宋云连，李龙生，刘雁军，林 敏
(内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘要： 为了研究早强剂对水泥稳定碎石路用材料的抗冻性能影响，采用依托工程设计比例掺入5%水泥，再分别用0%,8%,10%,12%,14%和16%的早强剂替换水泥掺入碎石中制作各种冻融试验试件。通过试验分析了早强水泥稳定碎石材料的吸水率变化趋势、多次冻融循环后的质量损失率以及冻融前后的无侧限抗压强度变化，进而计算出材料的抗冻系数。试验结果表明：早强剂能够降低材料的吸水率和质量损失率，提高其冻融前后无侧限抗压强度及抗冻系数；抗冻性系数随着早强剂掺量的增加而增大。
关键词： 道路工程；抗冻性；冻融试验；水泥稳定碎石；早强剂
随着水泥稳定碎石半刚性材料作为道路基层材料被广泛使用，材料养护期较长一直是其影响道路施工进度的一个主要因素。道路工程中有时不能长时间干扰交通或阻断交通，这就需要水泥稳定碎石材料尽早形成较高的强度，并且保证其后期的力学性能、耐久性能等方面不受影响，故早强水泥稳定碎石便应运而生。在早强剂与水泥稳定碎石材料拌和后，水泥熟料矿物和早强剂将溶解于水中并发生水化反应，在较短时间内生成大量的水化铝酸钙、针状钙矾石和细小纤维状水化硅酸钙等凝胶物质，生成的凝胶物质填充于原先被水、空隙所占空间。随着时间的增长，生成的水化产物越来越多，从而使其结构越来越致密，故可提高其早期强度[1]。从理论方面来讲，掺有早强剂的半刚性水泥稳定碎石材料同样也会在养护初期产生较多收缩裂缝而影响其早期强度，但早强剂内部含有适量的阻裂及膨胀物质组分，能够消除或减小部分水泥石收缩所产生的拉应力[2]，从而进一步减少集料与水泥浆体界面处缺陷，故早强剂能提高半刚性水泥稳定碎石材料的早期强度和其耐久性等方面的性能。因此，早强剂的掺入不仅能够加快道路的施工速度，而且具有巨大的经济效益和社会效益，所以研究早强水泥稳定碎石半刚性材料的性能在道路建设及维修中具有十分重要的意义。
国内外学者对早强水泥稳定碎石材料的性能进行了大量的研究，同时也对不同种类的早强剂进行了试验研究[2]。在国外，D. Whiting.等用快硬硫铝酸盐水泥配制的公路早强修补混凝土，在24 h内其抗压强度可达到28 MPa。 S.S. Seehra等研制的快硬磷酸盐水泥可应用于混凝土路面的快速修补中[3]，修补区可在4～5 h内开放交通。日本广泛应用喷射水泥，其1 d的抗弯强度可达到4.1 MPa，抗拉强度可达到2.5 MPa，采用这种水泥进行混凝土路面维修，修补区可在12 h内恢复交通[4]。美国开发了“派拉蒙特(Pyrament) ”混合水泥[5]，由这种混合水泥拌制的混凝土，4 h的抗压强度达到13.4 MPa以上，应用该水泥12 h内完成了纽约州的一座桥梁接缝的修复。在寒冷的冬天，5 h内重建了肯塔基州的机场跑道。此外，还有英国开发的“Swiftcrete”水泥，德国开发的“Draifach”水泥，意大利开发的“Supercement”水泥等[6]，也均可以达到快速修复混凝土路基路面并恢复交通的目的。在我国，一些高等院校和科研院所针对不同种类的水泥掺入各类外加剂或使用特种水泥来生产早强混凝土，进一步地研究其路用性能。长安大学[7]研制的由硫铝酸盐、硅酸盐、铝酸盐和高效活性剂，按一定的比例配制而成的HW1，HW2，HW3三种型号的水泥混凝土路面早强修补剂，这种修补剂配制的早强混凝土在6 h的抗压强度可达23.1 MPa，抗折强度可达3.57 MPa，可满足开放交通的要求。同济大学[8]研制的MPB早强修补材料配制的水泥混凝土在1h的抗压强度可达到36.1 MPa。扬州大学[9]研制的由铝酸盐玻璃体与适量石膏磨细配制而成的超快速早强修补材料S1剂，由该修补剂配制的早强混凝土具有微膨胀性、良好的抗冻性和抗渗性、低温养护强度几乎不降低的良好性能。杭州市城市建设科学研究所[10]以525号硅酸盐水泥为胶结料，掺入不同比例的特快硬化剂、调凝剂和减水剂配制而成的特快硬混凝土，6 h的抗压强度和抗折强度分别达到17.6 MPa和4.19 MPa，满足开放交通的要求。江苏省建筑科学研究院[11]研制的JK-4型、JK-10型、JK-24型水泥混凝土快速修补剂，具有快硬早强、收缩小、新老混凝土粘结强、耐久耐磨等特点。随着水泥及新型快速修补材料的不断发展，各种新型特种水泥相继出现，如高铝水泥、快硬硅酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等，在水泥混凝土路基路面的建设与修复中得到了广泛的应用，采用这些新型特种水泥配制的混凝土可在12～24 h内满足开放交通的要求。
