掺膨胀剂水泥稳定碎石路用性能

杨红辉; 郝培文; 戴经梁

掺膨胀剂水泥稳定碎石路用性能

长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 陕西西安 710064

基金项目:

国家西部交通建设科技项目 2001 238 223 35

详细信息

作者简介:
杨红辉(1976-), 男, 四川简阳人, 长安大学工学博士研究生, 从事道路材料研究

中图分类号: U414
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出版历程
- 收稿日期: 2005-08-05
- 刊出日期: 2006-03-25

Road Performance of Cement-Stabilized Aggregate Mixture with Expansion Agent

Key Laboratory of Highway Engineering for Special Region of Ministry of Education, Chang'an University, Xi'an 710064, Shaanxi, China

More Information

Author Bio:
YANG Hong-hui(1976-), male, doctoral student, 86-28-85570063, honghuiyang@163.com

Article Text (Baidu Translation)

摘要

摘要: 为减小水泥稳定碎石基层材料收缩变形量, 增强其抗裂能力, 采用向水泥稳定碎石材料中掺加适量膨胀剂, 通过膨胀剂的微膨胀来减小材料的收缩变形。室内试验结果和实体工程均表明, 膨胀剂能在水泥稳定碎石基层中产生微膨胀, 抵消材料的部分收缩, 增加其密实度, 使其抗裂性能提高50%左右, 因此, 掺膨胀剂水泥稳定碎石具有优良的抗裂性能。
- 道路工程 /
- 膨胀剂 /
- 路用性能 /
- 水泥稳定碎石
Abstract: In order to low the shrinkage of cement-stabilized aggregate, appropriate expansion agent was added to cement-stabilized aggregate, its close-grained degree could be improved, its shrinkage could be decreased when the micro-expansion of expansion agent came into being.Test result show that cement-stabilized aggregate mixture with expansion agent has good character, its resisting shrinkage ability is increased by 50%, so cement-stabilized aggregate mixture with expansion agent has favorable road-applied capability.
- road engineering /
- expansion agent /
- road performance /
- cement-stabilized aggregate

HTML全文

0. 引言

在中国现有高等级公路路面结构中, 90%以上基层采用了半刚性基层。其优点是初期修建成本相对较低, 但致命缺点是容易开裂, 从而导致路面其他病害。目前, 普遍采用增加水泥稳定碎石中粗集料含量的办法来增强其抗裂能力, 基本不增加工程成本, 但对施工工艺要求较高^[1-2]。本文通过掺加膨胀剂来减小水泥稳定碎石基层收缩量, 增强其抗裂性能, 延长其使用寿命。

1. 原材料性质及试验方法

1.1 原材料性质

本实验采用的水泥是陕西耀县水泥厂生产的秦岭牌32.5普通硅酸盐水泥, 其技术性能见表 1。

表 1 水泥技术性能

Table 1. Cement Property

标号	细度筛余量(80 μm方孔筛) /%	初凝时间/min	终凝时间/min	3 d强度/MPa
				抗压	抗折
32.5	7.1	171	208	27.1	5.8

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膨胀剂采用U型高效膨胀剂(简称膨胀剂, 下同), 型号为UEA-H, 细度小于10%, 密度为2.90 g·cm^-3, 性状为灰白色粉末。

1.2 碎石级配

碎石的级配采用规范中值, 见表 2。

表 2 碎石级配

Table 2. Aggregate Gradation

集料规格/mm	31.500~19.000	19.000~9.500	9.500~4.750	4.750~2.360	2.360~0.600	0.600~0.075	0.075以下
通过质量百分率/%	100	88~99	57~77	29~49	17~35	8~22	0~7
采用值/%	100	93	67	39	26	15	3

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1.3 试验方法

1.3.1 试件成型

本文对比分析了水泥稳定碎石与掺膨胀剂水泥稳定碎石路用性能, 混合料组成见表 3。进行试验前, 首先用重击试验测出各混合料的最佳含水量和最大干密度, 其结果见表 4。

