（材料学专业论文）基于路面基层稳定用水泥的组成、设计及机理研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：皇l 堡日期：划 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一c ：多降翩c 签名归。沁删纠 l 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 针对普通水泥用于路面基层稳定时凝结时间短、收缩大的问题，在充分分析 稳定类材料结构与组成特点的基础上，本文探讨了水泥中s 0 3 含量在水泥稳定基 层材料中的作用规律，研制了一种具有缓凝微膨胀性的路面基层稳定用水泥，并 对其配方组成原则和路用性能展开了一系列的研究。研究结果表明： ( 1 ) 当熟料掺量为4 0 时，水泥凝结时间随石膏掺量的增加而增加，在s 0 3 含量为4 2 8 时，终凝时间达到6 h 以上。在水泥砂浆体系中，不使材料力学性 能恶化的最高s 0 3 含量为3 3 8 左右，在水泥稳定材料体系中，该限值提高至 4 2 8 左右。水泥浆体中钙矾石的生成量与水泥中s 0 3 含量成正比，随着s 0 3 含 量的适当提高，水泥中混合材的活性得到进一步激发，且大量钙矾石的穿插和膨 胀作用能密实材料的内部空隙结构，使材料的力学性能得以改善。 ( 2 ) 通过系统研究熟料掺量、混合材复合比例和s 0 3 含量等因素对路面基层 稳定用水泥凝结时间和水泥稳定碎石材料力学性能的影响规律，并综合考虑其经 济性和环保性等因素，确定路面基层稳定用水泥的配方组成原则为：熟料掺量为 4 0 ，矿粉和粉煤灰比例为l ：l ，s 0 3 掺量为4 2 左右，粉煤灰宜采用活性较 高的低钙粉煤灰，石膏宜采用以二水硫酸钙为主要结晶相的石膏。 ( 3 ) 路面基层稳定用水泥r b c 终凝时间为4 0 2 m i n ，有利于水泥稳定碎石基 层的延迟施工。其膨胀效果和普通复合水泥掺入膨胀剂相当，净膨胀量在后期较 大，干缩相对复合水泥体系较小，这有利于保证路面基层的强度和改善其抗裂性。 e c 3 2 5 和r b c 两种体系7 d 抗压强度相当，但r b c 水泥稳定碎石2 8 d 抗压强度 增长率为7 5 6 ，9 0 d 增长率高达1 1 7 ，约为e c 3 2 5 水泥稳定碎石强度增长率 的2 0 0 。r b c 体系干缩能抗裂系数为4 9 9 ，相对e c 3 2 5 体系提高了3 0 2 ， e c 3 2 5 + u e a 体系相对e c 3 2 5 提高了2 0 2 ，r b c 体系抗裂性能最优。 ( 4 ) 路面基层稳定用水泥水化产物主要是粒径大的c s h 凝胶和针棒状的 a f t 晶体，且a f t 晶体穿插于凝胶之间并产生体积膨胀，有利于补偿水泥稳定材 料的自收缩和部分干缩。随着水化龄期的延长，混合材受到c a ( o 啪2 的激发，活 性逐渐提高，使得r b c 水泥具备较高的后期强度。 关键词：水泥稳定碎石，s 0 3 含量，缓凝，微膨胀，路面基层稳定用水泥，抗裂 性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a i m e da tt h ep r o b l e mo fs h o r ts e t t i n gt i m ea n dl a r g es h r i n k a g eo fo r d i n a r y c e m e n tw h i l et h e yu s e df o rr o a db a s es t a b i l i z i n g ，a n db a s e do nf u l l ya n a l y z et h e c h a r a c t e r so ft h es t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no ft h ec e m e n ts t a b i l i z e dm a t e r i a l s ，t h i s p a p e rd i s c u s s e dt h er u l eo fd i f f e r e n ts 0 3 c o n t e n t se f f e c t so nc e m e n ts t a b i l i z e dr o a d b a s em a t e r i a l s ，o nt h i sb a s i s ，w eh a v ed e v e l o p e dan e w t y p eo fs p e c i a lp u r p o s ec e m e n t w i t hr e r e a d i n ga n ds l i g h te x p a n d a b i l i t y ，a n dt h e nw ec o n d u c t