低温抗裂性能（精选7篇）
低温抗裂性能 篇1
0 前 言
中国高速公路建设到20世纪90年代后进入了全面飞速发展的时期,公路运输事业得到了蓬勃发展,高等级公路建设速度一直保持快速增长势头。截止到2007年底,全国范围内已实现高速公路通车里程为5.3万km[1],其中90%左右的公路为沥青混凝土路面,因为沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能,同时沥青路面还具有建设速度快、维修方便等优点。但是也要看到随着交通量的迅速增长,特别是重型车辆增多,轴重和轮压也相应增大。在行车荷载的反复作用下,沥青路面开裂成为沥青路面的主要早期病害之一。尽管初期裂缝对沥青路面使用性能影响并不是太大,但后期如果有雨水或雪水的浸入,加上大量行车荷载反复的作用,会导致路面整体强度明显下降,产生冲刷和唧浆现象,使裂缝加宽,影响沥青路面的使用。因此,如何提高沥青路面的抗裂性能是沥青路面的重要研究内容,同时也越来越受到人们的重视。
1 沥青混合料低温开裂的破坏机理分析
从细观力学角度出发,沥青混凝土是由沥青基质相、骨料分散相和孔隙三相复合材料组成的,是一种在细观上表现为非均质的多相非金属材料,其宏观力学性能受细观结构控制,宏观的破坏行为是细观尺度上的损伤和断裂行为的累积和发展的结果[2]。从损伤的观点看,材料在荷载作用下的破裂行为是一个不断变化的过程,表现为应变软化、承载力降低、断裂等力学行为,它的体积变形是内部微结构变化的结果。
普遍存在的沥青路面开裂这种破坏形式是由温度骤降和沥青混合料低温脆化引起的拉应力超过材料本身的抗拉强度而引起的,与沥青混凝土本身的断裂特性有直接关系。
一般认为沥青路面的低温开裂有两种形式:一种是由于气温骤降造成面层温度收缩,在有约束的沥青层内产生温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度造成的开裂。此例裂缝多从路面表面产生,向下发展。温度开裂的另一种形式是温度疲劳裂缝,这种裂缝由于沥青混凝土经过长时间的温度循环,使沥青混凝土的极限拉伸应变变小,应力松弛性能降低,将在温度应力小于其抗拉强度时产生开裂。无论是低温荷载裂缝、冻胀裂缝还是反射裂缝都是在外因作用下由于沥青混合料硬化所致,而低温缩裂则是温度下降时内部应力所致[3]。
2 国内外研究现状
路面的低温抗裂问题一直是国际学术界研究的重点内容,沥青的低温开裂问题在国外50年代后期就得到的很高的重视。长期以来沥青面层低温缩裂被认为是材料问题,因为沥青劲度是沥青特性的一个基本指标,麦克劳特采用劲度限制法,认为在预计的最低温度下,如果荷载时间为2 000 s时混合料劲度不大于7.0×103 MPa就不会发生裂缝。加拿大作了大量的低温裂缝调查研究,根据安大略的条件,Fromm和Phang以分段和线性回归法建立了裂缝指数方程式。Hills和Brien根据温度应力与抗拉强度的平衡,提出了预估破裂温度法,并提出了了计算温度收缩应力的公式。我国采用松弛理论计算结果表面,降温速率愈快,则温度收缩应力愈大,并且对于松弛能力差的沥青,降温速率的影响更为显著,温度愈低降温速率的影响也愈显著[3]。美国的SHRP在其沥青混合料技术标准中(Superpave)也包括其低温抗裂性的研究,提出以低温弯曲劲度模量,(60 s劲度)及m(蠕变应变速率)来评价其低温抗裂性。郝培文提出了采用低温压缩应变能这一指标评价混合料低温抗开裂性能的方法[4],该方法的提出是基于材料损伤原理,即沥青混合料在低温开裂时,经过裂缝的引发、亚临界状态增大、和裂缝最后终止三个阶段,根据材料的损伤准则,材料临界应变能密度越大,材料发生破坏所需能量也就越大,材料性能就越好。
沥青混合料是由集料和沥青构成的复杂混合体。沥青混合料的性能受制于集料的特性(如级配形成的骨架结构、石料形状、表明纹理、强度等),沥青的特性(等级、松弛特性、粘聚力等),以及沥青-集料之间的相互作用(粘附性、吸附能力、物理化学反应等)。这些都是影响沥青混合料抗裂性能不可忽视的因素。
3 沥青混合料低温开裂的评价方法
目前世界上有许多试验方法已经用于研究沥青混合料的低温开裂,这些方法为温度开裂模型提供了输入参数,试验方法归纳如下:
3.1 间接拉伸试验(劈裂试验)
该试验方法是通过加载Φ101.6×63.5(mm)的沥青混凝土试件进行加载,从而通过传感器和LVDT来获得沥青混合料的劈裂强度及垂直和水平变形。该法现已利于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)[5]。该法主要目的是为了提供路面设计的力学参数以及用于预测沥青路面的开裂情况
3.2 直接拉伸试验
直接拉伸试验的试件可以根据试验设备及试验要求不同做成小梁试件或做成“八字形”试件等。试验温度和加载速率根据有关规定和要求选用。直接拉伸试验评价指标主要有:拉伸强度、应变及模量。直接拉伸试验因能较好地反映沥青路面的受力状况而被国内外用于沥青路面的低温抗裂研究。通过该试验可以得到沥青混合料的强度-温度关系曲线供预估开裂温度用。
3.3 蠕变试验
我国“八五”科技攻关中提出用弯曲蠕变试验来评价沥青混合料的低温抗裂性能。试件尺寸为30×35×250(mm),试验温度为0 ℃。从弯曲蠕变试验可以得出不同时间的弯曲蠕变劲度及蠕变温度期的应变增长率。低温蠕变试验按其加载方式的不同可以分为直接拉伸蠕变、劈裂拉伸蠕变和弯曲蠕变试验。其中常用的是弯曲蠕变和劈裂蠕变。
3.4 约束试件的温度应力试验
约束试件温度应力试验(The thermal stress restrained specimen test)又称冻断试验,是SHRP计划从众多的试验方法中筛选出来的作为评价沥青混合料低温抗裂性的方法。它能够模拟实际温度变化及混合料实际受力状况,较真实地反映出混凝土的低温抗裂性能。温度应力试验是一个非常有前途的试验,模拟现场条件好,表达直观。
3.5 切口小梁弯曲试验
路面产生开裂是从内部潜在微裂缝扩展开始的,这些微裂缝可来自于材料内部,由于材料、施工等原因而产生。在裂缝尖端可产生高达数倍的应力集中,从而使裂缝发展。今年来,断裂力学在道路工程中的应用越来越广泛,美国SHRP研究计划首次将弹塑性断裂力学的断裂依据J积分作为沥青混合料低温抗裂性能的评价指标之一。
3.6 应力松弛试验
应力松弛试验主要分为弯曲应力松弛试验和压缩应力松弛试验。弯曲应力松弛试验是采用弯曲应力松弛方式,梁下缘受拉相当于路表降温时的情况,试件尺寸5×30× 250(mm),跨径200 mm。中间一点加载,加载速率用50 mm/min,至预定应变水平时保持恒定,梁底应变由跨中挠度求算。弯曲应力松弛试验评价指标主要有:应力松弛时间和应力松弛模量。
3.7 弯曲破坏试验
低温弯曲破坏试验的试验条件各异,国外曾采用82.55×82.55×381(mm)梁的三点加载试验确定沥青混凝土低温劲度模量和抗弯拉强度,弯曲试验在万能试验机上进行。低温弯曲破坏试验的评价指标主要有:弯拉应力、应变及劲度模量。
4 结 语
国内外用于评价沥青混合料的低温抗裂性能的试验方法多种多样,各有特点。但是以上试验方法中,有些方法的试验条件及参数不能同时适应于各种沥青混合料。有些试验方法虽然能模拟现场沥青混合料的力学行为,但试验费用高,无法推广。从试验的可操作性,试验技术难易度、试验工作量大小、试验所得结果与实际情况的相关性和试验的可推广应用性等方面综合比较,劈裂试验和蠕变试验是各个方面都较为优越的试验。 [ID:6208]
参考文献
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[5]JTJ052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].
