专利名称：膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的应用方法
技术领域：
本发明是一种减少水泥稳定碎石基层在施工成型初期的干缩裂缝，提高水泥 稳定碎石抵抗干縮开裂的能力的方法，属于水泥稳定碎石基层抗干縮性能的应用 的技术领域。
背景技术：
水泥稳定类材料作为一种筑路材料，国际上已有半个多世纪的使用历史。但 在使用中，水泥稳定碎石也暴露出收縮变形大、易开裂等缺陷，水泥稳定碎石基 层的裂缝在沥青面层上形成反射裂缝，从而严重影响了沥青路面的使用性能。为了提高水泥稳定碎石的性靡，减小其收縮变形，国内外已做了不少的研究，如长安大学沙爱民教授则从半刚性路面材料组成及其相互作用等方面，较系统的阐述了半刚性路面材料的强度、变形等路用性能机理，对减少半刚性路面的收縮开裂、提高其早期强度、评定其疲劳及动态特性等都进行了有益的研究和探索， 长安大学杨红辉提出了从能量的观点把应力和应变结合起来有效地评价半刚性材料的抗裂性；东南大学曾通过对级配的优选、细料含量和塑性指数的控制、水泥 剂量和7d无侧限抗压强度的确定等措施较好的控制了水泥稳定碎石的干縮性能， 并系统地研究了施工变异性对水泥稳定碎石干缩性能的影响。目前，为了减少水泥稳定碎石的干縮，常采取三方面的技术措施 一是加强 水泥稳定碎石基层的养护，及时进行保湿养生，并尽快铺设下封层和沥青下面层， 以减少水份的挥发；二是优化水泥稳定碎石的配合比，减少水泥稳定碎石自身的 干縮变形；三是增设防止反射裂缝的结构层，如级配碎石层和应力吸收层等。随 着研究的逐步深入，人们已逐步把添加剂作为减少水泥稳定碎石的重要途径进行 研究，如洛林斯的研究表明，在水泥稳定粒料土中，使用粉煤灰水泥或添加CSA、 消石灰等膨胀剂，可使干縮变形减小5 18%;前苏联也有利用表面活性物质作为 添加剂来改善水泥稳定碎石强度和抗冻性的报道；长安大学沙爱民教授曾系统地研究了通过添加Na2S04来减少石灰稳定土和二灰稳定土收縮的技术可行性；东南 大学的初步研究结果也表明，利用添加剂可使水泥稳定碎石基层的裂缝率减少 30%左右，由此可见利用外加剂来补偿半刚性材料的收縮是一个有效的途径。但 是，目前用于改善水泥稳定碎石基层干縮性能的添加剂尚未有成型的产品问世。另一方面，为了解决水泥混凝土的收縮开裂等问题，各种类型的膨胀剂于上 世纪七、八十年代即被相继开发出来，在混凝土的施工中得到了大面积的应用， 并取得了良好的补偿收縮、减少开裂的效果。本发明即是在借鉴膨胀剂于水泥混 凝土中成功使用经验的基础上，充分考虑了水泥稳定碎石的材料特点，提出了包 括膨胀剂类型选择、剂量确定、基层施工和养生要求在内的一整套膨胀剂在水泥 稳定碎石基层的应用技术。发明内容技术问题本发明要解决的技术问题是提供膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的使用方法。减少水泥稳定碎石基层在施工成型初期的干縮裂缝，提高水泥稳定碎石抵抗干缩开裂的能力。 ，技术方案为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是步骤1:选用硫铝酸钙类膨胀剂作为水泥稳定碎石基层施工采用的膨胀剂；步骤2:在添加膨胀剂于水泥稳定碎石之前，根据室内试验结果，确定膨胀剂的掺量(在水泥稳定碎石中使用膨胀剂，膨胀剂的合理用量)；步骤3:在水泥稳定碎石拌和设备上，设置专用的膨胀剂给料仓，并根据已确定的膨胀剂合理掺量设定给料速度；步骤4:正式施工前，进行一定数量的试拌和，以确定添加膨胀剂的水泥稳定碎石的拌和时间，步骤5:施工结束后，对掺加膨胀剂的水泥稳定碎石基层采取养生措施。 所述步骤2的室内试验有水泥稳定碎石的干縮试验和抗折强度测试。 所述步骤2的水泥稳定碎石的膨胀剂掺量为水泥质量的5% 10%。 所述步骤5的水泥稳定碎石基层的养生时间不少于10天。有益效果本发明是提高水泥稳定碎石基层抗干縮性能的重要手段，发明在以下几方面具有明显的优势。(1)采用外掺法，在水泥稳定碎石拌和过程中添加膨胀剂不需要复杂的装置即可保证添加剂量的准确，添加方法易于操作，便于施工人员掌握。(2) 添加膨胀剂的水泥稳定碎石表现为较好的补偿收縮性能，能够在较大程 度上减少水泥稳定碎石基层在施工成型初期的干縮裂缝。(3) 添加合适剂量膨胀剂的水泥稳定碎石具有较大的抗折强度，能在一定程 度上提高水泥稳定碎石抵抗干縮开裂的能力。