e das e r i e so fs t u d i e so n t h ef o r m a t i o np r i n c i p l eo ft h es p e c i a lc e m e n ta n di t sr o a dp e r f o r m a n c e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t ： ( 1 ) w h e nc l i n k e rc o n t e n ti s4 0 ，t h es e t t i n gt i m eo ft h ec e m e n ti n c r e a s e s 谢m t h ec o n t e n to fg y p s u m , w h e nt h ec o n t e n to fs 0 3i s 4 2 8 ，t h ef i n a ls e t t i n gt i m e r e a c h e s6 h i nc e m e n tm o r t a rs y s t e m ，w h e nt h es 0 3c o n t e n ti sa r o u n d3 3 8 ，t h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a li st h eb e 瓯a n di nt h ec e m e n ts t a b i l i z e d m a t e r i a ls y s t e m ，t h em a x i m u ms 0 3c o n t e n ti n c r e a s e st oa r o u n d4 2 8 t h ee t t r i n g i t e g e n e r a t i o nh a sd i r e c tr a t i o 谢t l lt h es 0 3c o n t e n t ，诹t l lt h ep r o p e ri n c r e a s i n go fs 0 3 c o n t e n t , t h ea c t i v i t yo fm i x i n gm a t e r i a l sh a sb e e nf u r t h e rs t i m u l a t e d ，a n dt h e a l t e r n a t i o na n de x p a n s i o ne f f e c to ft h el a r g en u m b e ro fe t t r i n g i t ec a nc o m p a c tt h e s t r u c t u r eo ft h em a t e r i a l ，s oa st oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l ( 2 ) b yr e s e a r c h i n gt h ei n f l u e n c eo fc l i n k e rc o n t e n t ，s 0 3c o n t e n ta n db l e n d i n g r a t i oo fs l a ga n df l ya s ho nt h es e a i n gt i m ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es p e c i a l p u r p o s ec e m e n ta n di t ss t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e ，a n dt a k i n gt h ee c o n o m i cf a c t o r si n t o c o n s i d e r a t i o n , t h ef o r m a t i o np r i n c i p l eo ft h ec e m e n th a sb e e nd e t e r m i n e da st h e c l i n k e rc o n t e n ti sa b o u t4 0 ，t h es l a gc o n t e n ti se q u a lt ot h ef l ya s ha n dt h es 0 3 c o n t e n ti sa b o u t4 2 ，i tw o u l db eb e t t e rt ou s el o wc a l c i u mf l ya s hw i t hh i g ha c t i v i t y a n dg y p s u mw h i c ht h em a i nc r y s t a l l i n ep h a s ei sd i h y d r a t ec a l c i u ms