表 3 混合料组成

Table 3. Mixture Composition

混合料名称	混合料组成质量比
水泥稳定碎石	m_水泥∶m_碎石=5∶95
掺膨胀剂水泥稳定碎石	m_膨胀剂∶m_水泥∶m_碎石=3∶50∶950

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表 4 击实试验结果

Table 4. Result of Beating Test

混合料名称	最佳含水量/%	最大干密度/ (g·cm^-3)
水泥稳定碎石	6.4	2.32
掺膨胀剂水泥稳定碎石	6.4	2.34

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1.3.2 抗冻性能试验方法

本文采用抗冻系数表征材料抗冻性, 经5次冻融循环(养生至规定龄期的试件饱水24 h后, 在-20 ℃冰箱内冷冻4 h, 20 ℃水中融化20 h, 为一循环) 后的饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值为

抗冻系数 $= \frac{试件经冻融循环后的饱水抗压强度}{试件未经冻融循环的饱水抗压强度}$

1.3.3 收缩应变测试方法

本文采用改善测脚的ZX-212型智能弦式数码应变计测定材料的温缩应变和干缩应变, 测试系统见图 1。

图 1 应变测试装置

Figure 1. Deflection Measurement Equipment

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2. 试验结果分析

2.1 强度试验结果分析

水泥稳定碎石不同龄期的抗压强度、劈裂强度试验结果见表 5。掺膨胀剂水泥稳定碎石各龄期强度较大, 在保证强度前提下, 膨胀剂可以替代一部分水泥, 因此, 膨胀剂不会导致材料成本增大^[3-7]。

表 5 强度试验结果

Table 5. Intensity Test Result

项目		材料组成
		水泥稳定碎石	掺膨胀剂水泥稳定碎石
		A	B
抗压强度/MPa	7 d	3.03	3.23
	28 d	6.47	7.81
	90 d	6.83	8.47
劈裂强度/MPa	7 d	0.24	0.27
	28 d	0.60	0.68
	90 d	0.79	1.00

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2.2 模量试验结果分析

不同龄期抗压模量变化规律见表 6, 刚度增长规律同强度增长规律基本一致, 式

表 6 抗压模量

Table 6. Compressing Modulus

材料名称	代号	不同龄期的模量值/MPa			参数值		相关系数
材料名称	代号	7 d	28 d	90 d	a	b	r²
水泥稳定碎石	A	1 344	1 572	1 584	230.35	1 362.4	0.989 5
掺膨胀剂水泥稳定碎石	B	1 354	1 460	1 617	230.08	1 339.6	0.933 1

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$E_{C} = a l n t + b$

中的C为常量。

2.3 抗冻性试验结果分析

在冻融循环反复作用下水泥稳定碎石基层材料强度逐渐下降, 产生薄弱面, 甚至在薄弱面发生开裂破坏。抗冻性试验结果见表 7。

表 7 冻融试验结果

Table 7. Result of Reezing-melt Test

材料名称	材料代号	龄期/d	未冻试件强度/MPa	冻融试件强度/MPa	抗冻系数/%
水泥稳定碎石	A	7	3.03	2.18	71.95
		28	6.47	6.11	94.44
		90	6.83	6.30	92.24
掺膨胀剂水泥稳定碎石	B	7	3.23	2.50	77.40
		28	7.81	7.46	95.52
		90	8.47	8.13	95.99

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从表 7可知, 掺膨胀剂水泥稳定碎石抗冻系数大于水泥稳定碎石抗冻系数。膨胀剂水化生成了钙矾石填充了部分水泥稳定碎石的空隙, 使水泥稳定碎石致密度增大。本文分别对养生28 d掺膨胀剂碎石稳定碎石结合料和普通水泥稳定碎石结合料进行扫描电镜分析, 扫描电镜照片见图 2、3。掺膨胀剂水泥稳定碎石材料的孔隙比没有外掺剂水泥稳定碎石孔隙少得多, 相同条件下水泥稳定碎石受液体膨胀压力就明显大于掺膨胀剂水泥稳定碎石的。

图 2 水泥稳定碎石结合料Fig.2 Conjunction Stuff of Cement Stabilized Gravel

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图 3 掺膨胀剂水泥稳定碎石结合料Fig.3 Conjunction Stuff of Cement Stabilized Gravel with Expansion Agent