在寒冷地区，尤其是季节性冰冻地区，当把水泥稳定碎石材料应用在道路、桥梁、铁路等工程时，材料要经受反复冻融作用，这就要求其结构必须具有良好的抗冻性能，使其能够更好地适应季节性冰冻地区的气候环境，有效地保证道路的使用寿命。国内外许多学者对混凝土的冻融破坏机理进行了大量的试验研究[12]，早在20世纪40年代中期，美国学者T.C.Powers提出了静水压理论学说，在之后的试验中，又和他的同事提出了渗透压理论学说来解释冻融破坏的现象。
内蒙古地区所处地理位置有较大范围地区处于高寒地带，季节温差和昼夜温差大，冬季低温对水泥稳定碎石材料的抗冻性有着直接的影响，加上地下水及雨水的作用，容易导致道路等所用水泥稳定碎石材料发生不同程度的冻融破坏现象[13]。因此，本文依托内蒙古呼和浩特市道路改造工程项目，为研究提高路用水泥稳定碎石材料的抗冻性，在材料中掺入不同剂量的某早强剂，通过试验研究其与抗冻性有关的技术参数，进而分析了不同剂量早强剂对材料抗冻性能的不同影响，为早强材料在寒冷季冻区道路工程中的推广使用提供了理论依据。
1.1 原材料
(1)集料取自于内蒙古呼和浩特市山东路桥材料厂，集料加工前的原料来源于呼和浩特市大青山前坡采石矿区，根据呼和浩特主干道改造工程的现场施工配合比得出，集料各级配用量为：0～5 mm占27%；5～10 mm占28%；10～20 mm占18%；10～30 mm占27%。其主要技术指标为：压碎值12%；含泥量0.5%；相对密度2.67 g/cm3。
(2)水泥是由内蒙古冀东水泥有限责任公司生产，32.5级复合硅酸盐缓凝水泥，水泥细度为4.63%，水泥其他项技术指标见表1。
表1 水泥主要技术指标
Tab.1 Main technical indexes of cement
项目凝结时间/min抗压强度/MPa抗弯拉强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d技术要求≥45≤600≥16≥32.5≥3.5≥5.5试验结果23031018.1414.28.6
(3)水取自普通自来水。
(4)早强剂采用西安厂家生产的某型早强剂，外观为淡黄色粉末，掺入后具有一定的早强和防冻功能，且能够和水泥稳定材料进行快速融合。
1.2 试验方法
本试验把质量比为5%的水泥掺入水泥稳碎石混合料中，然后预定含水量为4%，5%，5.5%，6%，7%，按照试验规程[14]中的击实试验方法进行击实试验，通过试验结果和击实曲线[15]确定其最佳含水量和最大干密度分别为5.5%和2.39 g/cm3。在此基础上，再按水泥质量比为0%，8%，10%，12%，14%和16%的早强剂替换水泥，在上述最大干密度基础上，以98%的压实度为控制指标，计算每个试件所用混合料质量，然后用静压法成型所有试验试件，并在温度为(20±1)℃与湿度为90%以上的标准养护条件下养护试件[14]。
2.1 吸水率测定和分析
水泥稳定碎石材料发生冻融破坏的根本原因是结构内部存在可冻结的水，而水的饱和程度影响着结构冻融损伤的程度。因此我们对水泥稳定碎石材料的试件在浸水条件下的吸水率进行分析。当试件在标准养护条件下，即温度为(20±1)℃，相对湿度≥95%，养护到27 d，将试件取出浸泡在清水中24 h，浸水完毕后取出试件用湿布擦除表面水分并称其质量，反复称取3次后取其平均值。经过取平均计算后的试验数据如表2所示。
表2 试件吸水率
Tab.2 Water absorption rate of specimens
早强剂掺量/%0810121416平均吸水率/%1.080.980.940.890.670.62