u l p h a t e ( 3 ) t h ef i n a ls e t t i n gt i m eo ft h es p e c i a lp u r p o s ec e m e n tf o rr o a db a s es t a b i l i z i n g i s4 0 2m i n u t e s ，i tb e n e f i t st h ed e l a y e dc o n s t r u c t i o no ft h ec e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e d s t o n e t h ee x p a n s i o ne f f e c to ft h i sc e m e n ti sr o u g h l ye q u a lt o o r d i n a r yc o m p o s i t e c e m e n tm i x i n ge x p a n s i v ea g e n t , i t sn e te x p a n s i o ni sl a r g ei nl a t e rp e r i o da n di t sd r y s h r i n k a g ei sl e s st h a nc o m p o s i t ec e m e n ts y s t e m ，a l lo ft h e s ee n s u r et oi m p r o v et h e m e c h a n i c a la n d a n t i c r a c k i n gp r o p e r t i e s o ft h er o a db a s em a t e r i a l t h e7 d c o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp c 3 2 5a n dr b cs t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n ei ss i m i l a r , b u tt h e i n c r e a s er a t eo fc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fr b c s y s t e mi sa b o u tt w ot i m e sh i g h e rt h a n 6 武汉理工大学硕二i ：学位论文 p c 3 2 5s y s t e m ，s u c ha st h e2 8 di n c r e a s er a t eo fr b c s y s t e mi s7 5 6 a n dt h e9 0 di s 117 t h ed r ys h r i n k a g ee n e r g ya n t i - c r a c k i n gc o e f f i c i e n to fr b c s y s t e mi s4 9 9 ， a n dr e l a t i v et op c 3 2 5s y s t e m ，t h ec o e f f i c i e n to fr b cs y s t e mi n c r e a s e sb y3 0 2 ， w h i l et h ep c 3 2 5 + u e a s y s t e m i n c r e a s e s b y2 0 2 ，t h u s t h e a n t i c r a c k i n g p e r f o r m a n c eo fr b cs y s t e mi st h eb e s t ( 4 ) t h em a i nh y d r a t i o np r o d u c t so ft h ec e m e n tf o rr o a db a s es t a b i l i z i n ga r e a m o r p h o u sc - s - hg e lw i t hl a r g ep a r t i c l es i z ea n dn e e d l el i k ea f t , t h ea f tn e e d l e i n t e r l o c k sa m o n gt h ec s - ha n do t h e rp r o d u c t s ，t h eg e n e r a t i o no fa f tr e s u l t si nl a r g e v o l u m ee x p a n s i o n , t h ee x p a n s i o nc a nc o m p e n s a t et h es h r i n k a g eo ft h er o a db a s e c o u r s