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2.4 收缩试验结果分析

本文采用干缩能抗裂系数(材料极限抗拉能和含水量变化引起干缩能的比值) 和温缩能抗裂系数(材料极限抗拉能和温度变化引起温缩能的比值) 表征材料抗裂性, 材料的干缩能抗裂系数为

$[W] = \frac{W}{W_{w}} = \frac{σ_{\max}^{2} (w_{i + 1} - w_{i})}{E^{2} [(ε_{i + 1}^{d})^{2} - (ε_{i}^{d})^{2}]}$

式中: ε_i+1^d、ε_i^d分别为第i+1、i次测得的干缩应变; w_i+1、w_i分别为第i+1、i次测得的含水量; E为劈裂模量; W为材料极限抗拉能; W_w为含水量引起的干缩能。[W]的大小可以反映该材料的抗湿度收缩的相对能力的大小, 其值越大, 表明材料抗湿度收缩性能越好, 反之亦然。

材料温缩能抗裂系数为

$[Τ] = \frac{W}{W_{t}} = \frac{σ_{\max}^{2} (t_{i + 1} - t_{i})}{E^{2} [(ε_{i + 1}^{t})^{2} - (ε_{i}^{t})^{2}]}$

式中: ε_i+1^t、ε_i^t分别为第i+1、i次测得的温缩应变; t_i+1、t_i分别为第i+1、i次测得的温度; E为劈裂模量; W_t为温度引起的温缩能。[T]的大小可以反映该材料的抗温度收缩的相对能力的大小, 其值越大, 表明材料抗温度收缩性能越好, 反之亦然。

90 d劈裂强度、劈裂模量、最大失水量、温差和最大干缩、温缩应变见表 8。干缩能抗裂系数和温缩能抗裂系数结果见表 9。无论干缩能抗裂系数还是温缩能抗裂系数都是掺膨胀剂水泥稳定碎石的较大, 也就是说掺膨胀剂水泥稳定碎石干缩和温缩抗裂性都较好^[8-10]。

表 8 干缩与温缩应变测试结果

Table 8. Strain Measure Result of Dry and Temperature Shrinkage

混合料名称	劈裂强度R_p/MPa	劈裂模量E_p/GPa	最大失水量/%	最大温度差/℃	最大干缩应变/με	最大温缩应变/με
水泥稳定碎石	0.79	9.94	4.21	60	120	379.4
掺膨胀剂水泥稳定碎石	1.00	11.46	4.95	60	111	380.2

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表 9 抗裂系数

Table 9. Anti-Cracking Coefficients

混合料名称	干缩能抗裂系数/%	温缩能抗裂系数/℃
水泥稳定碎石	1.84	2.63
掺膨胀剂水泥稳定碎石	3.06	3.16

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3. 实体工程

3.1 实体工程概况

试验路铺设在河南开封的尉扶路, 该地区公路自然区划为Ⅱ5区, 潮湿系数为0.5~1.0, 年平均最高气温为30.0~32.5 ℃ (七月份气温), 年平均最低气温为0.9 ℃ (元月份), 年降雨量为600~800 mm。试验路铺筑了2段: 水泥稳定碎石基层(长100 m); 掺膨胀剂水泥稳定碎石基层(长100 m)。

3.2 实体工程观测及数据分析

现场钻心强度试验结果见表 10。试验路钻心取样强度明显高于室内试验结果, 原因为试件成型方式不同, 室内采用压实成型, 而试验路采用的是振碾成型; 铺筑试验路时, 地面气温较高, 最高达到60 ℃左右。实体工程铺设结束, 7 d裂缝测试结果见表 11, 可以看出膨胀剂可以大大减少水泥稳定碎石基层的收缩裂缝。

表 10 钻心试件抗压强度

Table 10. Core Speciment Compressing Strength

路段	水泥稳定碎石	掺膨胀剂水泥稳定碎石
14 d抗压强度/MPa	7.4	8.5

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表 11 裂缝调查统计

Table 11. Statistics Cracking

路段	贯通缝/条	非贯通缝/条	合计/条	平均缝距/m
水泥稳定碎石	8	1	9	11.1
掺膨胀剂水泥稳定碎石	3	1	4	25.0

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4. 结语

掺膨胀剂水泥稳定碎石具有较高的强度、抗冻性和良好抗收缩能力, 具有良好的应用前景; 在掺膨胀剂水泥稳定碎石中, 膨胀剂可以取代部分水泥, 从而不会导致掺膨胀剂水泥稳定碎石成本增加; 用干缩能抗裂系数和温缩能抗裂系数能很好地评价水泥稳定碎石材料的抗裂性。

