轻烧氧化镁用于防治水泥稳定碎石基层裂缝的合理剂量研究

轻烧氧化镁用于防治水泥稳定　碎石基层裂缝的合理剂量研究　

陈德健　，　冯卫星　，　马敬坤　（１．石家庄钵道学院土木工程分院，河ｊＥ石家庄０５００４３；２．河北交通职业技术学院院长办公室，河北石家庄０５００９１）　摘　要：针对水泥稳定碎石基层的收缩裂缝问题，提出应用轻烧氧化镁的膨胀性来抵消水泥收缩裂缝的办法。　通过水泥砂浆延期压蒸试验和限制膨胀率试验研究确定了以轻烧氧化镁作为膨胀剂的合理掺量。经过反复　试验，得出氧化镁的掺量应小于水泥含量的５％，最终确定对于某试验路工程氧化镁的掺量为４．４％。　关键词：轻烧氧化镁；水泥稳定碎石；基层；收缩裂缝　中图分类号：Ｕ４Ｉ６．２１４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—３９５３（２００８）０６—００２ｉ－０４　在我国高速公路建设中，水泥稳定碎石是公路　路面的主要基层材料。水泥稳定碎石基层具有较高　的强度和承载能力，同时它还具有较好的稳定性。　然而水泥稳定碎石类材料由于脆性，对温度、湿度敏　感性较强，在强度形成及使用的过程中，因温度变化　产生温度收缩裂缝和因含水量变化而产生干缩裂　缝。这个问题至今没有很好的解决。　在大体积混凝土工程中，最常用的膨胀剂是钙　矾石系与氧化镁系膨胀剂，但是二者相比，轻烧的氧　化镁膨胀剂既具有较快的早期膨胀，又具有后期微　膨胀特性。限制膨胀可以补偿一定的后期干缩，不　会造成因巨大膨胀带来的混凝土开裂。氧化镁膨胀　剂呈现延迟微膨胀、膨胀稳定，对后期的干燥收缩能　继续补偿，因此氧化镁膨胀剂比钙矾石系膨胀剂具　有更优良的收缩补偿优势和更广泛的适应性＿１］。　氧化镁在混凝土筑坝工程中已经有了很多成功　经验，利用氧化镁微膨胀混凝土的延迟膨胀变形特　性，补偿混凝土坝的温降收缩和温度变形，以防止产　生裂缝。然而，采用轻烧氧化镁作为膨胀剂来减少水　泥稳定碎石基层的裂缝这在国内尚无应用和研究。　本次试验研究采用轻烧氧化镁作为膨胀剂，通　过膨胀产生的自应力减少传统的水泥稳定碎石基层　的裂缝，从而提高水泥稳定碎石的质量，改善半刚性　基层沥青路面因反射裂缝而引起的早期破坏，延长　半刚性基层路面的使用寿命。　１　水泥稳定碎石的配比方案　Ｉ．Ｉ水泥稳定碎石的原材料　水泥采用唐山岗岩矿渣硅酸盐水泥，集料来自　廊涿高速公路旧州段工地现场，这些材料的基本性　质如表１、表２所示。　

表Ｉ水泥的基本性质　

Ｉ．２水泥稳定碎石的配合比　水泥稳定碎石的基本配合比及碎石、水泥等原　材料，全部采用廊涿高速公路旧州段的实际施工配　合比和现场原材料。材料厂提供１０～３０　ｍｍ碎石、　１０～２０　ｍｍ碎石、５～１０　ｍｍ碎石、０～５　ｍｍ石屑、　唐山岗岩水泥。材料经过检验俱达到要求，可以使　表２集料技术指标　

用。实验室对施工现场提供的配合比进行了检验，　昙　：　。、里　＋　密出　密音南喃舶　懦　经检验配合比方案满足设计要求。具体方案如表３１　作者简介：陈德健（９８２一），男，硕士研究生，研究方向为地下施　，、　工新技术与环境控制ｃｄｊｍｙ｛＠１６３．ｃｏｒｎ　所示。　

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８第６期　・研究与设计・　轻烧氧化镁用于防治水泥稳定碎石基层裂缝的合理剂量研究　陈德健等　表３配合比方案　

