胶乳后，过渡区有所改善，SBR胶乳掺量为10%时，SBR胶乳开始成膜，由于掺量较少，胶乳膜呈不连续状态，结构仍较为松散，过渡区与粗集料的粘结有所加强，强度提高;随着SBR胶乳掺量的增加，SBR胶乳成膜趋于完整，到掺量达到20%时，水泥稳定碎石材料内部特别是界面区的孔隙减少，过渡区主要为C-S-H凝胶与SBR胶乳填充，结构致密，强度较高。得到很好的改善。

另外，具有较高柔韧性的SBR胶乳在水泥稳定碎石材料内部起着“架桥”等作用，掺SBR胶乳的水泥稳定碎石材料向一种连续密实的结构转化，宏观性能表现为材料的劈裂强度提高、柔韧性增大等特点。

5 结论

（1）掺加SBR胶乳不能够显著提高水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度，但对其劈裂强度的提高效果明显;

（2）从各抗裂评价指标看，掺加SBR胶乳后，水泥稳定碎石材料的干缩性能和温缩性能都有很好的改善;

（3）从微观试验结果看，掺加SBR胶乳能够提高水泥稳定碎石材料内部网架结构的完整性，改善水泥稳定碎石材料的过渡区。

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