图 1 应变测试装置

Figure 1. Deflection Measurement Equipment

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图 2 水泥稳定碎石结合料Fig.2 Conjunction Stuff of Cement Stabilized Gravel

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图 3 掺膨胀剂水泥稳定碎石结合料Fig.3 Conjunction Stuff of Cement Stabilized Gravel with Expansion Agent

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表 1 水泥技术性能

Table 1. Cement Property

标号	细度筛余量(80 μm方孔筛) /%	初凝时间/min	终凝时间/min	3 d强度/MPa
				抗压	抗折
32.5	7.1	171	208	27.1	5.8

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表 2 碎石级配

Table 2. Aggregate Gradation

集料规格/mm	31.500~19.000	19.000~9.500	9.500~4.750	4.750~2.360	2.360~0.600	0.600~0.075	0.075以下
通过质量百分率/%	100	88~99	57~77	29~49	17~35	8~22	0~7
采用值/%	100	93	67	39	26	15	3

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表 3 混合料组成

Table 3. Mixture Composition

混合料名称	混合料组成质量比
水泥稳定碎石	m_水泥∶m_碎石=5∶95
掺膨胀剂水泥稳定碎石	m_膨胀剂∶m_水泥∶m_碎石=3∶50∶950

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表 4 击实试验结果

Table 4. Result of Beating Test

混合料名称	最佳含水量/%	最大干密度/ (g·cm^-3)
水泥稳定碎石	6.4	2.32
掺膨胀剂水泥稳定碎石	6.4	2.34

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表 5 强度试验结果

Table 5. Intensity Test Result

项目		材料组成
		水泥稳定碎石	掺膨胀剂水泥稳定碎石
		A	B
抗压强度/MPa	7 d	3.03	3.23
	28 d	6.47	7.81
	90 d	6.83	8.47
劈裂强度/MPa	7 d	0.24	0.27
	28 d	0.60	0.68
	90 d	0.79	1.00

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表 6 抗压模量

Table 6. Compressing Modulus

材料名称	代号	不同龄期的模量值/MPa			参数值		相关系数
材料名称	代号	7 d	28 d	90 d	a	b	r²
水泥稳定碎石	A	1 344	1 572	1 584	230.35	1 362.4	0.989 5
掺膨胀剂水泥稳定碎石	B	1 354	1 460	1 617	230.08	1 339.6	0.933 1

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表 7 冻融试验结果

Table 7. Result of Reezing-melt Test

材料名称	材料代号	龄期/d	未冻试件强度/MPa	冻融试件强度/MPa	抗冻系数/%
水泥稳定碎石	A	7	3.03	2.18	71.95
		28	6.47	6.11	94.44
		90	6.83	6.30	92.24
掺膨胀剂水泥稳定碎石	B	7	3.23	2.50	77.40
		28	7.81	7.46	95.52
		90	8.47	8.13	95.99

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表 8 干缩与温缩应变测试结果

Table 8. Strain Measure Result of Dry and Temperature Shrinkage

混合料名称	劈裂强度R_p/MPa	劈裂模量E_p/GPa	最大失水量/%	最大温度差/℃	最大干缩应变/με	最大温缩应变/με
水泥稳定碎石	0.79	9.94	4.21	60	120	379.4
掺膨胀剂水泥稳定碎石	1.00	11.46	4.95	60	111	380.2

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表 9 抗裂系数

Table 9. Anti-Cracking Coefficients

混合料名称	干缩能抗裂系数/%	温缩能抗裂系数/℃
水泥稳定碎石	1.84	2.63
掺膨胀剂水泥稳定碎石	3.06	3.16

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表 10 钻心试件抗压强度

Table 10. Core Speciment Compressing Strength

路段	水泥稳定碎石	掺膨胀剂水泥稳定碎石
14 d抗压强度/MPa	7.4	8.5

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表 11 裂缝调查统计

Table 11. Statistics Cracking

路段	贯通缝/条	非贯通缝/条	合计/条	平均缝距/m
水泥稳定碎石	8	1	9	11.1
掺膨胀剂水泥稳定碎石	3	1	4	25.0

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参考文献(10)

