不同类型水泥稳定碎石混合料的力学性能

包海洋

(中国有色金属工业第六冶金建设有限公司,河南 郑州 450006)

在公路沥青路面使用的基层材料中,多出现的是水稳碎石,它有着优异的强度、刚度等特性,但同时易生裂缝,耐久性较差也影响材料的使用性能[1-4],目前,对基层抗冻性较差、力学性能较差等,很多学者进行深入分析。应荣华等认为,振动搅拌技术对材料和易性有一定的提升作用,增强初期强度[5]。膨胀剂掺量为5%左右时,改善水稳碎石基层路用性能的效果最佳[6]。房英锋认为,聚酯纤维可以增强水稳碎石铺筑结构的路用性能[7]。付春梅等研究了两种掺入不同纤维的水稳碎石的抗开裂能力[8]。可以发现,通过增添纤维、膨胀剂等处理方案,或者是提升水泥量,能够优化路用性能。但是大部分分析集中在纤维、膨胀剂、水泥剂量最佳掺量的选择,亦或者是研究单一添加剂对水泥稳定碎石的力学性能,而对不同种类的水稳碎石混合料力学性能对比分析研究较少。

为了分析不同种类的水稳碎石混合料力学性能,弥补上述多种材料力学性能不足,设计四个类别的水泥稳定碎石。分别对其开展无侧限抗压强度、抗弯拉强度、抗压回弹模量试验,研究7、28、60 d龄期的力学性能的变化,并基于提升率分析了不同类型措施对力学性能提升优化的影响程度,通过对比分析,为实际工程的应用提供参考。

1 原材料及级配组成设计

1.1 原材料

(1)水泥:采用湖南长沙坪塘南方水泥有限公司生产的P·C 32.5型号,其主要技术指标见表1。高水泥含量水泥稳定碎石中的水泥剂量为8%,其他三种水泥稳定碎石水泥剂量均为5%。

表1 水泥主要技术指标试验结果

(2)集料:选择石灰岩碎石作为主要材料,以确保所有的物理和化学性能指标均能满足相关的标准要求,从而保障最终混凝土产品结构和性能的稳定性。通过精心筛选石灰岩碎石,其粒径分布、磨损度以及抗压强度等关键参数均经过严格测试,符合国家及行业的规定,确保了集料的高品质。

(3)玄武岩纤维:分析过程中使用的是青岛国立纤维,重点关注了束状长度这一关键指标,具体参数是12 mm。

(4)膨胀剂:本研究最终确定使用UEA作为关键添加剂,其目的是为了改善混凝土的耐久性和防裂性能。至于掺量的确定,是根据实际使用的水泥质量计算得出,其比例为5%。

1.2 级配组成设计

基于弥玉高速实际选用的级配范围,确认具体的级配范围详见表2。四种不同水泥稳定碎石混合料的级配组成都参照此表。

表2 级配组成设计

2 试验方案

2.1 试件成型

经过多次击实试验对比,获取不同类型水泥稳定碎石混合料的指标参数,如表3所示。

表3 各类型水泥稳定碎石最大干密度及最佳含水率

按照相应试验规程振动压实,各组试验成型3个试件,实际制备完成之后,放置3 h来完成脱模处理称量质量,测定具体的试件高度状态,并转移到相应的养生室养生。

2.2 试验方案

水泥稳定碎石混合料力学性能试验:(1)无侧限抗压强度试验采用Φ150 mm×150 mm圆柱体试件。(2)抗弯拉强度试验成型100 mm×100 mm×400 mm梁型试件,使用仪器为MTS万能试验机,精度为±1%,加载速率为50 mm/min。(3)水稳碎石混合料劈裂强度试验尺寸为Φ150 mm×150 mm圆柱体,在养生室分别养生7、28、60 d,然后浸水1 d,采用MTS测试其劈裂强度。(4)抗压回弹模量试验成型Φ150 mm×150 mm圆柱体试件。

3 试验结果及分析

3.1 无侧限抗压强度

将5%普通水泥的方案在本次研究中划入到类型1,掺玄武岩纤维的方案在本次研究中划入到类型2、掺膨胀剂的方案在本次研究中划入到类型3,8%高水泥剂量的方案在本次研究中划入到类型4。最终得出的结果详见图1所述。

图1 无侧限抗压强度试验结果

结合图1能够发现,7 d龄期时的数据,类型2无侧限抗压强度相较于类型1降幅为0.3 MPa,相对其他两大龄期降幅为0.35 MPa、0.43 MPa。即加入玄武岩纤维之后,会让初期强度有一定程度的下降,但是后期强度会有一定程度的提升。伴随实际龄期的增长,大量的凝胶材料,会强化纤维具备的固定以及粘结效果,从而让纤维和碎石材质之间构成整体,起到更加有效地粘结效果。结合28 d、60 d的数据来分析,类型1、2、4方法均能增强水泥稳定碎石的无侧限抗压强度,其中类型4方法提升交果最为明显。