图1为水泥稳定碎石的变形规律曲线，应变f，龄期"。图2为水泥稳定碎石试件的抗折强度变化规律柱状图，抗折强度/,膨胀剂掺量/ 。
具体实施方式
1. 膨胀剂的选择我国的膨胀剂主要用于水泥混凝土中起制约膨胀、抗裂的作用，在混凝土工程 施工中，应用的主要有几类膨胀剂硫铝酸盐系、石灰系、铁粉系和氧化镁系。 近年来，用于补偿收縮的膨胀剂一般多采用硫铝酸盐系。石灰系膨胀剂由于其膨 胀速率对温度、湿度等环境影响十分敏感而较难控制，加之保质期短等原因使其 使用范围受限；铁粉系膨胀剂目前应用很少，仅用于二次灌浆的有约束部位；氧 化镁系膨胀剂目前主要用于我国大坝建设中。考虑到硫铝酸盐系膨胀剂应用的广泛性，本发明采用硫铝酸钙类膨胀剂作为水 泥稳定碎石材料的添加剂。硫铝酸钙类膨胀剂的主要成分是CaO、 S03、 A1203 组成的化合物的混合物。它们与水泥的水化产物发生化学反应，形成三硫型水化 硫铝酸钙结晶体-钙矾石(C3A*3CaS04，32H20)，并以此结晶体进行材料的补偿收 縮。2. 膨胀剂的掺加剂量发明从膨胀剂对水泥稳定碎石材料的干缩性能和抗折强度两个方面，考虑膨胀 剂的合理掺加剂量。(1)膨胀剂掺量对干縮性能的影响为了比较分析膨胀剂掺量对水泥稳定碎石材料干縮性能的影响，，进行不同掺量的干縮对比试验。水泥稳定碎石试件采用7X7X24cm静压小梁试件，试件压实 度控制为98%。试件首先经7d标准养生，然后在恒温、恒湿的干燥室内进行14d 的干縮，然后再将试件置入养护室内观察后期膨胀，试验结果如图1所示。由图1中可以看出，在养生初期，掺加不同掺量膨胀剂的各试件普遍出现一定 量的膨胀变形，并且随着膨胀剂剂量的增加膨胀值也在增加。经7d养生后，将试 件在自然环境下进行干縮。从图1中可以看出，在干縮期内各试件都出现了一定 程度的收縮变形。在各条曲线中，没有添加膨胀剂的试件的收縮曲线，其收縮的 值较大，出现了 250微应变左右的收縮变形。而掺加膨胀剂的试件，虽也出现一 定程度的干縮，但由于在养生期内试件已经产生了膨胀，因此相对于试件的初始 长度来讲，掺膨胀剂后试件在干縮期内并未出现明显的残余收縮变形；掺5%膨胀 剂的试件保持着相等稳定的微膨胀剂变形，而掺15%和20%膨胀剂的试件甚至还 残留着300微应变左右的膨胀变形。为了进一步验证掺膨胀剂的水泥稳定碎石试件的膨胀稳定性，将经过干縮后的 试件重新放置在保温、保湿的标准养护条件下，观测试件的变形情况。由图1可 以看出，重新放回到潮湿环境后，所有试件的干縮变形都有明显的恢复，特别是 未掺膨胀剂的试件，其干縮变形恢复了 60%左右，残留了40%左右的不可恢复变 形。掺入5%和10%膨胀剂的试件，在环境湿度增加的条件下，变形比较稳定，总 的变形波动幅度在100微应变以内；而掺入20%膨胀剂的试件，还出现了一定程 度的后期膨胀。过多的后期膨胀对水泥稳定碎石基层同样具有较大的危害，特别 是在夏季高温季节，当后期膨胀和热胀作用叠加在一起时，将出现路面的拱胀破 坏。基层施工规范中规定，土中硫酸盐含量超过0.25%的土不应用水泥进行稳定， 正是为了避免出现拱胀破坏。综合整个变形过程可以看出，对于此种水泥稳定碎 石掺加5%~10%的膨胀剂，可以使试件在整个干縮期和再养生期内的变形都处于 相对稳定状态，并起到补偿收縮的作用。 (2)膨胀剂掺量对抗折强度的影响由于膨胀剂具有填充孔隙，减少试件内部原始缺陷的作用，因此，它在一定程 度上可以影响试件的强度。为次，从材料抗折强度变化的角度，分析膨胀剂的合 理掺量。图2为不同膨胀剂掺量下的水泥稳定碎石试件的抗折强度。由图2可以看出， 在水泥稳定碎石混合料中添加适量的膨胀剂可以明显提高试件的抗折强度。