[1]	杨红辉. 掺膨胀剂及纤维水泥稳定碎石抗裂性能研究[D]. 西安: 长安大学, 2003.
[2]	汪双杰, 黄晓明, 倪一鸿. 改性膨胀土路基受水特性[J]. 交通运输工程学报, 2004, 4 (1): 15-20. http://transport.chd.edu.cn/article/id/200401005 WANG Shuang-jie, HUANG Xiao-ming, NI Yi-hong. Infiltrating Properties of Modified Swelling Soil Subgrade[J]. Journal of Traffic and Transportion Engineering, 2004, 4 (1): 15-20. (in Chinese) http://transport.chd.edu.cn/article/id/200401005
[3]	JTJ 057-94, 公路无机结合料稳定材料试验规程[S].
[4]	吕文江, 伍石生, 戴经梁. 透水基层材料渗透系数测试[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2003, 23 (2): 22-24. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200302005.htm LU Wen-jiang, WU Shi-sheng, DAI Jing-liang. Permeability Coefficient Test of Permeable Base Materials[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2003, 23 (2): 22-24. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200302005.htm
[5]	刘红瑛, 牛长友, 王强, 等. 骨架密实型二灰稳定碎石基层路用性能[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2003, 23 (3): 37-42. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200303008.htm LIU Hong-ying, NIU Chang-you, WANG Qiang, et al. Pavement Performance of Lime Flyash Stabilized Aggregate Basewith Skeleton Dense Structure[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2003, 23 (3): 37-42. (in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200303008.htm
[6]	徐芝纶. 弹性力学简明教程[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997.
[7]	王松根, 房建果, 王琳, 等. 大碎石沥青混合料柔性基层在路面补强中的应用研究[J]. 中国公路学报, 2004, 17 (3): 10-15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL200403003.htm WANG Song-geng, FANG Jian-guo, WANG Lin, et al. Study of the Use of Large Stone Asphalt Mixes in the Flexible Base Course Store Reinforce Pavements[J]. China Journal of Highway and Transport, 2004, 17 (3): 10-15. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL200403003.htm
[8]	杨红辉, 唐娴, 郝培文, 等. 半刚性基层材料抗裂性评价方法[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2002, 22 (4): 13-15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200204003.htm YANG Hong-hui, TANG Xian, HAO Pei-wen, et al. Evaluation Method for Anti-Cracking Performance of Semi-Rigid Base Course[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2002, 22 (4): 13-15. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200204003.htm
[9]	张宜洛. 抗滑级配类型沥青混合料的抗滑性能[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2003, 23 (1): 7-10. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200301001.htm ZHANG Yi-luo. Skid Resistance Regularity of Different Grade Bituminous Mixture[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2003, 23 (1): 7-10. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200301001.htm
[10]	梁乃兴, 李明国. SBS改善沥青路用性能及机理研究[J]. 长安大学学报: 自然科学版, 2002, 22 (2): 17-20. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200202005.htm LIANG Nai-xing, LI Ming-guo. Performance and Echanism of Modified Asphalt with SBS[J]. Journal of Chang'an University: Natural Science Edition, 2002, 22 (2): 17-20. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGL200202005.htm

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0. 引言
1. 原材料性质及试验方法
1.1 原材料性质
1.2 碎石级配
1.3 试验方法
2. 试验结果分析
2.1 强度试验结果分析
2.2 模量试验结果分析
2.3 抗冻性试验结果分析
2.4 收缩试验结果分析
3. 实体工程
3.1 实体工程概况
3.2 实体工程观测及数据分析
4. 结语

0. 引言
1. 原材料性质及试验方法
1.1 原材料性质
1.2 碎石级配
1.3 试验方法
2. 试验结果分析
2.1 强度试验结果分析
2.2 模量试验结果分析
2.3 抗冻性试验结果分析
2.4 收缩试验结果分析
3. 实体工程
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3.2 实体工程观测及数据分析
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