e w i 血t h ee x t e n s i o no fh y d r a t i o na g e s ，t h ea c t i v i t yo fm i x i n gm a t e r i a l s g r a d u a l l ye n h a n c e su n d e r t h es t i m u l a t i o no f c a ( o h ) 2 ，i tc a u s e st h er b c c e m e n th a sa 1 1 i g hl a t e ra g es 仃e n g t h k e y w o r d s ：c e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e ，s 0 3c o n t e n t , r e t a r d i n g ，s l i g h te x p a n s i o n , s p e c i a lp u r p o s ec e m e n tf o rr o a db a s es t a b i l i z i n g , a n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c e i i i 6 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 目录 第1 章绪论 i i l 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究现状及存在的问题2 1 2 1 水泥稳定基层材料收缩与开裂研究现状3 1 2 2 水泥稳定基层材料抗裂性能评价指标研究现状4 1 2 3 水泥稳定基层防裂措施研究4 1 2 4 水泥浆体膨胀作用机理5 1 2 5 膨胀型水泥稳定碎石基层材料研究现状6 1 2 6 路面基层材料的延迟成型研究现状7 1 2 7 水泥中s 0 3 含量对水泥稳定基层材料性能影响研究现状7 1 3 研究内容、研究目标与技术路线。8 1 3 1 研究内容8 1 3 2 研究目标9 1 3 - 3 技术路线l o 第2 章原材料与实验方法 1 l 2 1 原材料1 l 2 2 试验方法1 3 第3 章s 0 3 含量、水泥砂浆与水泥稳定材料性能的相关性研究 1 4 3 1s 0 3 含量水泥砂浆性能的相关性研究1 4 3 1 1s 0 3 含量对水泥物理力学性能的影响1 5 3 1 2s 0 3 含量对水泥胀缩性能的影响1 6 3 2s 0 3 含量水泥稳定材料性能的相关性研究1 7 3 2 1s 0 3 含量对水泥稳定材料力学性能的影响1 7 3 2 2 水泥砂浆膨胀值水泥稳定碎石强度之间的关系1 9 3 2 3s 0 3 含量对水泥稳定材料干缩性能的影响1 9 3 3s 0 3 含量水泥强度水泥稳定材料强度的相关性研究2 0 3 3 1 水泥强度一水泥稳定材料强度的相关性研究2 0 3 3 2s 0 3 含量水泥稳定材料强度的相关性研究2 1 3 4s 0 3 对水泥及其稳定材料的作用机理研究2 2 3 4 1 膨胀源s 0 3 对膨胀相钙矾石生成量的影响研究2 2 3 4 2s 0 3 对水泥水化产物的影响研究2 4 3 4 3s 0 3 对材料胶凝性能的作用机理2 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 4s 0 3 在水泥稳定材料中的作用机理分析2 6 3 5 本章小结2 6 第4 章路面基层稳定用水泥配方组成原则研究2 8 4 1 路面基层稳定用水泥配方设计原则2 8 4 1 1 粉煤灰效应2 8 4 1 2 矿渣粉活性的激发2 9 4 1 3 混合材的协同效应2 9 4 1 4s 0 3 的缓凝与膨胀效应3 0 4 2 水泥各组分配比对其性能的影响3 1 4 2 1 熟料掺量的影响3 1 4 2 2s 0 3 含量的影响3 2 4 2 3 粉煤灰与矿渣复合比例的影响一3 3 4 3 原材料品质对水泥性能的影响3 4 4 3 1 粉煤灰品质的影响3 5 4 3 2 石膏品种的影响3 6 4 4 本章小结3 8 第5 章路面基层稳定用水泥及其稳定材料性能研究 5 1 路面基层稳定用水泥的性能研究4 0 5 1 1 路面基层稳定用水泥的物理力学性能一4 0 5 1 2 路面基层稳定用水泥的胀缩性能一4 2 5 2 路面基层稳定用水泥稳定基层材料的性能研究4 3 5 2 1 路面基层稳定用水泥稳定材料的力学性能研究一4 3 5 2 2 路面基层稳定用水泥稳定材料的干缩抗裂性能研究一4 5 5 3 路面基层稳定用水泥的水化过程研究4 7 5 3 1 路面基层稳定用水泥水化产物的断面形貌。4 7 5 3 2 路面基层稳定用水泥水化产物的x r d 分析4 9 5 4 本章小结5 0 第6 章结论 参考文献 致谢 5 1 5 3 附萄己。 