低温抗裂性能 篇2
1 SAI混合料配合比设计
1.1 原材料试验
本研究各集料采用辽阳小屯产石灰岩石料,各项指标满足规范要求;沥青胶结料采用中国石油盘锦沥青厂提供的SBS改性沥青,试验结果如表1所示:
1.2 级配的选定
关于级配理论,目前常用的是最大密度曲线理论和粒子干涉理论,这是按照不同的粒径相互嵌挤的原则或干涉原则,按一定公式计算的。最大密度线为集料颗粒排列最紧密,而使集料达到最大的密实度。当然,这种情况在设计中应该避免,因为集料之间空隙率很小时,其中很难填充一定的沥青,通常不具有适合的矿料空隙率(VMA)。对于最大粒径为9.5mm以下的SAI沥青混合料,我们通常需要调整级配曲线远离最大密度线以获得较大的VMA。表2列出了美国和科氏公司推荐的SAI级配范围。
从表2中可以看出美国规范和科氏公司推荐的级配范围具有较宽的上下限范围,总的来说,矿料级配属连续级配、密实结构。由于道路的实际情况不同,所以SAI的级配控制方向也会不同。本文根据SAI的特点按级配范围选择了粗、中、细三条级配曲线进行配合比设计,结果如表3所示。
1.3 体积指标的确定
确定最大理论密度的方法不同,对空隙率的影响也不一样。规范中有两种实际测定最大理论密度的方法和计算法。实测的方法主要有溶剂法和真空法,本研究采用计算方法确定最大理论密度。空隙率对于SAI沥青混合料来说是一个重要的体积指标。美国规范推荐的改性沥青混合料SAI的空隙率范围在0.5%～2.5%之间。SAI在具有足够的密实度前提下,可根据道路的实际情况不同而按不同的空隙率进行控制。沥青面层较厚的情况可以适当降低SAI的设计空隙率,而沥青面层较薄的情况可以适当增加设计空隙率以提高该层的抗车辙能力。路面实际压实度要求可以达到最大理论密度的(97±2)%。压实完成后孔隙率应控制在1%～3%之间。
三种试拌级配沥青混合料体积指标测定结果如表4所示。
级配1在最少压实次数下的压实度不满足设计要求,而级配2与级配3各项指标均满足设计要求,但级配3与级配2相比略粗,不利于吸收裂缝尖端应力,因此,级配2被定为最终选取的级配。
1.4 最佳沥青用量的确定
在确定最佳沥青用量的时候采用体积设计法和力学指标法两种方法综合确定沥青混合料的最佳沥青用量。对选定的级配2,分别按沥青用量为7.0%、7.5%、8.0%、8.5%、9.0%制作旋转压实试件,混合料在不同沥青用量下的体积特性结果见表5。
根据表5在设计旋转压实次数(Ndes)下每个沥青胶结料含量的体积特性,最终确定SAI沥青混合料最佳沥青用量为8.5%。
2 低温抗裂试验
2.1 试验方法
本论文采用《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中规定的小梁弯曲试验对SAI沥青混合料进行低温抗裂性能评价,主要检验其抗弯拉强度特性和弹性特性。用车辙试模碾压成型,把车辙试件切割制作成尺寸为30mm×35mm×250mm的小梁试件,试件在恒温箱中保温3h,保温温度为-10℃±0.5℃,在沥青混合料材料性能试验系统(LMT-3)中进行小梁弯曲试验。
2.2 不同类型沥青混合料对比试验
为评价SAI沥青混合料低温抗裂性能,严格按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定对AC-13、AC-20、AC-25、Sup-13、 Sup-20及Sup-25进行配合比设计,其中,除AC-25和Sup-25沥青结合料采用辽河90号沥青外,其余均采用SBS改性沥青,课题组对各种类型沥青混合料分别进行大量的小梁弯曲试验。
经不同类型沥青混合料对比试验可以看出(见图1、图2),SAI沥青混合料抗弯拉强度和最大弯拉应变均大于其他类型沥青混合料,其中最大弯拉应变表现比较显著,比其他类型沥青混合料高出3～4倍。
2.3 沥青用量对SAI低温抗裂性能的影响
从图3中可以看出,沥青混合料小梁弯曲试验中,最大弯拉应变和抗弯拉强度均随沥青用量的增加而增大,换言之,沥青用量对于SAI沥青混合料的低温抗裂性的影响较为显著。
3 结论
(1)本文借助Superpave混合料设计与分析体系对应力吸收沥青混合料进行配合比设计,设计中发现两者之间存在一定差别:Superpave一般在空隙率4%下估算沥青用量,考虑到SAI工程实际特点,其空隙率应控制在1.5%左右;SAI集料最大公称尺寸为4.75mm,Superpave中还没有专门涉及此方面的设计实例。
(2)通过对不同类型沥青混合料进行低温弯曲试验,数据表明SAI最大弯拉应变远远大于其他类型沥青混合料,这也证明了此类材料具有超强的低温抗裂性能。
(3)通过对SAI沥青混合料进行不同沥青用量下的小梁弯曲试验,结果表明:要进一步提高SAI沥青混合料的低温抗裂性能,在满足设计及工程需要的前提下,适当增加沥青用量是一个有效的途径,但同时要考虑应力吸收层用途中是否考虑高温抗变形能力的均衡性。
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低温抗裂性能 篇3
1 沥青材料
1.1 橡胶改性沥青
橡胶沥青是通过一定的生产工艺将橡胶粉加入沥青中得到的改性沥青结合料。由于在环保方面的特殊作用及其优良的技术性能,橡胶沥青在各种改性沥青中独树一帜,近年来日益引起工程界的关注。利用废橡胶粉改性沥青首先是出于环保上的考虑,其次是废旧轮胎的二次利用。我国的废旧轮胎每年的形成量很大,并有逐年增多的趋势,除橡胶工业和其他行业使用外,有相当的余量(据测算每年可生成多余的橡胶粉超过10万t)[1],不及早处理将成为公害。本次研究从经济成本、生产方便以及高号沥青比低号沥青有较好的抗老化性能和抗疲劳开裂性能[2]等因素考虑,材料配制采用货车轮胎粉(细度为60目),基质沥青为辽宁盘锦AH-90号重交通沥青;制备采用湿法工艺,将基质沥青加热到180 ℃,加入设定剂量的橡胶粉,采用高速剪切机进行搅拌,速度为3 000 r/min,反应时间60 min。
1.2 其他沥青材料
