氧化鎂對半剛性基層力學性能及穩定性影響分析

孟新，王勇，蔡同星，高勁松，王君，丁慶軍，解鵬洋

（1.武漢市市政建設集團有限公司，湖北武漢 430050；2.武漢理工大學硅酸鹽工程中心國家重點實驗室，湖北武漢 430070；3.中國新型建材設計研究院有限公司，浙江杭州 310022）

0 前 言

目前，半剛性基層材料在各等級公路中得到了普遍的應用。但由于其本身的特性，即對溫濕度變化較敏感，在使用過程中出現了一些致命的缺點，如收縮大、易產生收縮裂縫等[1-2]。這些裂縫在行車荷載的長期作用下，對路面容易產生反射裂縫，導致瀝青路面層破壞，嚴重時則失去承載能力，影響公路的使用壽命[3]。因此，半剛性基層材料的收縮開裂問題已成為當前國內外急需解決的一個重要問題。

對于半剛性基層材料產生裂縫的原因，國內外學者認為基層結構的失水導致了干燥收縮應力和溫度收縮應力，這兩者的共同作用下半剛性基層材料會出現裂縫。國內外進行了大量關于半剛性基層材料的干燥收縮和溫度收縮性能的研究。Sanan 和George 等[4-6]研究了水泥穩定土的干縮特性，得出了影響水泥穩定土收縮應變的因素：集料中小于0.002 mm 黏粒含量越多，水泥穩定土的收縮越大，且其干縮量增加速度較黏粒含量的增加速度快；成型試件時，試件的含水量越大，穩定土的干縮應變也越大，因此在施工過程中要注意含水量的控制，保證其含水量在最優含水量浮動范圍內；另外水泥穩定土的干密度越大，干縮應變越小。Rawlings[7]認為，影響水泥穩定土干縮特性的因素包括粒料土的種類和粒徑、土的塑性及含水量、水泥的用量等。王宏暢等[8]對比研究了3 種傳統無機結合料穩定粒料的干縮性能，得出結論：二灰穩定碎石＞水泥穩定碎石＞水泥粉煤灰穩定碎石。王加龍等[9]研究了無機結合料和固化劑穩定粉土的干縮性能和溫縮性能，得出結論：混合料的收縮性能主要受濕度的影響，干縮作為半剛性基層材料收縮的主要原因，在施工初期要灑水養護，避免由于水分蒸發而產生的收縮開裂。許巍等[10]研究了簡易機場水泥穩定細粒土基層的抗裂特性，試驗結果表明，水泥穩定細粒土材料受到溫度、濕度等環境因素影響時，其干縮、溫縮隨養護齡期延長、水泥摻量增加而降低，干縮對材料抗裂性能的影響更為顯著。

從國內外的研究現狀可知，目前的研究主要集中在水泥穩定粒料類基層的收縮性能方面，研究的重點主要在級配設計及水泥摻量的控制等方面，而針對固化劑穩定土基層的收縮特性研究較少，穩定材料也是單一的傳統穩定材料。本文采用多組分材料復合進行減縮增強的技術原理與方法，開發了可顯著提高水泥穩定土強度和水穩性能，并降低收縮和提高抗裂性能的材料，針對采用該材料制備穩定土并進行力學性能、水穩定性能和收縮性能研究，從而為我國半剛性基層路面材料的研究與應用提供研究思路和參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：武漢華新水泥廠，P·O42.5 水泥，物理力學性能見表1。

表1 水泥的物理力學性能

土樣：取自武漢某施工場地，黃色細粒狀，其主要物理力學性能見表2。根據JTG E40—2007《公路土工試驗規程》按塑性指數分類法，本試驗用土屬于粉質黏土。

表2 土樣的物理力學性能

菱鎂礦：遼寧海城群力礦業有限公司，采用XRF 和XRD測得菱鎂礦的化學成分和物相組成見表3 和圖1。

圖1 菱鎂礦的XRD 圖譜

表3 菱鎂礦的化學成分%

1.2 試驗方法

無側限抗壓強度和抗彎拉強度試驗：按JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的方法制備和養生試件，試件成型壓實度控制在96%，對穩定土基層材料進行無側限抗壓強度、間接抗拉強度測試。

干縮試驗：按JTG E51—2009 中的T0854-2009 進行試件的制備與養生，并測試材料的失水收縮程度和干縮系數。

氧化鎂活性：按YB/T 4019—2020《輕燒氧化鎂化學活性測定方法》測試煅燒菱鎂礦的活性指標。首先將菱鎂礦破碎，再放入球磨機粉磨到一定的細度，將菱鎂礦粉料放入電爐中煅燒，升溫速率設置為10 ℃/min，將爐溫分別加熱到700、750、800、900 ℃，目標保溫時間分別設為1.0、1.5、2.0、2.5 h。

限制膨脹率試驗：按GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》進行測試，試驗采用40 mm×40 mm×160 mm 三聯模，并放入縱向限制器（骨架）裝料成型，1 d 脫模后進行標準入水養護，在規定齡期用螺旋測微器測量試件的長度。

