含硫酸盐半刚性基层材料对路基温缩性能的影响研究

蒲翠玲

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

冰冻地区的半刚性沥青路面产生裂缝的主要原因是温度的收缩，温度收缩裂缝与半刚性材料的土质、类型、含水量及含盐量等有关。半刚性基层温度的收缩是随着昼夜和季节的温度变化产生的。近年来，由于各类半刚性材料具有良好的力学性能和显著的经济效益，被广泛应用于高等级公路路面基层或底基层材料。但是各类半刚性材料又具有易开裂的缺点[1]，使路面出现反射裂缝，从而影响路面稳定性和使用效果。本文通过将掺有硫酸钠的几种半刚性混合料做成的试件进行温度收缩性能研究（温度从+30℃～-30℃），得出几种试件的温缩应变和温缩系数，在研究过程中寻找硫酸盐对材料温缩性能的影响规律并总结出一些可供实际参考的结论。

1 半刚性基层材料的选取

本文按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）中无机结合料稳定土试料准备方法制备所需的材料[2]。该研究采用素土（黄土）掺不同比例盐制成的人工盐渍土，由于本文所用黄土属于细粒土，其最大粒径不超过25 mm，大于19 mm的颗粒含量不超过5%.根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中对击实试验的要求，对含有硫酸盐的二灰土、水泥土以及石灰土进行击实试验[3]，即锤重为4.5 kg，锤击面直径为5.0 cm，落距为45 cm，试筒尺寸为内径10 cm，高12.7 cm，锤击层数为5层，每层锤击次数为27次，平均击实功为2.687 J。确定几种半刚性基层材料在不同含盐量下的最大干密度及最佳含水量，按研究确定的最大干密度和最佳含水量制备混合料，并制备试件，将事先称量并拌制好的试料装入规格为5 cm×5 cm×24 cm的试模中捣实，将试模放在压力机上采用400 kN的压力将压块压入试模内，并在这个压力下静压60 s，达到水泥初凝时间后再脱模，得到试件，然后进行标准保湿养生，每种混合料制备平行试件3个[4]。

2 室内温缩性能研究方法

根据实际工程施工需要，选择半刚性材料为二灰稳定土（10∶15∶75)、二灰稳定土（10∶45∶45）、10%水泥稳定土及10%石灰稳定土作为研究的主要对象，并对含硫酸盐量不同进行划分，确定含硫酸盐量为0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.5%五种。将浸润过的试料加入事先确定比例的石灰粉煤灰、水泥或石灰并进行拌和。拌和过程中，加入预留的3%的水，使试料含水量达到最佳含水量。

当试件养生时间结束后，将型号相同的两应变片分别粘贴在被测试件和线膨胀系数为已知的试件上，如图1所示。该研究采用的应变片是由陕西汉中中航电测仪器股份有限公司生产的BQ120-80AA型电阻应变片；应变仪使用的是江苏联能电子技术有限公司生产的YE2533程控静态应变仪（如图2所示）；高低温交变环境箱及温度补偿片等设备和材料，采集随温度变化引起的电阻变化值。

图1 粘贴应变片的小梁

图2 YE2533程控静态应变仪

为使温度的读取更加精确，研究专用温缩高低温交变环境箱对试件进行恒温控制，人工调节温度变化，每间隔1.5 h降低温度5℃，温度变化范围为30℃～-30℃，预计一组试件需要进行18 h，电脑自动采集数据。

3 温缩性能研究结果及分析

4种不同含盐量下的半刚性基层材料的温缩应变和温缩系数随温度的变化关系曲线分别如图3～图10所示。

图3 二灰土（10∶15∶75）的温缩应变与温度变化关系

3.1 不同含盐量下二灰土（10∶15∶75）的温缩应变和温缩系数随温度变化的关系

从图3可以得出，不含硫酸钠的二灰土（10∶15∶75）温缩应变随温度逐渐降低呈现负值，且负值越来越小，表明随温度降低，收缩逐渐增大。4种不同硫酸钠含量的二灰土（10∶15∶75）的温缩应变随温度的降低缓慢增大，当温度达到0℃～-5℃时，温缩应变达到最大；随后随着温度的降低，温缩应变急剧变小，当温度达到-30℃，温缩应变达到最小，这是由于析出Na2SO4·10H2O晶体使试件体积膨胀造成的[5]。在0℃～-5℃以上时，试件中析出越来越多的晶体，试件体积膨胀量越来越大；在-5℃以下时，试件中析出的晶体不再增多，而试件裂缝越来越大，所以温缩应变越来越小。从图4可以得出，4种不同硫酸钠含量的二灰土（10∶15∶75）的温缩系数随温度降低逐渐增大，当温度在-15℃～-20℃之间时，温缩系数达到最大，随后急剧减小。

图4 二灰土（10∶15∶75）的温缩系数与温度变化关系

3.2 不同含盐量下二灰土（10∶45∶45）的温缩应变及温缩系数随温度变化规律

从图5可以得出，不含硫酸钠的二灰土（10∶45∶45）的温缩应变随着温度逐渐降低呈现负值，且负值越来越小，表明随温度降低，收缩逐渐增大。4种不同硫酸钠含量的二灰土（10∶45∶45）的温缩应变随温度的降低缓慢增大，当温度达到0℃左右时，温缩应变达到最大；随后随着温度的降低，温缩应变急剧变小。这是由于析出Na2SO4·10H2O晶体使试件体积膨胀造成的[5]。从研究中可以看出，在0℃以上，试件中析出越来越多的晶体，试件的体积膨胀量越来越大；在0℃以下时，试件中析出晶体不再增多，而试件温缩裂缝越来越大，所以温缩应变越来越小。从图6可以得出，4种不同硫酸钠含量的二灰土（10∶45∶45）的温缩系数随温度降低逐渐增大，当温度在-15℃～-20℃之间时，温缩系数达到最大，随后急剧减小。