从修补材料的普遍使用角度来看,目前我国裂缝修补材料大多采用的是热沥青。原因主要因为热沥青在各种裂缝填封材料中成本较低,质量也较为稳定,施工人员对热沥青的制备及使用经验也比较丰富。所以在许多情况下,将热沥青作为裂缝填封材料是一种较佳的选择,而且有文献资料[3]表明热沥青作为填封材料的比例较高。但是,修补裂缝破损,对其填封材料的要求通常是较高的,而一般的沥青结合料柔韧性稍差、温度敏感性较大,不适用于气温变化很大的地区。
2 几种沥青材料的低温抗裂性试验研究
沥青材料的低温抗裂性能指标一直是沥青材料研究的重要内容,我国“八五”科技攻关专题对各种试验方法也作了比较,选择了低温延度及当量脆点T1.2作为沥青低温抗裂性能的评价指标。本文针对橡胶沥青的性能特点,选择了低温延度、脆点两个指标来客观地评价其低温性能。
1)关于低温延度的试验:
本次研究在做延度试验时,选用了5 ℃,15 ℃两种不同温度、拉伸速率为5 cm/min来测定修补材料的低温延度。试验数据如表1所示。
2)关于脆点的试验研究:
传统的低温开裂性能指标采用的是弗拉斯脆点,但它的缺点是试验用的刚片刚度不一,试验结果偏差大,重复性差,并且耗时费力。对于我国含蜡量较多的沥青来说,其脆点虽低,但冬天开裂情况仍相当严重[5]。因此弗拉斯脆点失去了评价沥青低温抗裂性能的作用。考虑本试验研究所选用的SBS改性沥青、橡胶沥青,均是由含蜡量较高的基质沥青改性生成,故本试验选用了已提出的当量脆点T1.2指标间接校正。采用10 ℃,15 ℃,25 ℃,30 ℃四种温度的针入度,经曲线回归计算得到的回归系数值来计算当量脆点T1.2,作为评价沥青低温抗裂性的指标。试验的数据如表2所示。
利用公式: logP=AT+K (1)
其中,P为针入度,0.1 mm;T为温度,℃;A,K均为回归系数。
以下为三种材料的拟合曲线回归方程:
重交通90号沥青的回归方程为:logP=0.049T+0.669;SBS改性沥青回归方程为:logP=0.037 4T+0.879;橡胶粉改性沥青回归方程为:logP=0.034T+0.998;将已求得的回归系数代入公式:
3 试验分析
1)从低温延度试验来看,5 ℃,15 ℃两种情况下橡胶沥青与SBS改性沥青拉伸后的断面是相同的,唯有90号沥青是针丝状;橡胶沥青的延度最小,SBS改性沥青其次,而基质沥青最大;这并不能说明橡胶沥青的低温性能不好,经过查阅资料[6]得如下解释。
改性沥青与基质沥青的拉伸延度应采用不同标准,试验的结果表明用试验选用的两种温度,衡量基质沥青与改性沥青的低温延度是不可行的。从三种材料的性能上看,SBS改性沥青的改性剂SBS可在基质沥青内部形成网络加劲结构,当延度试件受拉时,在低温下的网络节点不具有可塑性,该固定的网络节点可拉动整个加劲网络共同受力变形,因此,延度指标可以用来评价SBS改性沥青的低温性能;橡胶沥青靠胶粉颗粒周围凝胶膜连接,未能形成像SBS一样的加劲网络结构,延度试件在5 ℃,15 ℃受拉时,基质沥青比胶粉颗粒模量低,在拉伸方向产生较大的应变,自由沥青的大变形能力和橡胶颗粒的低流动能力的矛盾趋于尖锐,诱发橡胶颗粒与沥青界面的应力集中,导致试件提前拉断。
鉴于以上分析,5 ℃,15 ℃延度不宜用来评价橡胶沥青的低温性能,且常温延度指标也不宜用来评价橡胶沥青的拉伸性能。
2)从当量脆点的计算结果来看,橡胶沥青的低温抗裂指标——脆点的温度要低于SBS改性沥青与重交通90号沥青,这从很大程度上说明了在冬季严寒地区作为裂缝修补的可行性与有效性。
4 结语
1)通过对沥青的低温抗裂性指标试验的研究,得出橡胶沥青这种材料的当量脆点要好于其他两种沥青材料,而延度试件在低温5 ℃,15 ℃受拉时,延度值要小于其他两种沥青。2)通过分析,得出传统的5 ℃,15 ℃温度下延度值不能作为橡胶沥青这种材料的低温延度指标标准或唯一标准。3)改性沥青的低温抗裂性指标未必全优于基质沥青,本例的试验说明仅满足其中一项即可。4)通过本次试验及结果,能够为橡胶粉改性沥青在低温时优越的抗裂性能指标提供充分的数据,进而间接考证在我国季冻区路面裂缝修补时这种材料作为裂缝修补时低温抗破坏的有效性。
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低温抗裂性能 篇4
1 原材料性质及试验方法
1.1 原材料性质
本研究所用的原材料有水泥、碎石及河砂 (细度模数2.6, 为中砂) , 其主要技术性质见表1, 表2。
1.2 矿料级配
1.2.1 集料级配确定方法
按嵌挤原理确定粗骨料用量, 然后粗骨料的空隙由次一级颗粒所填充, 其余空隙又由再次一级颗粒所填充, 这种既有嵌挤又有填充的集料在理论上应该是摩阻力、凝聚力和密实度最好的混合料。具体计算过程如下:20 mm～30 mm集料其视密度为2.68 g/cm3, 集料最大干密度一般在1.9 g/cm3～2.1 g/cm3, 考虑到施工中粗料不可能按理想嵌挤原理排列, 所以其空隙率比理想值会略大, 计算时取空隙率为50%, 20 mm～30 mm集料重量占混合料总重的百分比约为 (1-50%) ×2.68/2=67%, 10 mm～20 mm集料重量不得超过剩余重量 (1-67%) ×67%=22%, 0.5 mm集料用量为7%。
在上述计算的基础上, 本文保证大骨料20 mm～30 mm集料占总骨料的67%不变, 根据筛分结果及部分击实试验结果, 按最大密实度原则对10 mm～20 mm集料、0.5 mm～1 mm集料用量分别作了调整, 调整后的集料组成见表3。
1.2.2 主骨料与细料比例的确定
按照骨架密实结构的特点, 骨料形成骨架嵌挤结构, 细集料 (砂) 和水泥作为结合料填充骨料的空隙, 形成密实结构, 从而达到混合料整体最大密实度。考虑到施工中粗集料用量偏大可能会导致离析, 本文参照水泥混凝土配合比设计方法, 确定砂用量为35%, 骨架密实混合料级配A的组成见表4。
作为对比, 本文还采用了JTJ 014-97公路沥青路面设计规范所推荐级配B, 其组成见表5, 经比较可见, 本文推荐的骨架状态是嵌入式。两种结构水泥用量均采用5%, 即水泥∶集料=5∶95。
1.3 试验方法
1.3.1 试件成型
试件成型前首先进行重型击实, 求出混合料的最大干密度和最佳含水量, 其结果见表6。
然后按最大干密度和最佳含水量以97%的压实度制作成型试件, 试件为10 cm×10 cm×40 cm梁和ϕ15 cm×15 cm圆试件, 在标准养生条件下养生90 d。