对各种早强剂掺量试件的平均吸水率进行曲线拟合，结果见图1。图中拟合方程的相关系数为0.957 3，反映出平均吸水率与早强剂掺量按三次多项式拟合具有较好的相关性。故可以通过此多项式来预测更多早强剂掺量下的平均吸水率变化情况。
图1 平均吸水率与早强剂掺量之间的关系
Fig.1 Relationship between average absorption rate and
early strength agent dosage
由图1和表2可见，材料的平均吸水率随着早强剂掺量的增加在减小。出现这种现象，可从早强剂的作用机理方面进行分析[3]，主要原因在于早强剂与水泥拌和以后在水中溶解并发生水化反应，生成大量的胶凝物质并填充原先被水、空隙所占的空间，降低了空隙率，这样就阻断了结构内部与外界的通路，使外界水分不易渗入，而且早强剂掺量在一定范围内，其掺量越大内部结构的致密性越好，所以在浸水后的吸水量也随早强剂掺量的增加而减少。
为了进一步分析掺与未掺早强剂试件之间平均吸水率的差别，将早强剂掺量为8%，10%，12%，14%，16%试件的平均吸水率分别与掺量为0%的试件相比，得出这些试件平均吸水率的降低程度依次为：9.3%，13.0%，17.6%，38.0%和42.6%。由此可见，早强剂掺量越大其平均吸水率的降低程度就越高，即早强剂掺量越大其平均吸水率就越小。
2.2 质量损失率分析和计算
水泥稳定碎石材料经n次冻融循环后试件质量变化率Wn(%)可按式(1)计算：
(1)
式中，M0为冻融循环前试件的质量；Mn为n次冻融循环后试件的质量。
水泥稳定碎石材料在冻融循环过程中质量的变化主要有两部分：一部分是试件表面的水泥浆体和粗细骨料的剥落造成的质量减轻；另一部分是在冻融循环过程中，随着冻融循环的次数增加，试件发生冻融破坏会在其内部逐渐产生裂缝，裂缝会吸收一些水分而导致质量的增加。在实际的冻融循环试验中，试件表面剥落损失的质量相对于裂缝吸收水分增加的质量要大得多，所以在冻融循环中表现为总体质量的损失，对冻融循环试验前后试件进行外观检测，发现试件表面有明显的损伤情况。而且，与不掺早强剂试件相比，掺量越多，从外观图上看表面剥落现象越轻，剥落量越少。
针对早强剂掺量为0%，8%，10%，12%，14%，16%的试件，每组9个分别在经过5次冻融循环后的质量损失率进行了测量并计算，对这些试件的试验数据[15]经过计算得其平均结果见表3。
表3 平均质量损失率
Tab.3 Average mass loss rate
早强剂掺量/%不同冻融循环次数(次)各组试件平均质量损失率/%1234500.680.801.612.122.7580.561.101.331.962.34100.610.961.281.671.97120.500.820.951.331.55140.480.610.830.951.34160.440.500.620.861.17
由表3可见，随着冻融次数的增加，平均质量损失率基本上都在逐渐增大(注：由于数据离散个别不符合)，在5次冻融循环的条件下，不同早强剂掺量试件的质量损失率的变化幅度也不尽相同，以早强剂掺量为0%和16%的试件为例说明。0%的试件在2，3，4，5次冻融循环后的质量损失率比冻融1次时分别增长50.9%，203.8%，300%，418.9%；16%的试件在2，3，4，5次冻融循环后的质量损失率比冻融1次时分别增长13.6%，40.9%，95.5%，166.9%。所以与早强剂掺量为0%的相比，经5次冻融循环后早强剂掺量为16%的质量损失率的增长幅度并不是很大，这也进一步说明了早强剂对水泥稳定碎石材料的抗冻性能有很好的改善效果。随着早强剂掺量的增加，质量损失率基本上在降低，说明了早强剂起到了细化水泥稳定碎石材料的内部孔隙结构，强化了水泥浆体与集料过渡区界面的结构，提高了过渡区界面结构的黏结力。
2.3 抗冻系数的计算和影响因素分析
水泥稳定碎石材料，冻融循环后试件的抗冻系数BDR可按式(2)计算：
(2)
式中，RDC为冻融后试件的无侧限抗压强度；RC为未冻试件浸水24 h后的无侧限抗压强度。