水穩定性試驗：按JTG E51—2009 規定的方法評價穩定土的水穩定性。

2 結果與分析

2.1 煅燒氧化鎂的性能研究

采用檸檬酸中和法，測得不同煅燒溫度和保溫時間下煅燒氧化鎂的活性（反應時間）見表4。

表4 不同煅燒溫度和保溫時間下煅燒氧化鎂的活性

由表4 可知，在不同煅燒溫度下，隨著保溫時間的延長，試樣與檸檬酸所需反應時間越久，氧化鎂的反應活性降低。保溫時間一定時，低溫煅燒氧化鎂反應活性比高溫煅燒氧化鎂反應活性要高。其中，試樣在900 ℃煅燒、保溫2.5 h 制度下，反應活性最低。

不同煅燒溫度和保溫時間下試樣的限制膨脹率見表5。

表5 不同煅燒溫度和保溫時間下試樣的限制膨脹率

由表5 可知，隨煅燒溫度升高和保溫時間的延長，試樣的早期膨脹率降低，但后期水化膨脹逐漸增大，膨脹率有所提高，特別是900 ℃煅燒并保溫1.0 h 的試樣，在90 d 時仍然具有明顯的膨脹現象。說明煅燒溫度升高以及保溫時間的延長，氧化鎂的水化膨脹延遲特性越明顯[11]。煅燒溫度升高，會使氧化鎂晶格尺寸逐漸減小，材料中的孔隙率減小，致密度提高，因而水化活性降低。當保溫時間延長時，發生重結晶的MgO晶體高溫生長的時間增多，氧化鎂晶體更加致密，膨脹的時間將延遲更長。

綜合以上分析，煅燒溫度越低，氧化鎂活性相應越高，其早期膨脹顯著，后期膨脹不足，不僅難以彌補穩定土的收縮，反而會影響其強度。但煅燒溫度太高，MgO 水化膨脹時間延長，膨脹量太大。從氧化鎂燒成成本及后期的膨脹作用出發，煅燒溫度宜選擇900 ℃，煅燒時間宜為1.5 h。

2.2 煅燒氧化鎂對穩定土力學性能的影響

以水泥和氧化鎂復合材料為無機結合料，結合料劑量為10%。評價了不同氧化鎂摻量條件下水泥穩定土的無側限抗壓強度，氧化鎂摻量按占水泥質量計，結果見表6。

表6 氧化鎂摻量對穩定土力學性能的影響

由表6 可知，氧化鎂摻量從3%增大到12%時，穩定土的無側限抗壓強度呈先提高后降低的趨勢。未摻氧化鎂穩定土的7 d 無側限抗壓強度為2.9 MPa，當摻入3%氧化鎂時，無側限抗壓強度達到4.8 MPa，提高了65.5%。并且隨著氧化鎂摻量的增大強度持續提高，在氧化鎂摻量為9%時達到最大值5.8 MPa。這主要是由于混合料中除了水泥水化產物外還有氧化鎂水化生成的少量氫氧化鎂晶體，這些晶體在水化初期與尚未發生水化反應的氧化鎂顆粒填充在土體空隙間，使穩定土致密化，強度有所提高。然而，當氧化鎂摻量達到12%時，穩定土強度略有降低，這可能是由于水泥用量有所降低所致。

氧化鎂摻量對穩定土干縮應變的影響見圖2。

圖2 氧化鎂摻量對穩定土干縮應變的影響

由圖2 可知，在相同齡期內隨著氧化鎂摻量的增加，穩定土干縮應變逐漸減??；氧化鎂摻量一定時，早期穩定土的干縮應變逐漸增大，后期逐漸減小。這是因為氧化鎂的水化反應較為緩慢，隨著齡期的延長，氧化鎂水化形成的氫氧化鎂晶體增多，因而后期干縮應變逐漸減小。

氧化鎂摻量對穩定土水穩定性的影響見圖3。

圖3 氧化鎂摻量對穩定土水穩定性的影響

由圖3 可知，各樣品的水穩系數均隨浸泡時間的延長而減小，早期減小幅度較大，后期幅度變小。此外，摻氧化鎂體系穩定土在各浸泡時間段的水穩系數均大于未摻氧化鎂穩定土。以28 d 為例，未摻氧化鎂穩定土的水穩系數為81.1%，而摻加3%、6%、9%、12%氧化鎂穩定土的水穩系數分別增大至82.5%、84.2%、85.9%、87.1%。導致水穩定性增加的原因是氧化鎂的引入使土樣結構更加致密，水分進入量降低，且反應產物氫氧化鎂為極難溶物質，在土樣中晶體結構穩定。因而從力學性能、干縮應變和水穩定性等方面綜合考慮，氧化鎂在水穩層中的應用具有顯著的可行性。

3 結 論

（1）隨菱鎂礦煅燒溫度的升高與保溫時間的延長，無機結合料的早期膨脹降低，而后期膨脹增大。

（2）氧化鎂的水化能在一定程度上提高穩定土的致密程度，因而穩定土的無側限抗壓強度隨氧化鎂摻量的增加明顯提高，但摻量過高對力學性能有一定的負面作用，結合無側限抗壓強度和水穩定性等綜合分析，其最佳摻量為水泥質量的9%。

（3）穩定土的干縮應變隨氧化鎂摻量的增加而減小，且水穩定性得到提高。