1.3.2 收缩系数测试方法
试验时将试件在养生到期前一天进行浸水养生24 h, 然后取出进行电测试件的制作。最后接入应变仪半桥电路进行温缩或干缩系数的测定, 温缩试验50 ℃～-30 ℃, 干缩试验温度采用40 ℃。
2 路用性能研究
2.1 无侧限抗压强度试验结果及分析
两种结构类型的水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度试验结果见表7。
由表7可知A组强度明显高于B组, 其中180 d龄期的A组强度比同龄期的B组高达51%, 这是因为水泥稳定碎石基层材料其强度主要由骨料与骨料间作用、细料与水泥水化产物形成的胶结料以及胶结料与骨料间作用所决定, A组混合料的骨料构成紧密骨架结构, 且胶结料能够以最大密度填充孔隙, 从而使骨料的嵌挤作用与胶结料的胶结作用都得到了充分的发挥, 所以表现出比悬浮结构的B组具有更好的力学性质。
2.2 抗冻性能
材料的抗冻性能可以通过一定次数的冻融循环作用后的强度下降情况来表征, 试件在养生至相应龄期后开始进行冻融循环试验, 冻融前将试件浸泡一昼夜, 并将试件放入-20 ℃冷冻箱中冻结4 h后将试件取出放入20 ℃的水中浸泡20 h, 然后再放入冷冻箱开始进行第二个循环, 如此循环5次, 最后将试件进行无侧限抗压试验, 试验结果用耐冻性系数K表示 (K=冻融强度/未冻融强度) , 如表8所示。
从表8可以看出, A组抗冻性能优于B组, 分析其原因, 水泥稳定碎石材料为多空隙材料, 这类材料受冻融循环作用时, 其内部空隙水冻胀产生的液体膨胀压力和溶液部分结冰时引起渗透压力将重复对材料的空隙壁产生挤压破坏作用, 在冻融循环反复作用下, 水泥稳定碎石材料强度逐渐下降, 产生薄弱面或者在薄弱面发生开裂破坏。骨架密实结构水泥稳定碎石一方面因为其密实度要大于悬浮结构的密实度, 也就是说A组空隙率要小于B组, 因而饱水后其含水量较悬浮结构的B组为少, 水结冰引起膨胀压力及渗透压力对材料的破坏作用相对来说要小;另一方面是骨架密实结构使得混合料整体强度得以提高, 从而冻融循环对其破坏作用相对来说就显得更小, 表现为骨架密实结构的A组抗冻性能明显要高于悬浮结构的B组。
3 抗裂性试验与结果分析
3.1 干缩性能
采用静压法在其最大干密度和最佳含水量时制成的10 cm×10 cm×40 cm梁试件, 将养生至89 d的试件饱水24 h后, 采用电测法对其进行干缩系数的测试, 试验结果见表9。
由表9可以看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石90 d龄期的平均干缩系数αd比悬浮结构水泥稳定碎石的要小31.5%, 比最大干缩系数αdmax要小29.4%, 干缩的产生是因为伴随着水分蒸发和水化反应进行, 材料内部水分的减少而发生毛细管作用、吸附作用、分子间力作用、材料矿物晶体或凝胶体间层间水的作用和碳化作用等会引起水泥稳定碎石材料产生体积收缩, 颗粒间的约束与牵制作用加强, 同时因其空隙率较小, 受毛细管张力、吸附水和分子间力作用以及层间水作用相对来说也较小, 所以其干缩性能要优于悬浮结构水泥稳定碎石。
3.2 温缩性能
将养生90 d的梁试件 (10 cm×10 cm×40 cm) 烘干后用电测法进行温缩系数的测定, 平均温缩系数试验结果:A为-9.43×10-6;B为-11.21×10-6。
由试验结果可看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石其平均温缩系数比悬浮结构的要低。这是因为A组混合料孔隙率小于B组, 所以材料受孔隙中水的扩张作用, 毛细管张力作用及冰冻作用影响相对来说就比较小, 从而表现为A组温度收缩性能优于B组, 另外还可以理解为随温度下降材料发生收缩, 混合料的各种材料的温度收缩系数各不相同, 因而试件内部各材料必定处于受力状态, 如果结构处于悬浮状态, 那么内应力的作用使其颗粒之间有机会挤压孔隙, 较小的孔压要平衡作用其颗粒上的内应力, 势必要通过缩小体积增大孔压, 从而表现出较大的温度收缩系数, 若结构处于“骨架接触及孔隙结构”状态下, 那么内应力作用只能使颗粒之间相互挤压, 而颗粒的压缩性毕竟有限, 所以表现为较小的温度收缩系数。
3.3 劈裂强度
试件为ϕ15 cm×15 cm的圆柱体, 在标准条件下养生至规定龄期后, 饱水24 h后测定劈裂抗拉强度, 试验结果见表10。
由表10可以看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石的间接抗拉强度明显得到了提高, 提高幅度一般在40%左右, 其主要原因是骨架密实型水泥稳定碎石材料其骨料的嵌挤作用和胶结料的胶结作用都得到了充分的发挥, 所以表现出A组材料的抗拉强度优于B组的抗拉强度。
4 试验路验证
试验路铺筑在河北省辛集市307国道改建K264+200～K264+800段, 其中K264+200～K264+500处为悬浮结构水泥稳定碎石, K274+500～K264+800处为骨架密实结构水泥稳定碎石, 两试验段路面结构相同, 3 cm沥青石屑+6 cm沥青碎石+18 cm水泥稳定碎石+20 cm石灰土, 试验路于2006年9月竣工通车。
试验路经过两个冬天, 路面结构经历了最不利情况干缩作用和最不利季节的温缩作用以及春季的春融和行车荷载的共同作用, 分别于2007年4月6日和2008年4月2日对试验路进行了路面裂缝情况的调查, 具体结果见表11。
由表11可以看出, 骨架密实结构水泥稳定碎石路段的开裂程度明显小于悬浮结构水泥稳定碎石路段开裂程度, 其横向平均缝距都比悬浮结构要大近1倍左右, 从而大大减轻了沥青路面的开裂, 提高了道路的使用品质。
5结语
1) 骨架密实结构水泥稳定碎石强度明显高于常规级配水泥稳定碎石材料;2) 骨架密实结构水泥稳定碎石各龄期的耐冻系数均大于90%;3) 骨架密实结构水泥稳定碎石具有较高抗拉强度, 较低的温缩系数、干缩系数, 从而表现出良好的抗裂性能。
参考文献
[1]同济大学道路交通研究所.半刚性基层路面[M].北京:人民交通出版社, 1998.