２　轻烧氧化镁合理掺量的试验研究　２．１　氧化镁掺量的计算方法　氧化镁掺量的计算要按照《ＧＢ　５０１１９—２Ｏ０３混　凝土外加剂应用技术规范》进行。氧化镁的掺量为　水泥剂量的百分比，并等量代替水泥。计算公式如　下　：　Ｍｓ—Ｍ×ｔ　］　Ｍ１一Ｍ×　—Ｍ。ｌ　（１）　Ｍ２＝＝＝Ｍ×ｔ　×　Ｉ　Ｍｓ—Ｍ１—卜Ｍ２　Ｊ　式中，Ｍ为集料的的总质量；Ｍ　为氧化镁和水泥的　总质量；Ｍｌ为水泥剂量；Ｍ！为氧化镁掺量；ｔ为掺入　氧化镁占水泥的百分比；ｔ　为原外掺水泥百分比。　在配制水稳碎石时，以此为基准，设计掺膨胀剂　的水稳碎石配合比。　２．２　轻烧氧化镁合理掺量的试验研究　２．２．１　氧化镁活性指数的确定　氧化镁材料品质的具体质量情况是用活性指　标、烧失量和氧化钙的含量来评定的，这些质量指标　与氧化镁材料的生产工艺流程、煅烧温度、结晶体尺　寸和粒度等级等有着密切的关系，同时还与所用水　泥品种的质量、氧化镁掺入方式与掺量，以及水化温　度等有关　］。　关于氧化镁的活性指数问题，根据国内众多建　筑工程的使用效果看，适宜的活性指标为２００～２５０　Ｓ，适宜的颗粒细度为１８０￣２４０目＿４］，由此初步选定　本工程所用的轻烧氧化镁的颗粒细度为２００目。本　次试验的氧化镁由天津安美镁业有限公司提供牌号　８５，理化指标如表４所示。　

质量标准　≥８５　≤６．０　≤４．０　一　≤８．０　出厂检测结果８６．１　２．１８　３．１２　一　５．６　注：检验结果符合《轻烧氧化镁》（ＹＢ／Ｔ５２０６　２００４）国家标　准。　２．２．２　水泥砂浆延期压蒸试验　目前确定氧化镁混凝土氧化镁掺量的法规性依　据是《水泥安定性试验方法——压蒸法》，即采用水　泥净浆试件压蒸试验法，以水泥净浆试件的压蒸膨　胀率不超过０．８　来确定氧化镁的掺量，同时要求　氧化镁的掺量必须确保试件压蒸安定性合格，以防　止过量的氧化镁使混凝土过度膨胀而破坏混凝土结　构，危及安全。但是通过研究表明外掺轻烧氧化镁　与水泥熟料中的氧化镁二者的煅烧温度不同，以致　水化速率相差非常大，然而压蒸试验是将二者在同　期内加速水化反应，使早期的膨胀比实际中要大，这　说明压蒸反应条件与水泥真实反应状态不能完全相　符，用水泥净浆压蒸安定性标准来限制混凝土内允　许最大掺量似乎过严＿５］。　经过对比研究决定采用水泥砂浆压蒸试验来确　定氧化镁的合理掺量，同时氧化镁微膨胀水稳碎石。　在膨胀过程中始终存在着膨胀和约束两种力的作　用，为了使试验更合理，采用延期压蒸的方法。即试　件成型后，经过一定时间的正常养护，试件具有一定　强度后再进行压蒸。养护龄期定为７　ｄ。　本次试验各组试件的氧化镁掺量分别为３　、　４　、４．５　、５　、５．５　、６　、８　、１０　。　水泥砂浆试件的膨胀率以百分数表示，试件压　蒸膨胀率按下式计算¨６］：　Ｌ　一　×ｌｏｏ％　（２）　式中，Ｌ　为试件压蒸膨胀率（　）；Ｌ为试件有效长　度（２５Ｏ　ｒａｍ）；Ｌ。为试件脱模后初长读数（ｒａｍ）；Ｌ　为试件压蒸后长度读数（ｒａｍ）。　压蒸试验结果如表５所示。　根据《水泥安定性试验方法》中的要求，普通硅　酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、　粉煤灰硅酸盐水泥的压蒸膨胀率不大于０．５０　０　０，硅　酸盐水泥压蒸膨胀率不大于０．８０　时，为体积安定　性合格，反之为不合格　］。从砂浆压蒸试验成果看，　氧化镁掺量＜５．５　，氧化镁砂浆安定性合格。　２．２．３　限制膨胀率试验　为了更好的模拟掺入氧化镁后的水泥稳定碎石　的膨胀特性，深入研究其膨胀规律，采用ＣＢＲ实验　的试验装置来测定其限制膨胀率。采用　１５０　ＩＸｌｍ　×１５０　ｍｍ的圆柱形试模，保证压实度不小于９８　。　试件首先经７　ｄ标准养生，然后在恒温、恒湿的干燥　

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８第６期　・研究与设计・　轻烧氧化镁用于防治水泥稳定碎石基层裂缝的合理剂量研究　陈德健等　

室内进行１４　ｄ的干缩，最后将试件再次放入养护室　内观察后期膨胀　。　限制膨胀率ｅ按下式计算：　ｅ一　×１ｏ０　（３）　ｕｕ　式中，ｅ为所测龄期的限制膨胀率（９，６）；△Ｌ为所测　

ｂ　槲　漤　啦　龄期的限制膨胀试件的膨胀值（ｒａｍ）；Ｌ。为限制膨　胀试件原始净长（１５０　ｍｍ）。　本次试验只按上基层的配比方案进行了测试，　试验结果如图１所示。　