3.2 抗弯拉强度

从图2可见,相较于类型1材料,7 d龄期的抗弯拉强度降低0.04 MPa,水泥用量则是从5%提升至8%的情况下,具体的弯拉强度实际数据则是提升0.58、0.83、0.86 MPa,即纤维、膨胀剂、水泥用量的增大均会提高水稳碎石的抗弯拉强度,8%高水泥剂量的水泥稳定碎石抗弯拉强度最高。

图2 抗弯拉强度试验结果

3.3 劈裂强度

四种混合料的具体劈裂强度数据,见图3所示。

图3 劈裂强度试验结果

结合上图所述能够发现,无论是7、28、60 d龄期,类型4的劈裂强度值最大,其次是类型3。在7 d龄期时,类型2的劈裂强度值低于类型1,但随着龄期的增长,当龄期为28 d和60 d时,类型2的劈裂强度反而要高于类型1。类型4材料相较于类型1材料是提高了3%的水泥剂量,但是在不同龄期下的劈裂强度值却提升显著,7 d龄期相较于提升62.5%,28 d龄期提升41.7%,60 d龄期提升43.0%,可以看出,在养生7 d时的劈裂强度值增长最大,随着龄期的增长,劈裂强度增长百分比的值逐渐降低。提高水泥剂量显著改善水泥稳定碎石混合料的劈裂强度,这是因为水泥剂量越大,水泥的水化反应越明显,水化产物增多,导致水稳碎石混合料的劈裂强度值增大。此外,类型3的劈裂强度值相较于类型1也有提升,说明加入膨胀剂能改善水稳碎石混合料的劈裂强度。7 d龄期的类型2材料劈裂强度值较低。这说明加入玄武岩纤维后初期抗裂强度较低,随着龄期的增长,抵抗开裂的能力逐渐提高。

3.4 抗压回弹模量

四种不同类型的水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量结果如图4所示。

图4 抗压回弹模量试验结果

从图4可以看出,相同龄期时,抗压回弹模量大小顺序依次为类型4材料、类型3材料、类型1材料、类型2材料。实际处于7、28、60 d龄期的情况下,和普通水泥的方案进行对比,加入纤维的方案依次下降120、131、175 MPa,膨胀剂的加入可以提高刚度,而且伴随实际水泥用量的增加,对应的抗压回弹模量也有一定程度的增长,伴随实际水泥用量的增长,则会导致胶凝结晶化合物随之增加,材料内部不断被填充,空隙减小,材料之间整体性更好。

3.5 性能优化提升分析

上述测试了4种类型的方案,在多种龄期下的力学强度值,为了进一步研究掺加玄武岩纤维、膨胀剂以及增大水泥剂量对水泥稳定碎石混合料的性能优化提升效果及影响程度,以各力学性能试验结果的提升率作为新的评估体系,提升率评估结果见图5所示。

图5 不同性能提升率分析

从图5可以看出,与类型1相比,类型2的7 d龄期的无侧限抗压强度、抗弯拉强度、劈裂强度、抗压回弹模量提升率均为负值,且7 d龄期的劈裂强度提升率最低,说明对劈裂强度的劣化影响最大。而当龄期为28 d和60 d时,类型2的抗压回弹模量提升率为负值,说明掺加玄武岩纤维对抗压回弹模量劣化影响较为显著。从28 d龄期和60 d龄期的曲线斜率来看,从类型1到类型3,曲线斜率逐渐上升,60 d龄期的曲线斜率值比28 d龄期的曲线斜率值较大,说明随着龄期的增长,类型2与类型3对水泥稳定碎石混合料带来提升,但提升效果并不明显。

此外,当水稳碎石混合料为类型4时,各龄期下的力学性能试验提升率均为最大,说明类型4即增大水泥剂量对水泥稳定碎石混合料的提升效果最为明显,从类型3到类型4,曲线的斜率值最大,且在不同龄期下,抗压回弹模量与抗弯拉强度的斜率值最大,其次是无侧限抗压强度的斜率值,劈裂强度的斜率值最低,这说明提高水泥剂量对水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量和抗弯拉强度性能优化提升效果影响最为显著,对劈裂强度提升影响相对较小。

4 结 论

(1)加入纤维之后,7 d的无侧限抗压强度下降0.2 MPa,但是伴随实际龄期的增加,对应的后续强度指标则会增长,后续强度会大于普通水泥稳定碎石。四类方案的60 d抗压强度次序,具体排位是:8%水泥、掺膨胀剂、掺纤维以及普通水泥。

(2)掺纤维之后,7 d抗弯拉强度的实际降幅为0.04 MPa,但是28 d、60 d抗弯拉强度显著高于普通水稳碎石。四种类型的水稳碎石60 d的弯拉强度中,8%高水泥剂量水泥稳定碎石最大,普通水泥稳定碎石最小。

(3)抗压回弹模量存在明显下降,四种类型的水稳碎石60 d的弯拉强度大小顺序是:8%水泥、掺膨胀剂、普通水泥以及掺纤维。

(4)从性能优化提升效果分析来看,增大水泥剂量对水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量和抗弯拉强度性能优化提升效果影响最为显著,对劈裂强度提升影响相对较小。