[2]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社, 2004.
[3]丁志强.水稳碎石基层施工的质量控制[J].山西建筑, 2007, 33 (15) :242-243.
低温抗裂性能 篇5
水泥稳定碎石作为在高等级公路中使用广泛的半刚性基层,其反射裂缝一直没有得到很好解决。由于水泥稳定碎石和水泥混凝土均为水泥基材料,从原理上看,减缩剂应该也可以大幅降低水泥稳定碎石的反射裂缝,这对延长半刚性基层沥青路面使用寿命具有重大意义。因此,本文重点研究减缩剂对水泥稳定碎石抗裂性能的影响。
1 配合比设计与击实试验结果
1.1 试验材料
1.1.1 水泥
采用32.5级普通硅酸盐缓凝水泥,其性能指标见表1。
1.1.2 集料
集料为浦东路桥的石灰岩,公称最大粒径为19 mm,压碎值和洛杉矶磨耗值分别为18%和21.2。
1.1.3 减缩剂
采用河南某公司生产的减缩剂,为天然油脂合成的特殊结构醇醚,无毒、无刺激性,室温下呈白色蜡状体。与各种助剂、添加剂配伍性好,耐酸、耐碱,抗氧化。掺加方法为先溶于水后掺入。
1.2 级配设计与击实试验结果
级配按照交通部西部交通科技项目“重载交通长寿命沥青路面关键技术”研究的要求,采用沙庆林院士开发的SAC间断级配设计方法[3]进行计算。26.5 mm、4.75 mm、0.075 mm的通过率分别为100%、36%和5%,得到的级配见表2。
试验用水泥用量为5%,减缩剂减量为0、1%,2%、4%,代号分别为A5、A5+B1、A5+B2、A5+B4。最佳含水量和最大干密度采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057—94)丙法进行。
试验结果显示,4种配合比的最大干密度均为2.35 g/cm3,最佳含量分别为5.8%,5.3%,5.2%和5.2%。由此可以看出,掺入减缩剂后,最大干密度不变,最佳含水量减小。这主要是由于减缩剂为表面活性物质,能减小水泥-水的表面张力,释放出部分被水泥包裹的水。
2 性能试验方法
2.1 试件制备与成型
按最佳含水量和98%最大干密度配料,抗压强度和劈裂强度试件尺寸为15 cm×15 cm,平行试件为6个。干缩试验采用压力机静压成型,试件尺寸为10 cm×10 cm×40 cm,每个方案各3根梁。
2.2 抗压强度、劈裂强度和劈裂应变试验
劈裂强度按现行规范[4]进行。由于现行规范没有劈裂应变试验方法,故按同济大学林绣贤[5]提出的方法进行,即在测劈裂强度的同时,用传感器测竖向位移,然后计算劈裂应变。
2.3 收缩试验
干缩试件脱模后用塑料袋密封,置于温度为(25±2)℃的标准养护室保湿养生7 d,之后,取出放在玻璃板上,在室内自然湿度下风干,测定不同失水率的收缩情况。目前,测定半刚性基层材料干缩特性尚无统一的标准,本次试验利用手持应变仪(精度0.001 mm)测量中梁的干缩变形,试验持续到含水量不再减小,试件体积基本不变为止。
3 试验结果与分析
3.1 掺减缩剂水泥稳定碎石力学性能试验
3.1.1 抗压强度试验结果
图1为7 d、28 d、90 d掺与不掺减缩剂水泥稳定碎石抗压强度结果。
从图1中可以看出:(1)对于7 d龄期,掺入减缩剂后,抗压强度略有下降,可能与减缩剂的引气和缓凝作用有关。(2)对于28 d龄期,掺入减缩剂后,随着掺量的增加,抗压强度增加。减缩剂也能分散水泥-水絮凝结构,使得水泥分散均匀,同时其有部分减水作用。(3)对于90 d龄期,掺入减缩剂后,抗压强度增加。(4)随着龄期的增加,各配合比抗压强度增加。
综上所述,掺减缩剂7 d和90 d强度变化规律不尽相同,后期抗压强度均有增加。
3.1.2 劈裂强度试验结果
图2为7 d、28 d、90 d掺与不掺减缩剂水泥稳定碎石劈裂强度结果。
从图2中可以看出:(1)对于7 d、28 d和90 d龄期,随着掺量的增加,劈裂强度先上升后下降,对于本例存在最佳掺量为2%。(2)随着龄期的增加,各配合比劈裂强度增加。
3.1.3 劈裂应变试验结果
劈裂应变是评价水泥稳定碎石抗裂性的重要指标,图3为7 d、28 d、90 d掺与不掺减缩剂水泥稳定碎石劈裂应变结果。
由图3可以看出:(1)对于7 d龄期,随着减缩剂掺量的增大,劈裂应变减小。(2)对于28 d和90 d龄期,掺入减缩剂,劈裂应变减小,但随着掺量的不同,略有波动,掺量在2%～4%间,劈裂应变较大。(3)随着龄期的增加,各配合比劈裂应变减小,且28 d与90 d龄期劈裂应变比较接近。由此可知,掺减缩剂后劈裂强度增加,劈裂应变反而减小,这对水泥稳定碎石抗裂性是不利的。
3.2 掺减缩剂水泥稳定碎石收缩性能试验
3.2.1 失水率与暴露时间的关系
干缩试件养生7 d后置于干燥空气中,其失水率与暴露时间的关系如图4所示。
由图4可以看出:(1)失水率随着暴露时间的增加而增加。初期失水较快,后期失水较慢,大约暴露20 d后趋于稳定。(2)掺减缩剂水泥稳定碎石失水率比不掺的要小,这可能与初始含水量有关,由于减缩剂减水作用导致其失水也少。
3.2.2 干缩应变与暴露时间的关系
图5为干缩试件置于空气中收缩与暴露时间的关系。
由图5可以看出:(1)干缩应变随暴露时间的增加而增加。干缩应变在暴露初期(7 d)和后期接近风干状态时增加缓慢,而在暴露中期增加很快。(2)从最终干缩变形来看,掺减缩剂水泥稳定碎石干缩均比未掺的要小,掺量越大,减缩效果越好;但从2%增加到4%,减缩效果不明显增加。其原因在于,减缩剂主要靠减小水的表面张力来减少收缩,但存在一极值,即减缩剂掺量增加,其减缩效果不再明显增加。