5 6 5 7 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 水泥稳定类材料是目前我国公路广泛采用的路面基层材料，但就实际使用情 况而言，水泥稳定类材料其抗裂性差、延迟碾压成型时间短等问题已经严重影响 了公路路面的建设质量i l 捌。 普通水泥稳定类材料存在收缩大、易开裂等问题，而一旦路面基层出现开裂， 则极易导致沥青面层反射裂缝的产生，致使路面结构破坏。水泥的用量与品质是 影响水泥稳定类基层开裂的关键因素【3 1 。水泥剂量越大，干缩应力就越大，基层 裂缝也就越多 4 1 。有研究表明，当基层混合料中水泥剂量超过6 时，基层材料 开裂现象急剧增加【5 】o 据统计，水泥剂量每增加一倍，则路面基层的横向裂缝增 加2 4 倍。因此，国内外相关规范均对水泥稳定基层中的水泥剂量有严格的控制( 如 我国交通部公路路面基层施工技术规范规定水泥剂量不得超过6 哟。然而， 在实际施工过程中，特别在一些集料品质不理想的地区，往往会出现在规范限定 的水泥剂量内，基层强度达不到设计要求。因此，急需寻求一条新的技术途径来 合理协调强度与抗裂性能间的矛盾。 影响水泥收缩的主要因素有矿物组成、s 0 3 含量、水泥细度、强度发展历程 以及使用时的水灰比等 6 1 。1 9 9 9 年水泥i s o 新标准实施后，由于水泥的强度等 级提高了，细度更细、混合材掺量降低，致使用新标准3 2 5 级水泥铺筑的水泥 稳定基层，其开裂现象较原3 2 5 级水泥更为明显。针对上述现象，国内外一般 采用掺入膨胀剂、纤维等方法来提高水泥稳定类材料的抗裂性能，但均存在增加 生产成本、复杂施工工艺等问题，且使用效果也不尽如人意【7 芦j 。 大量研究表明【9 l 们，采用膨胀水泥能有效提高水泥砂浆或水泥混凝土的抗裂 性能，而s 系膨胀源( s 0 3 ) 的研究与应用也较为广泛且相对成熟。那么，是否能 根据s 系膨胀源在水泥砂浆或混凝土体系中的作用机理进行具有微膨胀特性的、 路面基层稳定专用的水泥设计呢? 现行的水泥生产是为混凝土配制服务的，大量的理论基础与应用基础研究， 也主要围绕水泥中膨胀组分对水泥砂浆或水泥混凝土的力学、收缩等相关性能展 开的，因此普通水泥的相关指标均是依据其对水泥砂浆或混凝土体系的性能与施 工确定的，并采用规定的方法进行检验。然而，水泥稳定材料与水泥砂浆或混凝 土体系相比，在材料组成、结构等方面均存在明显区别，主要表现为：( 1 ) 水泥 用量相差较大，水泥砂浆或混凝土中水泥用量往往高达1 3 以上，而水泥稳定材 料中仅为5 左右【1 1 】；( 2 ) 材料的致密程度不同，水泥砂浆或混凝土相对比较致密， 武汉理工大学硕士学位论文 普通混凝土的含气量一般在2 左右【1 2 1 ，而水泥稳定材料其空隙率则往往较大， 且可以通过集料级配进行调整，因此，适合水泥砂浆或混凝土体系的相关规律以 及指标，不一定适用于水泥稳定材料体系了。特别是水泥中s 系膨胀源( s 0 3 ) 、 f - c a o 等对水泥稳定类材料体系的力学性能、收缩性能的影响规律及其作用机理， 均需要进一步探讨与验证，且适用于稳定基层用水泥的相关指标也需要重新制 定。 另一方面，由于水泥稳定材料与水泥砂浆或混凝土的施工工艺存在较大差 异，水泥稳定材料需要较长的延迟碾压成型时间( 指混合料从加水拌和到碾压终 了之间的时间) ，适用于基层稳定的水泥其初凝时间一般要求在3 h 以上，终凝时 间在6 h 以上，而目前普通水泥往往达不到上述要求，实际生产时也只能采用掺 加缓凝剂等方式进行协调，但同样也会出现增加建设成本、复杂施工工艺等问题。 针对上述问题，依据s 系膨胀源( s 0 3 ) 在水泥基复合材料中的作用机理，本 文拟通过探讨s 0 3 含量及水泥强度的高低对不同水泥基材料体系( 水泥砂浆以及 水泥稳定材料) 的力学、膨胀与收缩性能的影响规律，由此确定不使水泥稳定材 料结构破坏与性能恶化的的s 0 3 最大容许限值，明晰用于基层稳定用水泥强度与 其稳定材料强度之间的关系；依据稳定基层材料用水泥对缓凝微膨胀的技术要 求，通过熟料混合材石膏体系的合理匹配，进行路面基层稳定专用水泥的组成 设计，并研究其配比与性能的关系，从而提出该类水泥的配方组成原则。采用微 观与化学测试，揭示路面基层稳定用水泥的水化硬化机理，探明路面基层稳定用 水泥的膨胀对水泥稳定材料的挤密、增强及阻裂等作用。 上述研究成果可为我国路面基层用水泥的发展及其标准的制订，提供技术支 撑，对丰富发展水泥化学、水泥稳定材料强度形成机理以及水泥稳定材料的开裂 机理与防治措施，具有重要的学术价值和实践指导作用。同时，本项目研制的一 种路面基层稳定用水泥，既能满足工程要求，大幅度改善水泥稳定基层的抗裂性 能，提高路面基层质量和路面耐久性，又能降低工程造价。无疑，能对我国的公 路建设事业起到积极的作用。