每个掺量下的冻融循环试验按规程[14]要求制备18个φ15 cm×15 cm标准试件，其中9个为冻融试件，9个为不冻融试件。试件制备完成后进行编号并用塑料袋密封，立即放入温度为(20±1)℃与湿度为95%以上的标准养护箱进行养护28 d。在第27 d时，将所有试件取出放在清水中饱水24 h，饱水完毕后取出不冻组试件进行无侧限抗压试验并记录试验数据，同时将冻融试件组放入冰箱里进行冻结试验。冰箱的温度设定为-18 ℃，冻结时间为16 h，完成后取出试件后立即放入20 ℃的水槽中进行融化8 h，融化过程结束后，即完成本次冻融循环。然后将融化完成后的试件再次放入冰箱里开始进行第2次冻融循环，直至5次冻融循环试验结束。利用冻融前后试件无侧限抗压强度试验数据[15]，计算每组9个的平均抗压强度，继而用公式(2)来计算5次冻融循环后试件的抗冻系数值，计算结果如表4所示，关系曲线如图2所示。
表4 冻融循环5次后的抗冻系数BDR
Tab.4 BDR after 5 freezing-thawing cycles
项目早强剂掺量/%0810121416冻融后强度/MPa4.244.655.265.676.136.42未冻融强度/MPa8.438.478.528.578.638.76BDR/%50.354.961.766.271.073.3
图2 平均抗压强度与早强剂掺量间关系
Fig.2 Relationship between average compressive
strength and early strength agent dosage
由表4及图2可以看出，早强剂掺量为0%，8%，10%，12%，14%，16%的试件，经5次冻融循环后与未冻融相比，平均抗压强度分别损失了49.7%，45.1%，38.6%，33.8%，29.0%，26.7%，但早强剂的掺入起到了降低冻融循环对试件的损伤程度，而且早强剂的掺量此效果也越好。
根据表中数据，绘制冻融后试件的抗冻系数与早强剂掺量之间的关系，如图3所示。
图3 抗冻系数与早强剂掺量的关系
Fig.3 Relationship between frost resistance coefficient and
early strength agent dosage
由图3可见，随着早强剂掺量的增加，抗冻系数在增大，早强剂掺量为8%，10%，12%，14%，16%的抗冻系数与早强剂掺量为0%的相比分别增长了9.2%，22.7%，31.6%，41.2%，45.7%，说明早强剂对提高水泥稳定碎石材料的抗冻系数有着显著的效果，增大早强剂的掺量能够提高水泥稳定碎石材料的抗冻性能。同时对抗冻系数及早强剂掺量的试验数据进行拟合，得到具有较好相关性的拟合方程y=786.05x2+30.287x+49.915，故可以通过拟合方程来分析抗冻系数随早强剂掺量变化的趋势。
2.4 吸水率对抗冻系数的影响
在冻融循环试验中，吸水率在很大程度上影响着冻融效果，吸水性越大的材料在冻融过程的抗冻性就越差。在本试验中，进一步分析抗冻性能(用抗冻系数来评价)与吸水率之间的关系，综合表2中的平均吸水率Wm和表4中的抗冻系数BDR，绘制它们的关系曲线如图4所示。
图4 抗冻系数与吸水率之间的关系
Fig.4 Relationship between frost resistance coefficient and
water absorption rate
由图4可见，材料的抗冻系数随着吸水率的增加而减小，而且早强剂掺量越高的水泥稳定碎石材料的吸水率越低，其抗冻系数越大，反映出水泥稳定碎石材料的抗冻性随着材料内部结构密实度的增加而增强。同时对抗冻系数及吸水率的原始试验数据进行统计分析，得到相关性很高的曲线拟合方程y=-103.08x2+125.04x+34.709，该曲线可用来分析抗冻系数随吸水率的变化趋势。可见水泥稳定碎石材料的吸水率能较好地反映出抗冻性能的好坏，因此可以将吸水率作为抗冻设计指标的相关参数。
(1)随着早强剂掺量的增加，水泥稳定碎石材料的吸水率在减小，试件平均吸水率与早强剂掺量之间的拟合曲线可用相关系数为0.957 3的多项式y=-19.146x3-20.263x2+0.732 8x+1.078 9来表示。