各配合比收缩变形汇总如表3所示。
从表4可以看出,掺入减缩剂后,有效地减小了水泥稳定碎石的最终收缩变形。掺1%、2%和4%减缩剂后减缩率分别为37.3%、53.3%和57.6%。
4 水泥稳定碎石抗裂评价
4.1 抗裂评价指标
水泥稳定碎石基层开裂是由于材料内部干缩应变、温缩应变及行车荷载作用下产生的总应变超过其极限拉应变所致。鉴于以上2个因素,提出采用抗裂系数作为水泥稳定碎石的评价指标,即:
式中:CR为抗裂评价系数,其值愈大,表征材料的抗裂性愈好;εd、εt、εp和εl分别为最大干缩应变、最大温缩应变、最不利荷载时水泥稳定碎石层底拉应变和劈裂应变。
对于水泥稳定碎石铺筑后尚未通车时的抗裂系数,上式中省略最不利荷载时水泥稳定碎石层底拉应变。
长安大学的胡力群博士[6]通过大量试验,得到水泥稳定碎石的平均温缩系数如表4所示。
注:表中悬浮密实结构、骨架密实结构水泥稳定碎石水泥用量为4%～6%,骨架孔隙结构水泥碎石水泥用量为6%～10%。
由表4可知,水泥稳定碎石温缩系数较小,且不同类型水泥稳定碎石温缩系数相差不大,因此温缩应变对抗裂系数的结果影响不大。
基于以上两点考虑,本文采用简化的抗裂系数作为抗裂评价指标。
式中:CR为抗裂系数。εd和εl分别为最大干缩应变和28 d标养的劈裂应变。
4.2 抗裂评价结果
采用上述简化的抗裂系数对掺与不掺减缩剂水泥稳定碎石进行了抗裂评价,结果见图6。
由图6可以看出,掺减缩剂后抗裂系数明显增加,但掺量从2%增加到4%,抗裂系数增加不显著,而减缩剂价格很贵,达1万元/t。因此,综合考虑技术经济指标,掺减缩剂最佳掺量为2%。
5 结论
(1)掺减缩剂水泥稳定碎石最佳含水量随掺量的增加而减小。
(2)掺减缩剂水泥稳定碎石90 d抗压强度和劈裂强度随掺量的增加先增加后减小。掺减缩剂水泥稳定碎石90 d劈裂应变随掺量的增加无明显规律,但均比不掺的要小,不利于抗裂性能的提高。
(3)掺减缩剂水泥稳定碎石干缩应变随掺量的增加而减小,具有良好的减缩效果。
(4)综合力学性能试验结果、收缩试验结果和经济评价,在水泥稳定碎石中减缩剂的最佳掺量为2%。
参考文献
[1]卞荣兵,马存前,刘姝,等.新型混凝土减缩剂评价研究[J].建筑材料学报,2005,8(4):436-439.
[2]王迎飞,马保国,黄雁飞.混凝土阻裂外加剂功效性试验研究[J].武汉理工大学学报,2006,28(12):41-44.
[3]沙庆林.多碎石沥青混凝土SAC系列的设计和施工[M].北京:人民交通出版社,2005.
[4]JTJ057—94公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].
[5]林绣贤.路面材料劈裂模量简化公式的建议[J].华东公路,1991,(6):24-28.
[6]胡力群.半刚性基层材料结构类型与组成设计研究[D].西安:长安大学,2004.
[7]JTGD50—2006公路沥青路面设计规范[S].
低温抗裂性能 篇6
水泥稳定钢渣碎石基层具有稳定性好、抗冻性能好、结构本身自成板体整体性强、强度高、刚度大以及抗行车疲劳性能较好的特点。但水泥稳定碎石混合料由于对周围环境温度和湿度的变化比较敏感, 水泥稳定钢渣碎石材料经拌合压实后, 湿度变化时由于蒸发和水泥水化作用, 混合料的水分不断减少, 在强度形成过程中以及营运期间会产生温缩裂缝, 并加剧路面的破坏, 缩短路面的使用寿命。
本文对水泥稳定钢渣碎石不同水泥剂量、含水量、级配类型、碎石掺量的干缩试验结果进行研究分析, 得出影响水泥稳定钢渣碎石抗裂性能的关键因素以及碎石掺配的合理范围, 找出减少水泥稳定钢渣碎石基层产生干缩裂缝的影响因素, 旨在通过选择适合的水泥剂量和碎石掺配比例减少干缩对混合料性能的影响, 提高水泥稳定钢渣碎石混合料的路用性能。
1 水泥稳定钢渣碎石的干缩性能研究
1.1 干缩机理
干燥收缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、“吸附水分子间作用”、矿物晶体或胶凝体的“层间水作用”以及“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。水泥稳定材料经拌合压实后, 湿度变化时由于蒸发和混合料内部发生水化作用, 混合料的水分不断减少, 发生的毛细管作用、吸附作用等引起混合料产生体积收缩。
1.2 试验方法
干缩系数采用千分表测试。采用静压法成型棱柱体试件, 制备了100mm×100mm×400mm的梁式试件, 在标准的温度25℃和湿度50%左右的条件下养护7天后, 将饱水后的试件表面水擦干, 按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 (JTG E51-2009) 的规定, 放置在自制的干缩仪上进行干缩试验, 具体步骤如下:
①检测:从移入干燥室的时间起计算, 读记千分表读数, 第1天为6小时一次, 第2~5天为12小时一次, 之后24小时一次, 直到含水量基本不变为止。
②用毛巾将饱水后的试件表面可见自由水擦干后, 用游标卡尺测定其初始长度, 并称取试件的初始质量;该过程注意轻拿轻放, 不要使试件损失质量。
③收缩仪连同试件一起放入干缩室。用快干胶粘贴小玻璃片在试件的顶端, 将千分表头顶到试件的玻璃片上, 使表针走动到较大值, 待所有试件架好后归零。
