CN108439839A - 一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料及测试方法，属于复合材料领域，能有效地提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能。本发明中贝壳粉的质量分数为3%，消石灰的质量分数为0%‑1.2%，脱硫石膏的质量分数为0%‑1.0%，聚丙烯纤维的体积分数为0%‑0.1%，其余为水泥稳定碎石级配集料；采用光纤光栅技术测量干、温缩系数。本发明利用贝壳粉的胶凝作用，消石灰与水反应发生膨胀，脱硫石膏填充水泥稳定碎石材料内部空隙以及聚丙烯纤维增强集料之间粘结力的性能，从而有效地提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，尤其涉及一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料及测试方法。
背景技术
水泥稳定碎石材料稳定性好、抗冲刷、抗疲劳，可以在一定程度上延长路面使用寿命而广泛应用于高等级公路的基层和底基层中。然而随着公路网的运营，水泥稳定碎石基层材料的广泛应用，许多水泥稳定碎石基层路面的缺陷逐渐体现出来，其中最为突出的问题是抗裂性能较差，这是由于水泥稳定碎石基层在温度和湿度交替变化下容易产生收缩裂缝。在交通荷载和环境因素的共同作用下，水泥稳定碎石基层的裂缝顶端会形成较大的应力，进而基层的裂缝将会由面层底部向上反射，造成反射裂缝。半刚性基层非常致密，渗水性很差，水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排出，只能沿沥青面和基层的分界面扩散并积累，在交通荷载下产生水动力冲刷基层，致使基层材料松散脱落，接踵而来的是各个结构层粘结力下降，路面承载能力降低，最终造成路面结构层整体破坏；同时，地表水通过基层裂缝渗透到土基层，导致土基软化，加快了路面结构层的损坏进程。
发明内容
本发明提供了一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料及测试方法，通过掺入外掺料解决水泥稳定碎石基层收缩开裂的问题。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料，包括：补充剂的质量分数为3％，消石灰的质量分数为0％-1.2％，脱硫石膏的质量分数为0％-1.0％，聚丙烯纤维的体积分数为0％-0.1％，其余为水泥稳定碎石级配集料。
以上所述复合外掺料中所述补充剂为贝壳粉，所述水泥为PC32.5级普通硅酸盐水泥，所述消石灰的质量分数优选为0.8％-1.2％，脱硫石膏的质量分数优选为0.6％-1.0％，聚丙烯纤维的体积分数优选为0.06％-0.1％，所述消石灰中CaO质量比为52％，脱硫石膏中CaSO4的质量比为90％，聚丙烯纤维的长度为10mm～20mm。
一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料测试方法，包括以下步骤：
(1)将所述外掺料制成圆柱形试件，将试件的上表面磨平，在试件上表面上对称贴上玻璃载片，如图1；
(2)将光纤光栅的一头与光纤光栅解调仪连接，同时还要连接一个光纤光栅，作为温度补偿。
(3)使用环氧树脂胶将光纤光栅上连接了光纤光栅解调仪的那一侧黏贴于玻璃片上，观察解调仪此时的数值，沿试件上表面径向拉直光纤，使得解调仪上的数值的增量≥1，此时将光纤光栅的另一侧黏贴于玻璃片上，粘贴时尽量保持光栅位于试件的圆心处。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的方法，使用外掺料提高水泥稳定碎石的干、温缩抗裂性能，外掺料中脱硫石膏具有填充空隙，减少试件内部原始缺陷的作用，脱硫石膏对水泥稳定碎石的孔隙起到了一定的填充加固作用，同时消石灰的微膨胀有提高了试件的密实度，利用贝壳粉的胶凝作用，消石灰与水反应发生膨胀，脱硫石膏填充水泥稳定碎石材料内部空隙以及聚丙烯纤维增强集料之间粘结力的性能，从而有效地提高水泥稳定碎石材料的抗裂性能，工序简单，易于操作，外掺料的掺量便于控制；本发明所选择的外掺料的材料普及，价格优惠，降低成本的同时能够有效地降低水泥稳定碎石的收缩系数，同时在一定程度上提高水泥稳定碎石材料的抗压强度，同时干、温缩系数的测量方法采用光纤光栅技术，提高了试验结果的精确度且操作上更加简单，测量结束后，光纤光栅还可以重复使用，更为经济。
附图说明
图1为本发明复合掺加料改善水泥稳定碎石的无侧限抗压强度图。
图2为本发明圆柱型试件光纤光栅测量示意图，其中1为光栅，2为玻璃片，3为圆柱型试件。
图3为本发明复合掺加料降低水泥稳定碎石的温缩系数图。