(2)水泥稳定碎石材料经过一定次数(如n次)冻融循环后，随早强剂掺量的增大，试件的剩余质量Mn在增大，进而使得试件的质量损失率Wn在减小。这说明早强剂对水泥稳定碎石材料的抗冻性能有很好的改善效果。
(3)水泥稳定碎石材料的抗冻性系数随着早强剂掺量的增加而增大，二者的拟合表达式为：y=786.05x2+30.287x+49.915，相关系数为0.967 2，利用它可分析抗冻系数随早强剂不同掺量的变化趋势。
(4)水泥稳定碎石材料抗冻系数随其吸水率的增加而减小，二者之间有较好的相关性，故可将吸水率作为评价材料抗冻性能的另一个指标。
(5)根据本文试验结果，当实际工程中为了提高水泥稳定碎石材料的早期强度和抗冻性能而选择早强剂掺量时，可以根据工程所需要的早强时间，当地的冬季负温度情况，以及工程容许增加的投资费用，以水泥剂量为基准，可以在8%～16%之间酌情选择掺入SES-I早强剂的剂量。
参考文献：
References:
[1] 陈建奎.混凝土外加剂原理与应用[M].第2版. 北京:中国计划出版社,2004.
CHEN Jian-kui. Theory and Application of Concrete Admixture [M]. 2nd ed. Beijing: China Planning Press, 2004.
[2] PAN G,SUN W,DING D. Experimental Study on the Micro Aggregate Effect in High-strength and Super-high-strength Cementitious Composites [J]. Cement and Concrete Research, 1998, 28(2): 171-176.
[3] PéRA J, AMBROISE J. Fiber-reinforced Magnesia-phosphate Cement Composites for Rapid Repair[J]. Cement and Concrete Composites, 1998, 2(1):31-39.
[4] 张海,殷华涛,田翠翠. 路用超早强混凝土的试验研究[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2010, 26(1):52-56.
ZHANG Hai,YIN Hua-tao,TIAN Cui-cui. Experimental Study on Super High-Early-Strength Road Concrete[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science Edition, 2010, 26(1): 52-56.
[5] YANG Quan-bing, WU Xue-li. Factors Influencing Properties of Phosphate Cement-based Binder for Rapid Repair of Concrete [J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(3): 389-396.
[6] 王燕. 水泥混凝土公路技术—实践与展望 [M]. 北京：人民交通出版社, 2000.
WANG Yan. Cement Concrete Highway Technology: Practice and Expectation [M]. Beijing: China Communications Press, 2000.
[7] 李炜光,陈栓发,李建平,等.水泥混凝土路面的快速修补[J].公路, 2002(2):97-99.
LI Wei-guang, CHEN Shuan-fa, LI Jian-ping, et al. Rapid-repair of Cement Concrete Pavement [J]. Highway, 2002(2):97-99.
