环保型胶粉缓凝复合半刚性基层材料的研究及应用

环保型胶粉缓凝复合半刚性基层材料的研究及应用

于海

天津市市政工程设计研究院天津300392

摘要：本文以环保型缓凝胶粉复合水泥半刚性基层材料为研究内容，在对现有半刚性基层进行病害调查及原因分析的基础上，提出环保型胶粉缓凝复合半刚性基层解决传统半刚性基层病害的技术途径。通过室内试验与现场试验相结合的技术路线，整体分析项目中基层材料的受力性能，为有效提高路面使用性能及寿命，解决半刚性基层的抗开裂技术难题提供技术支持。

关键词：复合半刚性基层；环保型胶粉；路面病害防治

水泥半刚性基层是我国沥青道路中的主要下部结构，而由水泥半刚性基层裂缝导致沥青道路上面层结构开裂是目前道路工程中一种常见的病害，在全国各地已经造成巨额的经济损失。可以说，解决水泥半刚性基层的开裂问题是当前沥青道路技术中的最挑战、最具难度的科研难题之一。本文提出基于缓凝胶粉的复合型水泥半刚性基层的研究和应用，整体分析基层材料的受力性能，提出通过使用环保型缓凝胶粉，解决传统半刚性基层病害的技术途径。

1、半刚性基层特点分析及改性机理

目前国内工程中，普遍使用的水泥半刚性基层，具有水泥用量低、骨料级配偏粗等特点。根据现行规范中的有关规定，当水泥半刚性基层铺设完毕后，要经历7天时间，待其抗压强度达到设计指标时，才能进行后续的沥青面层混合料摊铺。而在水泥半刚性基层中添加缓凝剂，则可以延缓强度增长。这样，当加入缓凝剂的水泥半刚性基层铺设完毕后，可以立即铺设沥青混合料面层。因为水泥半刚性基层的骨料级配特性，可以保证其承受铺设产生的载荷，以节约施工时间。更为重要的是添加缓凝剂后，摊铺沥青所形成的载荷实际上是个水泥半刚性基层做了一次“按摩”，会产生局部材料挤压和变形，从而产生微裂纹和变形协调。考虑到缓凝剂延长了水泥硬化过程，在“按摩”后，仍然可以继续进行水化反应，这对水泥半刚性基层最终的强度不产生影响，而且具有二次自愈裂纹功能。

2、研究技术路线

本文提出的研究方法是采用室内试验与现场试验相结合的技术路线，首先在试验室内进行大量的试验研究，研发出相应的配合比，即在半刚性基层材料的组成成分中加入缓凝剂以及其他能起到缓凝作用的材料如橡胶集料，或者采用缓凝混凝土，并进行两组实验的对比；一组在其缓凝期间施加荷载，并观察终凝后其强度的变化；另一组在其缓凝期间不施加荷载，待终凝后按照常规的方法进行加载；对两组试件研究其受力情况，并对试验结果进行分析研究。

其次，在已有的实验室研究结果的基础上，选择合适的道路，进行现场试验。最终在实验室研究和现场试验研究的基础上，形成缓凝型半刚性基层材料成套技术。

技术路线的关键是如何研发缓凝型半刚性基层材料，使得在终凝之前，即使受到载荷，也不会在其达到终凝时间时，降低强度。通过大量的试验数据，分析出最终的配合比。试验方面采取外方内圆偏心约束收缩试验方法，针对研发的复合胶粉缓凝水泥半刚性基层材料，开展相关测试工作，并进行对比分析。

3、试验数据分析

3.1室内试验设计

试验所用水泥为天津水泥股份有限公司生产的骆驼牌P.O42.5普通硅酸盐水泥；所用砂为天然河砂，细度模数为2.41的中砂；石子选用连续级配的碎石，粒径5-20mm；水为普通自来水。采用的缓凝剂为保定市涞水县海岩兴业混凝土外加剂加工厂所生产的高效缓凝剂。试验配合比见下表1。