氧化镁掺量　—・６—－０　十３％　十４％　—＊一４．５％　＋５．０％　＋５．５％　一６％　＋８％　一１０％　

图１掺入氧化镁膨胀剂后的水泥稳定碎石膨胀曲线　由图１可以看出，在标准养生期内，掺加不同掺　验证了掺膨胀剂的水泥稳定碎石试件的膨胀稳定　量膨胀剂的各试件普遍出现一定量的膨胀变形，并　性，即将经过干缩后的试件重新放置在恒温恒湿的　且随着膨胀剂剂量的增加，膨胀量随之增大。掺入　标准养护条件下，观测试件的变形情况。由图中可　量较少的试件最初有轻微的收缩，没有掺加膨胀剂　以看出，重新放回到潮湿环境后，所有试件的干缩变　的试件产生了少量的收缩。经７　ｄ养生后，将试件　形都有所缓和或恢复。　在自然环境下进行干缩。从图中可以看出，在干缩　掺入４．５　和５　９／６膨胀剂的试件，在环境湿度增　期内各试件都出现了一定程度的收缩变形或膨胀速　加的条件下，变形比较稳定；而掺人１Ｏ　膨胀剂的　度减缓。其中，没有添加膨胀剂的试件收缩值较大；　试件，还出现了一定程度的后期膨胀。过多的后期　而掺加膨胀剂的试件，虽也出现一定程度的干缩，但　膨胀会对水泥稳定碎石基层具有较大的危害，特别　掺４％～５　膨胀剂的试件保持着相对稳定的微膨　是在夏季高温季节，当后期膨胀和热胀作用叠加在　胀剂变形，而掺８　和ｌＯ　膨胀剂的试件仍然继续　一起时，将会导致路面的拱胀破坏，因此膨胀剂的剂　膨胀，但膨胀速度有所减慢。　量必须严格控制。　掺加在水泥稳定碎石中的膨胀剂，通过自身的　从图１中可以看出，在此种水泥稳定碎石中掺　水化反应，可以起到补偿试件干缩应变的作用。但　加４．５　～５　的氧化镁膨胀剂，可以使试件在整个　如果膨胀剂掺量过多，将引起基层的膨胀开裂，特别　干缩期和再养生期内的变形都处于相对稳定状态，　是当多余的膨胀剂在强度充分形成后在特定条件下　并起到补偿收缩的作用。这与在水泥砂浆延期压蒸　继续膨胀，则会导致结构性破坏。所以，本文进一步　试验得出的结论基本一致。　

国防交通工程与技术　囵２００８第６期　∞∞　∞　∞　∞　∞　Ｏ　∞　∞　∞　６　５　４　３　２　ｌ　

１　２　３　・研究与设计・　轻烧氧化镁用于防治水泥稳定碎石基层裂缝的合理剂量研究　陈德健等　

３　结论与展望　本文通过试验研究可　水泥收缩具有很好的效果　以得出轻烧氧化镁对补偿　。通过压蒸试验和限制膨　胀率试验可以看出氧化镁的掺量应控制在５　以内，　考虑到施工中的误差以及一些不确定因素，研究认　为，要求施工过程中控制掺量的浮动范围在±０．５　以内，所以最终确定氧化镁的合理掺量为４．４　，并以　此作为廊涿高速公路试验路的配比方案。　由于不同类型不同厂家的水泥性质差异很大，　所以对该项技术的推广还有待进一步研究，不过采　用轻烧氧化镁作为膨胀剂来减少水稳碎石基层裂缝　一定是一个很好的方法。　参考文献　Ｅｌｉ王新娟，邓敏．水泥基材料的收缩与膨胀剂收缩补偿作用　探讨［Ｊ］．材料导报，２００６，（８）：３２—３４　［２］中国建筑科学研究院．ＧＢ　５０１１９—２。（）３混凝土外加剂应　用技术规范ＥＳ］．北京：建筑工业出版社，２００３　Ｅ３］李红，傅智，张子华．公路工程水泥混凝土膨胀剂应用技　术［Ｊ］．公路，２００６，４（４）：７６—７９　［４］李承木，李万军．论氧化镁膨胀材料的品质质量及膨胀性　能［Ｊ］．水电站设计，２００５，（９）：９５—９９　Ｅ５］金红伟．　昆凝土中外掺氧化镁安定掺量的研究［Ｊ］．混凝　土，２００１，（７）：３０—３３　［６］中国建筑材料科学研究院．ＧＢ／Ｔ　７５０—９２水泥压蒸安定　性试验方法［ｓ］．北京：中国标准出版社，１９９２　［７］江臣，刘发，赵永利．膨胀剂对水泥稳定碎石基层干缩性　能的影响［Ｊ］．公路，２００５，８（８）：２１６　２１８