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 高等级公路路面基层需要“具备足够的强度，适宜的刚度和耐久性，具有较 小的收缩等要求，因此半刚性基层材料的抗干缩开裂性能是基层材料一项非 常重要的路用性能，它直接影响着路面结构的耐久性。半刚性基层具有抗变形 能力差的缺点，在温度和湿度变化时容易产生收缩，出现开裂现象，由于我国 高速公路路面结构中沥青面层普遍较薄，更容易形成反射裂缝，严重影响路面 2 武汉理工大学硕士学位论文 的使用性能和耐久性。由于路面基层材料属于水硬性材料，其内部含水量会不 断变小，在此过程中会产生干缩应力。同时，在昼夜温差大的地区，当环境温 度变化时，会在其内部产生温度应力。在干缩应力和温度应力的共同作用下， 半刚性基层材料就会产生收缩裂缝，随着材料内部湿度和温度的不断变化，路 面基层中的收缩裂缝会缩小或增大，在交通荷载的反复作用下，裂缝会自动竖 向错动。在上述各种条件的综合作用下，裂缝会逐渐向上层延伸，直至贯通整 个沥青面层，形成反射裂缝，路面结构破坏。有关研究表明【1 3 l ：温度和干燥 收缩应力主要引起反射裂缝的产生与最初的发展，荷载应力则主要加速裂缝的 发展。 国内外工程科学工作者对水泥稳定类路面基层材料的收缩与抗裂性能进行 了一系列的研究，同时也对影响水泥凝结时间和膨胀率的因素进行了大量的研 究，主要集中在如下几个方面。 1 2 1 水泥稳定基层材料收缩与开裂研究现状 收缩与开裂性能是半刚性基层材料一个非常重要的路用性能，它直接影响 着路面结构的耐用性能。但由于半刚性基层材料特殊的结构组成形式以及成型 方式，致使其收缩与开裂性能的研究较为困难，且研究结果也大相径庭。 美国k e g e o g e 等人【1 4 】研究了水泥稳定土的收缩特性，探讨了水泥稳定土 收缩应变的主要影响因素。得出如下结论：水泥稳定土材料含水量越大，其干 缩应变越大，因此在基层施工中必须严格控制含水量；水泥稳定土的收缩应变 随着集料中小于0 0 0 2 m m 粘粒含量的增加而加大，且随着粘粒含量的增加， 其干缩量增加速度更快；试件干密度越大，压实度越高，其干缩越小，因此可 以通过增加压实度的方法减小收缩；水泥剂量存在着一个最佳值，可以使收缩 最小。澳大利亚r e r a w l i n g s t l 5 】对粒料土粉粘粒含量、细颗粒的塑液限等对路 面基层收缩特性以及路面基层抗裂性的影响进行了研究，提出细颗粒含量越 高、塑性越强，制备的水泥稳定基层的抗裂性越差。 潘兆平等【1 6 】应用均匀试验研究了水泥对水泥稳定碎石混合料抗裂性能的作 用规律。试验表明，水泥含量对基层混合料的路用性能具有显著影响，水泥含量 越大，水泥稳定碎石混合料抗裂能力越差。王宏畅等【1 7 】对比研究了水泥稳定碎 石、二灰稳定碎石以及水泥粉煤灰稳定碎石三种半刚性基层材料的干缩性能， 发现二灰稳定碎石的平均干缩系数最小，水泥稳定碎石材料介于两者之间。在 水泥稳定碎石材料中加入粉煤灰，基层材料平均干缩系数会变大，并认为这是 因为粉煤灰颗粒呈空心玻璃珠状，具有一定的饱水能力，可以在一定程度上减 小材料的失水率，导致干缩应变与失水率的比值增大的缘故。 3 武汉理工大学硕士学位论文 可见，在对水泥稳定类基层材料的干缩性能的研究上存在着较大的局限 性，这些研究主要集中在水泥稳定基层材料中细颗粒含量，水泥剂量等方面， 而对水泥自身的收缩性这一重要的影响因素没有考虑。 1 2 2 水泥稳定基层材料抗裂性能评价指标研究现状 对于水泥稳定碎石材料抗裂性能的研究，目前国内外主要侧重于两个方 面。第一方面的抗裂性能评价依据最简单的就是干缩系数与温缩系数，它们主 要表示单位含水量变化以及单位温度变化时材料的收缩应变，主要体现材料对 环境湿度和温度的敏感性，没有对材料抵抗收缩变形的能力进行综合考虑【l 引。 另一方面为以收缩研究为基础，同时考虑该类材料的刚度、抗拉强度等力学性 能，从来建立起路面基层材料的抗裂性能评价依据。例如杨文丁提出的干缩开 裂指标、温缩开裂指标，吴传海提出的干缩抗裂系数、温缩抗裂系数，以及李 文光提出的干缩抗裂性指数、温缩抗裂性指数主要是在综合考虑基层材料的收 缩性能基础上，进一步考虑半刚性基层材料自身的力学性能和对环境变化影响 的抵抗能力。值得一提的是，长安大学的杨红辉等人综合了材料的收缩特性、 力学特性和环境变化的影响，认为基层材料的开裂是应变、应力综合作用的结 果，并从能量的角度出发，以干缩系数、温缩系数反映材料对环境的敏感性、 以干缩能、温缩能和极限抗拉能将应力和应变结合起来，提出了干缩能抗裂系 数和温缩能抗裂系数，在一定程度上形成了收缩与开裂的统一，是一种比较合 理的抗裂性能评价指标。 1 2 3 水泥稳定基层防裂措施研究 由于半刚性基层材料是脆性材料，极易产生裂缝，半刚性基层开裂后，在环 境和交通荷载的综合作用下，会在沥青面层形成反射裂缝。如果路面结构反射裂 缝得不到及时有效的处理，会造成路面进一步开裂。路面开裂后，雨水和其它形 式水极易顺着缝隙渗入基层甚至路基，将会影响到路基的强度和刚度，在交通荷 载的反复作用下，容易造成路面结构脱空，加速路面结构的破坏，降低高速公路 行驶舒适性。