图5 二灰土（10∶45∶45）的温缩应变与温度变化关系

图6 二灰土（10∶45∶45）的温缩系数与温度变化关系

3.3 不同含盐量下10%水泥土的温缩应变和温缩系数随温度变化规律

从图7可以得出，不含硫酸钠的10%水泥土的温缩应变随温度逐渐降低出现负值，且负值越来越小，表明随温度的降低，不含硫酸钠的10%水泥土的温缩逐渐增大。4种不同硫酸钠含量的10%水泥土的温缩应变随温度降低缓慢增大，当温度达到5℃左右时，温缩应变达到最大，随后随温度的降低，温缩应变急剧变小，当温度达到-30℃左右时，温缩应变达到最小，这是由于析出Na2SO4·10H2O晶体使试件体积膨胀造成的[5]。在5℃以上时，试件中析出越来越多的晶体，试件的体积膨胀量越来越大；在5℃以下时，试件中析出的芒硝晶体不再增多，温缩裂缝越来越大，温缩应变也越来越小。4种不同硫酸钠含量的10%水泥土试件在30℃左右时，温缩应变不为零，表明试件在30℃时已经产生体积膨胀，这是由于10%水泥土试件在恒定温度为30℃的过程中有Na2SO4·10H2O晶体析出，出现体积膨胀。从图8可以得出，10%水泥土的温缩系数随温度降低逐渐增大，当温度在-5℃左右时，温缩系数达到最大，随后急剧减小。

图7 10%水泥土的温缩应变与温度变化关系

图8 10%水泥土的温缩系数与温度变化关系

3.4 不同含盐量下10%石灰土的温缩应变和温缩系数随温度变化规律

从图9可以得出，不含硫酸钠石灰土的温缩应变随温度逐渐降低而出现负值，且负值越来越小，说明随温度的降低，温缩应变逐渐增大。4种不同硫酸钠含量的10%石灰土的温缩应变随温度降低缓慢增大，当温度达到-15℃～-20℃时，温缩应变达到最大，随后随着温度的降低，温缩应变急剧变小，当温度达到-30℃，温缩应变达到最小。这是由于析出Na2SO4·10H2O晶体使试件体积膨胀造成的[5]，在-15℃以上时，试件中析出越来越多的晶体，试件的体积膨胀量越来越大；在-15℃以下时，试件中析出的晶体不再增多，温缩裂缝越来越大，温缩应变越来越小。由图10可以得出，4种不同硫酸钠含量的10%石灰土温缩系数随温度降低逐渐增大，温度在-5℃左右时，温缩系数达到最大，而后又急剧减小。随含盐量的增大，平均温缩应变也增大，这是由于Na2SO4与石灰稳定土中的Ca(OH)2发生反应：Na2SO4+Ca(OH)2＝CaSO4+2NaOH，使得Ca(OH)2和 Na2SO4含量均减少，材料内部呈现碱性，而土壤中的有机质呈酸性，二者发生酸碱中和反应，碱性降低，Na2SO4·10H2O晶体量减少，从而稳定土的温缩效应变大。

图9 10%石灰土的温缩应变与温度变化关系

图10 10%石灰土的温缩系数与温度关系

综合以上可以得出，试件中粉煤灰含量较多时，试件温缩应变较小，这与粉煤灰的物理性质有关，粉煤灰是一种空心的玻璃体结构，感温性能较差，增加粉煤灰含量能使得材料在一定温度范围内温度收缩效应减小，随着温度降低，粉煤灰的这种影响减弱。以上4种试件在+15℃～-5℃之间时温缩应变均较大，是由于试件体积膨胀量达到最大造成的，这表明试件的盐胀性在+15℃～-5℃之间时较剧烈，-10℃～-20℃是最不利的温度区间。

4 结语

a）在半刚性基层材料中加入适量的硫酸钠，能有效地抑制温缩裂缝的产生，但是硫酸钠的含量太大对路基又有危害，因此必须控制含盐量。本文提出一个较为合理的含盐量范围，建议容许含盐量应控制在0.4%以内。

b）在半刚性基层材料的配比中适当地增大粉煤灰或水泥的含量能有效地减少温缩裂缝的产生。

c）硫酸钠存在一个剧烈盐胀的温度区间（+15℃～-5℃），在该区间内半刚性材料的温缩应变最小，因此在+15℃～-5℃之间进行盐渍化半刚性基层的施工，能有效地减少温缩裂缝的产生，-10℃～-20℃是最不利的温度区间。

d）通过对几种半刚性基层材料温缩应变和温缩系数的大小比较以及在不同温度区间数值的分布规律可以看出，二灰土（10∶45∶45）和水泥稳定土更适用于盐渍土地区道路。

e）对于二灰类稳定土材料温度在+30℃～-10℃之间时，增加含盐量有利于降低温度收缩，温度在-10℃以下时，温缩性能显著增大；对于水泥稳定土和石灰类稳定土而言，温度在+30℃～-5℃之间时，增加含盐量有利于降低温缩性能，温度在-5℃以下时，温缩性能显著增大。

f）就温缩性能而言，为了有效地减少温缩裂缝的产生，可以根据实际情况采用较厚的沥青面层，或采用感温性能较差的材料作为基层材料，这样基层材料受温度的影响不太明显，相应地减少温缩裂缝产生的机率。