④从移入干缩室的时间算起, 在开始试验的一个星期内, 每天读数1次, 记下每个试件的每个表的读数, 并称量标准试件的质量;7天后每2~3天读一次数, 至30d后。60d、90d读数, 结束干缩观测, 将试件放入烘箱内烘至恒重;取失水前后千分表的读数差及试件的质量差计算干缩应变及失水率。
⑤利用测得的干缩量和相应的水分损失量进行计算。
2 水泥稳定钢渣碎石干缩性影响因素
2.1 含水量对干缩性能的影响
按骨架密实型级配进行干缩试验, 钢渣和碎石比例为60:40, 按各粒级通过率取中值, 见表1。
试验组合见表2, 不同水泥剂量下的最佳含水率———最大干密度曲线图见图2, 5.0%水泥含量下不同含水量的干缩试验结果见表3。
由图3可以看出, 随着含水量的增大, 干缩应变增大;含水量减少, 干缩应变减小。但随着时间的推移, 干缩应变变化不大, 这是因为随着时间的推移水分的蒸发速度减小, 最后趋于不变。由图4看出, 随着失水率的增大, 干缩系数呈增大趋势, 含水量越小失水率也越小。最佳含水量状态下干缩系数增加平缓, 含水量大, 干缩系数随着失水率的增大而增长明显。
2.2 水泥剂量对干缩性能的影响
按骨架型级配配合比A1进行干缩试验, 碎石和钢渣比例为40:60, 按各粒级通过率取中值, 如表4所示, 进行不同水泥含量条件下的干缩试验, 试验结果见表4。
由图6可以看出, 水泥剂量越大, 干缩应变也就越大;干缩系数随着时间的增长逐渐趋缓, 且不同水泥剂量的干缩应变趋于一致。由图6看出水泥剂量愈高, 干缩应变也就愈大;随着水分的散发, 水泥稳定碎石混合料干缩应变和干缩系数逐渐增大。随着水泥剂量增加, 混合料干缩系数及干缩应变增大, 水泥稳定钢渣碎石随着水泥剂量的增加抗干缩能力减弱。水泥剂量的增加使水泥与集料在有水参与下反应生成物数量增加, 凝胶孔增多, 毛细孔也相应增多, 所以整体材料的比表面积和孔隙率增大, 扩大了表面张力、吸附力及分子间力以及层间水作用范围, 使材料的干燥收缩性变大。
2.3 级配对水泥稳定钢渣碎石干缩性能的影响
水泥稳定碎石混合料干燥收缩是指由于其内部含水量的变化而引起整体宏观体积收缩的现象。因此含水量是影响水泥稳定碎石混合料干燥收缩最重要的因素。它影响着材料的干缩程度和干缩规律。表征混合料干缩抗干缩能力的指标有混合料干缩应变及干缩系数。如果干缩应变过大, 则在水分散发的过程中混合料将产生过大的干缩, 在沥青层、底基层及基层板体本身的联合约束下基层本身将不能自由收缩, 从而形成混合料内部拉应力, 此拉应力, 便产生微裂缝。在车辆荷载的作用下, 微裂纹扩展, 反射到沥青面层并形成反射裂缝, 所以在混合料设计中, 应选择干缩应变及干缩系数小的混合料配合比。
选用骨架型级配配合比A1 (掺配比例碎石40%、钢渣60%, 水泥剂量3%、4%、5%) 、密实型级配配合比B1 (掺配比例碎石20%、钢渣80%, 水泥剂量3%、4%、5%) 不同水泥剂量的干缩系数, 对比这两种碎石掺量的级配形式下干缩系数的大小, 试验结果见图7。
由图7分析得知, 随着水分的散失, 水泥稳定钢渣碎石混合料干缩应变和干缩系数逐渐增大, 40%碎石掺量混合料的干缩应变和干缩系数都小于20%碎石掺量混合料。呈现上述趋势的原因是:钢渣的比表面积比碎石较大, 随着碎石的增加钢渣数量减少, 混合料的比表面积和孔隙率减少, 表面张力、吸附力及分子间力以及层间水作用范围减小了, 在宏观上表现为干缩系数的减小;适当的碎石掺量, 一定程度提高了骨架结构的密实, 混合料内部形成了更密实的结构, 颗粒之间的嵌挤力作用强, 颗粒之间约束与牵制作用大, 而且内部较小的孔隙率也限制了材料收缩的空间, 所以其干缩系数比碎石掺量少的要小。即在掺量20~40%范围内, 干缩系数的大小也是随着碎石掺量的增加而减少, 掺量40%时混合料的干缩系数最小, 可得出, 碎石的掺入, 对级配组成有很大影响, 进而进一步影响干缩系数。
3 结论
通过上述试验研究初步得出了水分、水泥、碎石掺量对干缩系数的影响规律:①随着水分的散发, 水泥稳定钢渣碎石混合料干缩应变和干缩系数逐渐增大;含水量愈大, 干缩应变和干缩系数也就愈大。②随着水泥剂量增加, 混合料干缩系数及干缩应变增大, 水泥稳定钢渣碎石随着水泥剂量的增加抗干缩能力减弱。③碎石掺量在20~40%范围内, 干缩系数的大小随着碎石掺量的增加而减少。
依据以上结果, 在水泥稳定钢渣碎石混合料设计中应选择适合的水泥剂量和碎石掺配比例, 以减少干缩对混合料性能的影响, 提高水泥稳定钢渣碎石混合料的路用性能。
摘要：本文对水泥稳定钢渣碎石不同水泥剂量、含水量、级配类型、碎石掺量的干缩试验结果进行研究分析, 得出影响水泥稳定钢渣碎石抗裂性能的关键因素以及碎石掺配的合理范围, 找出减少水泥稳定钢渣碎石基层产生干缩裂缝影响因素。
关键词：水泥稳定钢渣碎石,干缩,抗裂性能
参考文献
[1]朱明, 胡曙光, 丁庆军.钢渣用作水泥基材料的问题研讨[J].武汉理工大学学报, 2005 (6) :48-52.
[2]YBJ 230-91, 中华人民共和国冶金行业标准[S].钢渣混合料路面基层施工技术规程.北京:国家发展与改革委员会, 1991.
[3]JTG D50-2006, 中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社, 2006.
[4]JTG E51-2009, 中华人民共和国交通部.公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].北京:人民交通出版社, 2009.