因此，采取有效措施延缓甚至减少半刚性基层开裂及其反射裂缝形 成具有十分重要的意义。 目前，针对半刚性基层开裂和反射裂缝，公路工作者提出了一些行之有效的 措施。归纳起来，大致可以分为两大类：第一，减少或延缓半刚性基层开裂；第 二，抑制或延缓路面反射裂缝形成。这两种途径有时很难分开，因为一般在减少 半刚性基层开裂的同时又抑制了路面反射裂缝的形成。国内外研究人员通常从以 下几方面入手1 9 , 2 0 , 2 1 】： 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 稳定剂种类以及剂量 不同稳定类型的半刚性基层，其收缩系数和抗收缩能力不尽相同。至于某一 具体稳定类型，还因该稳定剂的品种不同而有所差异。比如水泥稳定类半刚性基 层，其水泥净浆收缩系数主要取决于c 3 a 和s 0 3 含量、石膏和水泥的细度、比 表面积等。般而言，水泥中c 3 a 含量大、细度较细、石膏较细、石膏含量较 少以及s 0 3 含量小的水泥干缩较大。对于水泥稳定类半刚性基层材料而言，水泥 存在一个最佳掺量。 ( 2 ) 施工控制 许多实践证明，半刚性基层开裂的几率和程度，与现场施工控制密切相关， 在一定程度上是施工组织管理，施工工艺水平的反映。施工控制与半刚性基层开 裂的几率和程度有关，首先要确保稳定的含水量和水泥剂量，在铺筑完成后及时 进行保湿养生，并尽快铺设稀浆封层和沥青下面层，以减少水份的挥发；其次是 优化施工配合比，通过掺加膨胀剂或减缩剂减少其自身的干缩变形，最后是增设 级配碎石层和应力吸收层等结构层，以防止反射裂缝的产生。 ( 3 ) 外加剂 主要是各类膨胀剂( 膨胀水泥) 或减缩剂。膨胀剂一般主要分为如下四大类： 氧化钙类、氧化镁类、硫铝酸盐类以及氧化铁类等，其中硫铝酸盐类膨胀剂应用 最广泛，它产生膨胀的原因是由于三硫型硫铝酸钙水化物的生成。目前膨胀剂广 泛应用于补偿收缩混凝土、早强混凝土与自应力混凝土等，都取得了较好的社会 和经济效益。在水泥稳定类半刚性基层中，膨胀剂作为一种缓解水泥基层收缩开 裂现象的外加剂，在国内外应用还不多。 1 2 4 水泥浆体膨胀作用机理 水泥是一种脆性材料，其抗压强度与抗折强度的比值一般较高，具有极限延 伸率小、抵抗反复荷载和冲击荷载能力差等特征。水泥的抗拉强度一般只及其抗 压强度的7 1 2 ，抗弯强度的5 0 6 0 。当水泥内部由于失水收缩产生内 部拉应力，且达到或超过其抗拉强度时，就会产生微小裂隙，同时随着荷载的持 续作用，水泥的整体性便遭到破坏，水泥的力学性能、抗渗性能等一系列主要性 能降低，随着外部腐蚀性气体、水等不断侵入，水泥石的耐久性下降，进而使水 泥的安全使用功能过早地被破坏 2 2 1 。 早在1 9 世纪末，米契利斯田1 ( w m i e h a e l i s ) 就发现水泥在硫酸盐介质中发生 膨胀破坏的主要原因是由于钙矾石的生成，因钙矾石结晶体呈细杆状，因此名之 日“水泥杆菌 。当时对于这种膨胀性破坏十分恐惧，自从法国洛西开始，不少 科学家为利用这种有害的“水泥杆菌”创造了合适的条件，有控制地将原来有害 s 武汉理t 大学硕士学位论文 一的破坏性的膨胀能转化为有利的膨胀能，具有产生自应力，补偿水泥收缩，提高 水泥耐久性等优越性。即利用水泥自身微膨胀来克服外部的限制而产生自应力， 这是自应力水泥的理论基础；利用微膨胀来补偿水泥因水分蒸发和自身体积收缩 等原因引起的收缩应变，这是补偿收缩微膨胀水泥的理论基础【硎。 水泥中掺加膨胀剂后会生成大量的钙矾石，钙矾石晶体生长和吸水膨胀引起 水泥石体积膨胀。钙矾石在膨胀水泥中主要发挥补偿收缩与产生自应力两大功 能，具有一些超越普通水泥的性能，在工程应用中发挥着重要的作用。钙矾石在 反应前后其固相体积约增加1 2 0 ，但这个数值并不表示膨胀水泥中水泥石体积 将增加1 2 0 ，更不能根据水泥中水泥石的体积率来计算膨胀水泥的体积膨胀率 【2 5 】。水泥浆体的膨胀是一个极其杂的过程，影响其膨胀率的因素有很多，例如钙 矾石晶体形状、尺寸、水泥石孔结构以及外部限制条件等。但膨胀型水泥浆体要 产生膨胀应力必须施加限制条件，因为只有在限制条件下钙矾石晶体的生长受到 抑制后才会产生膨胀压力，同时正是由于钙矾石具有填充水泥石空隙的作用，使 得水泥石的总空隙率降低，有害孔隙减少，使得膨胀型水泥具有良好的补偿收缩 和抗裂防渗作用。 1 2 5 膨胀型水泥稳定碎石基层材料研究现状 、 随着水泥稳定碎石在半刚性基层沥青路面中广泛使用，作为水泥基复合材料 的一种，其突出的问题是由于基层的收缩裂缝引起的路面开裂。为此，许多学者 进行了研究，提出了很多的措施，其中之一就是在水泥基材料中掺入膨胀剂，从 上世纪5 0 年代以来膨胀剂在水泥混凝土工程中得到了广泛应用。2 0 世纪末，为 解决半刚性基层的收缩裂缝，国内外从事道路材料研究的学者对膨胀剂应用于水 泥稳定碎石材料进行了较深入的研究。典型研究成果如下： 张红君等人 z 6 1 认为膨胀剂对减小混合料失水率和改善干缩应变的作用有比 较明显的效果。