图4为本发明复合外掺料降低水泥稳定碎石的干缩系数图。
具体实施方式
本发明采用正交试验法，从对水泥稳定碎石基层的无侧限抗压强度、干缩性能和温缩性能三个方面考虑，确定复合外掺料的合理配合比。正交试验方案表见表1：
表1
(1)复合外掺料对无侧限抗压强度的影响
脱硫石膏具有填充空隙，减少试件内部原始缺陷的作用，消石灰和脱硫石膏的综合加入，减少了试件中的自由水，而生成了大量的水化物，从而使水泥稳定碎石的强度增加。为了比较分析复合掺加料对水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度的影响，进行不同配合比的无侧限抗压强度对比试验。水泥稳定碎石试件采用150mm×150mm×150mm静压成型圆柱体试件，试件压实度控制在98％左右。试件经7d的标准养生，最后一天浸水。
图1为不同配合比的掺加料下水泥稳定碎石的无侧限抗压强度。从图1中可以看出，在水泥稳定碎石混合料中添加复合掺加料可以有效提高试件的无侧限抗压强度。这是由于脱硫石膏对水泥稳定碎石的孔隙起到了一定的填充加固作用；同时消石灰的微膨胀有提高了试件的密实度，因此增大了水泥稳定碎石的抗压强度。
(2)复合外掺料对温缩性能的影响
试件成型与养护同无侧限抗压强度试验，将养护成型的试件放入烘箱中烘干至恒量，其中测量方法采用的是光纤光栅，如图2，将玻璃载片对称贴在在试件上表面，光纤光栅1固定在玻璃片2上，在粘贴时，需给光纤光栅一个预加力，以便其测量试件的收缩变形。
图3为不同配合比的掺加料下水泥稳定碎石混合料的平均温缩系数图。在水泥稳定碎石混合料中添加恰当配合比的掺加料可以降低试件的平均温缩系数。在柱形图中，没有掺加料的A组的平均温缩系数较大。而加入了掺加料的水泥稳定碎石混合料，其平均温缩系数较没有掺加料的混合料有所降低，最大降低了63.64％，这是由于消石灰与水反应产生微膨胀；但是随着掺加料配合比的改变，试件的平均温缩系数反而增加，说明恰当的配合比才能降低试件的平均温缩系数。
(3)复合外掺料对干缩性能的影响
试件成型与养护同无侧限抗压强度试验，干缩系数测量方法同温缩试验。由图4可以看出，在养生初期，掺加不同配合比的掺加料的各试件都出现了一定程度上的干缩变形。在各条曲线中，I组与J组在试验的前3天处于膨胀状态，试验初期的干缩系数为负值，干缩系数的大小关系为D>B>F>G>E>I>J>H>A>C，其中C组的干缩系数比无掺加料A组的减少了21.84％，这是由于消石灰与水反应产生微膨胀，聚丙烯纤维使其失水面积减小，水分迁移困难。由于配合比的变化，反而使得干缩系数增大。综合整个变形过程可以看出，复合外掺料可以有效地降低水泥稳定碎石基层的干缩系数。
从试验结果可以看出：复合掺加料的水泥稳定碎石材料在改善力学性能的基础上，抗裂性能也得到了明显地提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料，其特征在于，补充剂的质量分数为3%，消石灰的质量分数为0%-1.2%，脱硫石膏的质量分数为0%-1.0%，聚丙烯纤维的体积分数为0%-0.1%，其余为水泥稳定碎石级配集料。
2.根据权利要求1所述的提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料，其特征在于，所述补充剂为贝壳粉。
3.根据权利要求1所述的提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料，其特征在于，所述消石灰的质量分数为0.8%-1.2%，所述脱硫石膏的质量分数为0.6%-1.0%，所述聚丙烯纤维的体积分数为0.06%-0.1%。
4.根据权利要求1或3所述的提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料，其特征在于，所述消石灰中CaO质量比为52%，脱硫石膏中CaSO4的质量比为90%，聚丙烯纤维的长度为10mm~20mm。
5.一种提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将所述外掺料制成圆柱形试件，将试件的上表面磨平，在试件上表面对称贴上玻璃载片；
（2）将光纤光栅的一头与光纤光栅解调仪连接，另外再连接一个光纤光栅，作为温度补偿；
（3）使用环氧树脂胶将光纤光栅上连接光纤光栅解调仪的那一侧黏贴于玻璃片上，观察解调仪此时的数值，沿试件上表面径向拉直光纤，使得解调仪上的数值的增量≥1，此时将光纤光栅的另一侧黏贴于玻璃片上。
6.根据权利要求5所述的提高水泥稳定碎石抗裂性能的复合外掺料测试方法，其特征在于，步骤(3)中粘贴时尽量保持光栅位于试件的圆心处。
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