水工自密实混凝土的抗裂性能 篇7
开裂是由混凝土的体积变化、不同类型和不同程度的约束以及环境条件等综合因素所导致的。从材料本身来看, 混凝土是一种非匀质的复杂多相脆性材料, 抗拉强度低, 易于开裂, 而且本身内部存在孔缝等诸多缺陷。从能量角度看, 原有裂缝的扩展比新生成裂缝容易。因此, 混凝土内部存在的早期可见与不可见裂缝是裂缝扩展的源头。显然, 控制混凝土在约束条件下产生早期开裂是一个最本质、最敏感的问题, 直接影响到混凝土结构的整体性、耐久性。收缩变形是混凝土体积变形的一种重要形式, 包括塑性收缩、自收缩、干燥收缩以及温度变形。混凝土收缩开裂趋势的研究已成为混凝土科学的一个重要研究方向。导致混凝土产生裂缝的原因很多, 涉及到混凝土的原材料组成、配合比、施工以及服役环境条件的作用。
以下主要从混凝土原材料和配比优选角度来改善混凝土的抗裂性能。
2 低水化放热胶凝材料的选择
胶凝材料特别是水泥的水化作用是一个放热反应, 释放出的热量将导致混凝土体系内部的温度上升, 导致大体积的混凝土结构内部与周围环境之间存在温度差, 并有可能出现过大的温度应力导致混凝土结构产生裂缝。为了提高水工自密实混凝土的抗裂性能, 优选低水化热的胶凝材料非常重要。本文通过对比测试不同胶凝材料组成的混凝土的温升来优化配制自密实混凝土所需的低水化热的胶凝材料。
2.1 温升试验材料技术指标
温升对比试验所选的胶凝材料包括普通硅酸盐水泥 (P.O) 、石灰石粉 (LS) 、粉煤灰 (FA) 、矿渣 (SG) 。各胶凝材料的化学组成及其颗粒粒径如表1所示, 其中石灰石粉的含量为87.8%, 45μm方孔筛筛余为4.6%。试验测试了4个不同试件的温升。试验按照自密实混凝土进行配合比设计, 试件采用不同的矿物掺合料 (粉煤灰、矿渣以及石灰石粉) 分别取代30%的水泥, 各试件采用的相同水胶比 (W/B) 为0.40, 试件的浆体体积含量 (Vp) 有两种, 分别为0.37和0.40, 粗细骨料分别为5 mm~25 mm的碎石和河砂, 各试件的砂率 (γ) 均相同, 为42%。
试件 (15 cm×15 cm×15 cm) 水化温升测试结果如图1所示。
2.2 温升对比试验结果
从图1所示结果可知, 在相同的浆体体积含量下, 掺15%FA+15%SG试件的温升最高, 掺30%FA试件的温升次之, 而掺30%LS试件的温升最小。掺石灰石粉对降低混凝土试件的水化放热温升效果最好。这主要是由于不同掺合料水化活性存在一定差异造成的, 矿渣具有潜在水化活性, 二次水化反应较快, 放出的水化热较大, 而粉煤灰的水化活性较差, 二次水化反应所放出的热量较小, 石灰石粉是惰性掺合料, 几乎没有水化活性。由于自密实混凝土的浆体含量较多, 因此, 选择水化放热较低的掺石灰石粉、粉煤灰的胶凝材料。另外还可看到, 相对于环境温度, 各试件的温度要高5℃~8℃;各试件的水化放热的变化规律基本相似, 各试件大约在水化经历24 h达到最高温升。
3 自密实混凝土干缩性能
3.1 不同胶凝材料组成对自密实混凝土干缩的影响
试验主要考虑了粉煤灰 (FA) 掺量、石灰石粉 (LS) 以及水胶比 (W/B) 降低等因素对自密实混凝土干缩值的影响, 各试件的配合比如表2所示。试件收缩值从试件成型1 d拆模后开始测量各试件的干缩值随龄期的变化, 结果如图2所示。
从图2所示的结果可知, 粉煤灰、石灰石粉对试件的干缩有较为重要的影响。与掺纯水泥的试件相比, 掺入粉煤灰和石灰石粉后, 自密实混凝土的干缩值减小, 且粉煤灰掺量增加, 自密实混凝土干缩值呈现减小的趋势。石灰石粉的掺入也能降低试件的干缩值, 掺相同掺量的石灰石粉和粉煤灰的试件在各龄期的收缩值基本一致。另外, 降低水胶比, 自密实混凝土的收缩值有一定的减小。
3.2 粗骨料体积含量 (Va) 对自密实混凝土干缩的影响
一般而言, 混凝土中的收缩变形主要是由水泥石引起的, 粗骨料对水泥石的变形起到约束作用, 而且不同性质的粗骨料产生的作用也不相同。为了进一步了解粗骨料含量对自密实混凝土干缩值的影响规律, 图3给出了粗骨料体积分数 (Va) 变化条件下, 自密实混凝土收缩随时间的变化结果, 试验各试件的水胶比保持0.4不变、粉煤灰掺量为30%、砂子与砂浆体积比不变, 改变粗骨料的体积含量。
图3中的结果表明, 在其他条件相同的情况下, 粗骨料体积分数在0.26~0.36之间变化时, 各自密实混凝土收缩随龄期逐渐增加, 且各试件的收缩变化趋势基本一致。粗骨料体积分数的增加, 各自密实混凝土收缩在相应龄期下的收缩值降低。当粗骨料体积分数不大于0.28时, 28 d龄期自密实混凝土的收缩值大于400μm·m-1, 混凝土产生开裂的倾向增大。根据此条件, 自密实混凝土的粗骨料体积分数宜大于0.28, 在满足拌合物的“自密实”要求条件下, 自密实混凝土的粗骨料含量宜选择偏大值。
4 自密实混凝土抗裂性
4.1 抗裂性试验方法
本文采用了美国联邦公路管理局AASHTO提出的抗裂试验方法、日本人笠井芳夫提出的平板试验来研究自密实混凝土的抗裂性能。基于上述研究基础, 选择上述两种抗裂试验方法研究自密实混凝土的抗裂性能, 试验时直接在环境温度为 (20±2) ℃和相对湿度为 (60±5) %的室内环境下成型和试验观察, 圆环试件在试件成型1 d后将圆钢环拆除继续试验观察, 试验测试照片如图4和图5所示。试验中考虑了粉煤灰掺量、聚丙烯纤维的掺入等对自密实混凝土抗裂性能的影响。
4.2 抗裂性试验结果
从图4和图5所示的混凝土抗裂性测试照片以及试验过程中监测表明, 所测5个不同配比的混凝土均未出现裂缝, 且采用圆环法和平板法两种方法测试混凝土抗裂性具有一致性, 掺入聚丙烯纤维和未掺聚丙烯纤维的自密实混凝土抗裂性未见明显的不同。抗裂性试验测试结果表明, 经过合理设计的自密实混凝土, 具有良好的抗裂性, 其抗裂性与普通掺矿物掺合料的混凝土的抗裂性无显著差异。所测5组混凝土的原材料及配比如表3所示。
5 结语
根据上述抗裂性测试结果, 可得到如下结论:
1) 混凝土中胶凝材料品种和骨料含量对其水化温升存在显著的影响, 骨料含量减小, 浆体含量增加, 水化放出的总热量增加, 其水化温升增大。选择水化放热较低的掺石灰石粉、粉煤灰的胶凝材料制备自密实混凝土非常重要。
2) 粗骨料含量增加, 有利于改善自密实混凝土抗裂性, 为满足混凝土的抗裂性能和“自密实”性要求, 自密实混凝土的粗骨料体积含量宜在0.30~0.36之间。
3) 在本试验调查范围内, 在自密实混凝土中掺入粉煤灰并选择合适的粗骨料体积含量, 自密实混凝土具有良好的抗裂性。掺入聚丙烯纤维和不掺聚丙烯纤维的自密实混凝土的抗裂性无显著差异。
4) 综合自密实混凝土的工作性要求和耐久性要求, 自密实混凝土宜掺用不少于30%的粉煤灰, 粗骨料体积分数宜不小于0.30, 水胶比不宜大于0.4。
摘要：在综合分析导致混凝土产生裂缝主要原因的基础上, 结合温升对比试验、干缩对比试验和抗裂性试验测试结果, 探讨了自密实混凝土的抗裂性能, 优化了自密实混凝土的原材料及其配合比, 为研发抗裂自密实混凝土的制备技术提供了参考依据。