膨胀剂量从水泥用量的0 增加到2 ，干缩减小，从2 增加到 3 5 ，干缩增大，从3 5 增加到1 0 ，干缩减小。这种膨胀剂存在一个最佳掺 量，以控制在2 左右为宜。 长安大学杨红辉口7 】研究了水泥、膨胀剂及纤维等对水泥稳定碎石混合料抗裂 性能的作用规律。试验表明，水泥含量对混合料的路用性能具有显著影响，水泥 含量越大，水泥稳定碎石混合料抗裂能力越差；膨胀剂提高了水泥碎石材料的强 度和刚度，能有效抑制水泥稳定碎石混合料产生早期干燥收缩裂缝；认为掺膨胀 剂水泥稳定碎石7 天抗压强度随膨胀剂掺量的增加先增加后减少，并最终得到其 。，最佳掺量为3 ( 占混合料总质量百分比) 。 。 长安大学陈冬燕【2 8 】认为水泥稳定碎石中掺入膨胀剂可以明显提高其劈裂强 6 武汉理工人学硕上学位论文 度，掺加剂量为水泥用量的5 时，劈裂强度最大。水泥稳定碎石中掺加膨胀剂 能显著降低其早期干缩系数、改善温缩性能、增加抗压回弹模量、减小抗弯拉回 弹模量以及明显改善其抗疲劳性能和抗冲刷性能。 在水泥稳定基层材料中加入适量膨胀剂虽然能较好地提高基层材料的抗裂 性能，但由于膨胀剂的加入进一步复杂了基层施工工艺，且增加建设成本，膨胀 剂加入混合料中也同时存在搅拌不匀等问题，因此在实际工程中应用较少。 1 2 6 路面基层材料的延迟成型研究现状 我国交通部颁布的公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的条文中 指出，延迟成型时间是指从路面基层材料混合料加水拌和到成型完毕( 碾压终了) 之间的时间，其对水泥稳定类基层混合料的强度和最大干密度有较为明显的影 响，延迟时间越长，混合料的干密度和强度损失越大，对基层质量越不利。 沙庆林等人的研究指出当延迟时间为1 h 时，抗压强度损失将近4 0 ；延迟 时间增为2 h ，抗压强度损失相对延迟1 h 变化很小；延迟时间增为4 h ，抗压强度 损失将近6 0 ：延迟时间超过4 h ，抗压强度将会进一步降低。延迟成型时间对 干密度的影响规律同抗压强度类似。 武汉理工大学沈卫国等人【2 9 】研究了一种超效缓凝剂s r a ，当掺量为0 0 4 5 时可将水泥终凝时间延长到1 0h 。并研究了s r a 在水泥稳定基层材料中的应用， 结果表明，用s r a 可大大延长延迟成型时间，可把延迟成型时间延长到8 9h ， 在未加外加剂时，混合料的容重和强度在延迟时间超过4h 后出现了明显降低， 4h 时强度降低2 0 。加入s r a 外加剂后，干密度和强度的降低幅度被明显减小， 到6h 时干密度和强度降低均不足8 ，到9h 时降低均不足1 2 。在模拟施工 条件下延迟4h 和6h 后的s r a 改性水泥稳定粒料强度损失明显小于同种混合料 在延迟成型条件下的强度损失。 同在水泥稳定基层材料中加入膨胀剂一样，加入缓凝剂同样会带来施工方面 的困难且增加建设成本，因此无法得到很好的推广。 1 2 7 水泥中s 0 3 含量对水泥稳定基层材料性能影响研究现状 s 0 3 含量对普通水泥以及普通水泥基材料( 砂浆或混凝土) 相关性能的影响研 究已经比较成熟，一般研究认为随着水泥中s 0 3 含量的增加，钙矾石的生成量增 大，膨胀值增大，但超过一定限值后，则会引起破坏作用，导致强度下降，性能 恶化，所以普通水泥对s 0 3 含量均有严格的限制，一般不超过3 5 ( 矿渣水泥不 超过4 0 ) 。然而，水泥稳定材料与水泥砂浆或混凝土体系相比，在材料组成、 结构等方面均存在明显区别。因此，适合水泥砂浆或混凝土体系的相关规律以及 7 武汉理工大学硕士学位论文 指标，就不一定适用于水泥稳定材料体系了。 周诚喜【3 0 】对水泥以及水泥粉煤灰稳定碎石基层材料的裂缝形成原因进行了 微观分析，认为粉煤灰的掺入对裂缝的产生影响不大，s 0 3 是控制材料裂缝形成 的主要参数。可见，s 0 3 含量对路面基层材料的抗裂性能有较大影响。 沈卫国等人【3 l 】对粉煤灰磷石膏路面基层材料的强度形成机理进行了研究，认 为该类材料是一种多孔材料，水化产物a f t 呈针棒状，其形成与生长具有一定的 膨胀性，有利于提高材料内部颗粒的粘结作用，起到一种“显微加筋 的作用； 同时，8 0 4 2 - 离子的存在可以激发粉煤灰的活性，加快其二次水化反应的进行。 可见，s 0 3 有利于路面基层材料强度的提高。 陈潇等人1 3 2 1 对s 0 3 在水泥粉煤灰稳定碎石基层材料中的作用规律及其机理 进行了研究，得出如下结论：s 0 3 含量的适度提高有助于其通过膨胀来补偿水泥 粉煤灰稳定碎石的干燥收缩，有助于提高水泥粉煤灰稳定碎石的抗裂性能；当 s 0 3 含量提高到5 8 时，粉煤灰掺量为1 0 的水泥粉煤灰稳定碎石的力学性能 不会恶化。 可见，s 0 3 对于水泥稳定材料体系各项性能起着重要的作用，但对s 0 3 在不 同水泥基材料体系中的影响规律还有待进一步的研究。 1 3 研究内容、研究目标