[8] YANG Q, ZHU B, WU X. Characteristics and Durability Test of Magnesium Phosphate Cement-based Material for Rapid of Concrete[J].Materials and Structures, 1999, 133: 229-234.
[9] 刘晓楠,张军校,闫亚鹏. 水泥混凝土路面全厚式修补用快硬早强型混凝土试验研究[J].公路, 2013,58(12):207-209.
LIU Xiao-nan, ZHANG Jun-xiao, YAN Ya-peng. Experimental Study on Quick and Early Strength Concrete for Cement Concrete Pavement Strengthening along the Full Depth[J]. Highway, 2013,58(12):207-209.
[10]叶文，裘丽敏. HC系列快硬早强混凝土的研制与工程应用[J].浙江建筑,2000,100(3):43-44.
YE Wen, QIU Li-min. Development and Engineering Application of HC Quick and Early Strength Concrete [J]. Zhejiang Construction, 2000,100(3): 43-44.
[11]高海平,金志强,李华.水泥混凝土路面修补技术[M]. 北京:人民交通出版社，1999.
GAO Hai-ping, JIN Zhi-qiang, LI Hua. Repair Technique of Cement Concrete Pavement[M]. Beijing: China Communications Press,1999.
[12]KONSMATKA S H, KERKHOFF B, PANARESE W C. 混凝土设计与控制[M].重庆:重庆大学出版社,2005.
KONSMATKA S H, KERKHOFF B, PANARESE W C. Design and Control of Concrete [M]. Chongqing: Chongqing University Press, 2005.
[13]闫亚鹏. 寒冷地区水泥稳定碎石基层抗裂性改善技术研究[D].西安：长安大学，2012.
YAN Ya-peng. Study on Technology for Improving Crack Resistance of Cement-stabilized Crushed-stone Base in Cold Region[D]. Xi’an: Chang’an University, 2012.
[14]JTG E51—2009，公路工程无机结合料稳定材料试验规程 [S].
JTG E51—2009, Test Methods of Materials Stabilized with Inorganic Binders for Highway Engineering [S].
[15]任黄. 掺入早强剂后道路水泥稳定碎石材料的试验研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2014.
REN Huang. Experimental Research on Road Cement Stabilized Macadam Material Mixed with Early Strength Agent[D]. Hohhot: Inner Mongolia University of Technology, 2014.
SONG Yun-lian, LI Long-sheng, LIU Yan-jun, LIN Min
(School of Civil Engineering, University of Technology, Hohhot Inner Mongolia 010051, China)
Abstract： In order to explore the influence of early strength agent on the frost resistance performance of cement stabilized macadam material used in road engineering, 5% cement is mixed into the cement stabilized macadam mixture based on the engineering design ratio, then, the cement is replaced with 0%, 8%, 10%, 12%, 14% and 16% dosages of early strength agent to make all the freeze-thaw test specimens. The change trend of water absorption rate , the mass loss rate after several times of freezing-thawing and the change of unconfined compressive strength before and after freeze-thaw cycles are analyzed based on the test data. The frost-resistance coefficients of the cement stabilized macadam material with different early strength agent dosages are calculated. The experimental result shows that (1) the early strength agent can reduce the water absorption rate and the mass loss rate of the material, (2)improve its unconfined compressive strength and frost resistance coefficient before and after freezing-thawing;(3) the frost resistance coefficient increases as the early strength agent dosage increases.
Key words： road engineering; frost resistance performance; freeze-thaw experiment; cement stabilized macadam; early strength agent
文献标识码： A
文章编号： 1002-0268(2016)03-0018-06
中图分类号： U414，U416.214
doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.004
作者简介：宋云连(1972-)，女，内蒙乌兰察布人，教授，工学博士.(751904198@qq.com)
基金项目：国家自然科学基金项目(51265033)；内蒙古教育厅项目(NJZC13126)；内蒙古研究生科研创新项目(S20131012808); 内蒙古工业大学重点基金项目 (ZD201309)
收稿日期：2015-02-09
联系客服