表1试验配合比

实验设置了三组不同缓凝剂掺量的实验对照组，每组为18个立方体，尺寸均为100mm×100mm×100mm。每一组又分为三小组，共计六个立方体，其编号分别为A-1，A-2，A-3，B-1，B-2，B-3，C-1，C-2，C-3。其中每一组的第1小组试件为养护两天并经过1次加载破坏荷载的试件组，目的是得到每一组试件48h的抗压强度平均值；第2小组试件为养护9d并加载到A组破坏荷载平均值50%的试件组，目的是施加一个非破坏荷载并对比分析经过一星期养护试件的最终破坏强度情况；第3小组为空白对照组，将继续养护9d后测得最终无破损抗压强度。由此来模拟产生了早期破坏后，缓凝剂对于混凝土后期强度的回复起到的作用。

各组试件的抗压强度实验结果如表2和图1所示：

表格2各组试件48h抗压强度（Mpa）

图148h各组试件抗压强度柱状图（Mpa）

从上述图表中可以看出随着缓凝剂掺量的增加，立方体48h极限抗压荷载有逐渐降低的趋势。但是减少的幅度在可控范围内。

各组试件的9d抗压强度如表3所示：

表3各组试件9d抗压强度（Mpa）

图2各组试件9d抗压强度柱状图（Mpa）

从上面图中可以明显看出，随着缓凝剂含量的增加，立方体抗压强度呈加速递减的趋势。从无缓凝剂到1%缓凝剂时，强度折减约6.54%，2%缓凝剂时强度进一步折减，这一结果也符合相关的研究成果。表明缓凝剂不能过量掺入，否则会严重影响混凝土后期强度，甚至会造成混凝土无法形成足够强度。同时比较2组以及3组的后期抗压强度对比可以看出早期产生破坏后缓凝剂的掺量越高的，对于后期强度的回复效果越好。

3.2现场试验设计

为验证室内试验数据在工程中的实际效果，在天津市津围北二线工程中，进行了长度为1km的缓凝型半刚性路面基层的施工实验。传统的道路施工做法中，在进行施工垫层时要等到铺设的混凝土垫层达到一定的强度时，才可以继续施工。否则在有大型压路机施工时会对垫层造成不可恢复的抗压强度伤害，从而使得后期强度达不到指标进而影响施工质量。

本次试验段是在混凝土垫层中加入缓凝剂，其目的在于使混凝土在遭受破环时，处于低龄期状态，使得混凝土的后期强度能够恢复到理想强度。试验将缓凝剂加入水罐中，通过水的掺入来保证拌和的均匀以及比例的稳定，通过计算得出1km试验段的双层18cm的水稳碎石土的缓凝剂用量为1000kg。故每次拌和前将水罐灌满后加入100kg的缓凝剂，其中项目提供的缓凝剂为50kg每桶。故不需施工方进行称量，每次加入2桶即可。将此水罐中的水与缓凝剂的混合物用完后。停止拌和等待水罐再次灌满，然后再次加入2桶缓凝剂后再次开始拌和。以此类推，直至将20桶缓凝剂全部拌和入水稳碎石土中。

图3施工现场图

此次道路试验段（图3）目前已施工完成，并依据规范JTGES1-2009（公路工程无机结合料稳定材料试验规程）T0806-1994（无机结合料稳定材料间接抗拉实验方法）取芯（图4）尺寸为150×150并进行了稳定土类无侧限抗压强度试验，所得结果如表4所示。

图4取芯试件图

表4稳定土类无侧限抗压强度试验结果

由以上数据可以得出，应用了缓凝剂的道路施工段，在加速施工进程的同时，并没有影响正常的道路地基施工质量，通过了实际工程的检验。

4、结论

研究提出在半刚性基层材料中加入胶粉与缓凝剂或者采用缓凝混凝土，推迟基层的强度增长。并且通过加入缓凝剂，达到在面层施工完成后，半刚性基层的强度仍然未到达其设计的最终强度值。这样可以在节约施工时间的前提下，确保半刚性基层有足够的时间，进一步发展强度，直至满足设计及规范要求。

通过采用废胎胶粉和缓凝剂对传统的半刚性材料进行柔化与抗裂改性，不仅能够有效利用废物、变废为宝、节约资源，减少黑色污染，同时能够充分发挥废胎胶粉和传统半刚性材料各自的技术优势，显著改善其柔韧性和抗变形能力，减缓或阻止半刚性材料的开裂，从而有效提高路面使用性能及寿命。

参考文献：

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