这是由于膨胀剂水化产生的钙矾石通常填充在试件内部的孔隙中，对孔隙起到了一定 的支撑加固作用；同时钙矾石产生的膨胀又提高了试件的密实度、减少了原始裂 缝的尺寸，从而提高了试件的承载能力。而试件抗弯拉强度的提高又增强了试件 抵抗干缩开裂的能力，因此可以预期掺入5% 10%的膨胀剂的水泥稳定碎石基层 的干縮裂缝率应是很小的。而膨胀剂剂量过多时，特别是对于膨胀剂掺量达到15% 时，由于出现比较明显的后期膨胀，钙矾石的大量生成将造成试件内部的微观膨 胀开裂，从而使试件的抗折强度降低，因此膨胀剂的剂量必须严格控制。需要说明的是，采用了其他厂商生产的硫铝酸盐系膨胀剂，进行水泥稳定碎石 的干縮试验和抗折强度的测试，也得到了与上文类似的结论，因此，膨胀剂的合 理掺量为5%~10%。3.水泥稳定碎石基层的养生掺加膨胀剂的水泥稳定碎石的养护工作是很重要的，养护不好，水泥稳定碎石 照样与普通水泥稳定碎石一样，会产生一定数量裂缝。膨胀剂加入到水泥稳定碎 石中，它们与水泥的水化产物发生化学反应，形成三硫型水化硫铝酸钙结晶体-钙 矾石(C3A*3CaS(V32H20)以补偿收缩，由于膨胀剂结晶体钙矾石的生成需要水， 这个过程很容易出现由于养护不当造成裂纹大量出现的情况。因此，三硫型水化 硫铝酸钙结晶体生成过程即为水泥稳定碎石基层的养生时间。通过对图1中曲线的分析，不难看出在掺加膨胀剂的水泥稳定碎石在成型后的 l~10d是膨胀变形的主要阶段，此时应特别加强浇水养护，因此，本发明采用的 养生周期为10d。在此养生周期内，可以采用与普通水泥稳定碎石基层相同的保湿 保温养护方式。
权利要求
1、一种膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的应用方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤1选用硫铝酸钙类膨胀剂作为水泥稳定碎石基层施工采用的膨胀剂；步骤2在添加膨胀剂于水泥稳定碎石之前，根据室内试验结果，确定膨胀剂的掺量，步骤3在水泥稳定碎石拌和设备上，设置专用的膨胀剂给料仓，并根据已确定的膨胀剂合理掺量设定给料速度；步骤4正式施工前，进行一定数量的试拌和，以确定添加膨胀剂的水泥稳定碎石的拌和时间，步骤5施工结束后，对掺加膨胀剂的水泥稳定碎石基层采取养生措施。
2、 如权利要求l所述的膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的应用方法，其特征在于，所述步骤2的室内试验有水泥稳定碎石的干縮试验和抗折强度测试。
3、 如权利要求l所述的膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的应用技术，其特征在 于，所述步骤2的水泥稳定碎石的膨胀剂掺量为5% 10%4、 如权利要求l所述的膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的应用技术，其特征在 于，所述步骤5的水泥稳定碎石基层的养生时间不少于10天。
全文摘要
膨胀剂在水泥稳定碎石基层中的应用方法包括如下步骤步骤1选用硫铝酸钙类膨胀剂作为水泥稳定碎石基层施工采用的膨胀剂；步骤2在添加膨胀剂于水泥稳定碎石之前，根据室内试验结果，确定膨胀剂的掺量，步骤3在水泥稳定碎石拌和设备上，设置专用的膨胀剂给料仓，并根据已确定的膨胀剂合理掺量设定给料速度；步骤4正式施工前，进行一定数量的试拌和，以确定添加膨胀剂的水泥稳定碎石的拌和时间，步骤5施工结束后，对掺加膨胀剂的水泥稳定碎石基层采取养生措施。该方法能减少水泥稳定碎石基层在施工成型初期的干缩裂缝，提高水泥稳定碎石抵抗干缩开裂的能力。
文档编号E01C7/08GK101275380SQ20081010075
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者赵永利, 俊 陈, 黄晓明 申请人:东南大学