王一琪，譚憶秋，王開生，王興隆

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050；3.黑龍江省交通科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

復(fù)合材料是由2 種或2 種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)方法組成的具有新性能的材料.各組成材料在性能上取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，進(jìn)而滿足不同的要求［1］.水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石作為一種新型復(fù)合材料被越來越多地應(yīng)用于工程實際中［2－3］.水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石是以水泥、乳化瀝青和水共同作為結(jié)合料，摻入具有一定級配的碎石中，利用水泥吸附混合料中水分及水化熱的特點來加速乳化瀝青破乳，水泥水化產(chǎn)物和瀝青交織裹覆礦料顆粒，形成相互交叉的立體網(wǎng)絡(luò)；經(jīng)拌和形成以水泥為連續(xù)相，瀝青為分散相的復(fù)合材料［4］.以水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石修筑的路面基層兼具半剛性、柔性基層的特點，因此也被稱為半柔性基層.在保持水泥穩(wěn)定碎石高強(qiáng)度的前提下，乳化瀝青的加入可適當(dāng)降低其抗壓回彈模量，提高其抗裂性能，防止反射裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而延長道路的使用壽命.饒建成［5］對半剛性、半柔性基層瀝青路面進(jìn)行了力學(xué)響應(yīng)分析，指出了半剛性基層瀝青路面的弊端.殷川等［3］對水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的干縮特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其抗干縮能力較半剛性基層好.李志剛等［6］對水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的干縮性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青的加入可以有效延緩基層干縮開裂.然而乳化瀝青的存在，使水泥穩(wěn)定碎石呈現(xiàn)出不同的溫縮特性.特別是在寒冷地區(qū)路面基層中尚未得到廣泛應(yīng)用.因此，本文著重對水泥乳化瀝青碎石溫縮特性進(jìn)行研究.

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用海倫亞泰水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1.乳化瀝青為陽離子慢裂型乳化瀝青，其基本性質(zhì)見表2.

表1 水泥的物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of Portland cement

表2 乳化瀝青的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of emulsified asphalt

按照J(rèn)TG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》設(shè)計水泥穩(wěn)定碎石的級配，見表3.

表3 水泥穩(wěn)定碎石的級配Table 3 Gradation of cement stabilized crushed stones

1.2 試件制備與成型

試件采用梁式試件，尺寸為100mm×100mm×400mm，采用靜力壓實法成型，將裝模后的混合料在400kN 壓力下靜壓2min，此時模具上下壓塊完全壓入試模.使用塑料薄膜將脫模完畢的試件包裹密實之后，將試件放進(jìn)養(yǎng)生室或標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃，相對濕度在95%以上.

1.3 試驗設(shè)備

溫縮系數(shù)是指材料在下降單位溫度條件下產(chǎn)生的收縮應(yīng)變量.依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，采用康銅箔電阻式應(yīng)變片電測法測定試件的溫縮系數(shù).并選擇無壓燒結(jié)碳化硅材料作為溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)件，其線膨脹系數(shù)比水泥穩(wěn)定碎石的收縮系數(shù)小1個數(shù)量級.

采用J－THERMO 的TH300 型溫濕度程式控制器來控制試驗溫度，溫度范圍－100～200 ℃.同時采用DT80 智能數(shù)據(jù)采集儀采集試件的靜態(tài)應(yīng)變值.

1.4 試驗過程

養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到90d時，將試件放入105℃干燥箱中，10～12h后取出試件，放在通風(fēng)干燥處冷卻至常溫.將水泥砂漿涂抹在梁式試件的2個相對側(cè)面的預(yù)定貼片區(qū)上，用砂紙將烘干后的涂層打磨平整.粘貼電阻應(yīng)變片，保證其處于試件中軸線的位置.用串聯(lián)的方法連接試件兩側(cè)的電阻應(yīng)變片，并采用相同的方法將溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)件的2 個應(yīng)變片連接完畢.最后將連接所有應(yīng)變片的引線接入DT80智能數(shù)據(jù)采集儀.將接好線的試件和溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)件采取橫臥位放入溫濕度程式控制器中，試件的底面墊置涂有潤滑油的光圓鋼筋.溫縮系數(shù)按式（1）進(jìn)行計算：

式中：αt為溫縮系數(shù)；ti，ti－1為2個相鄰恒溫段的溫度值；εi，εi－1分別為溫度ti，ti－1對應(yīng)的溫縮應(yīng)變；βS為溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)件的線膨脹系數(shù).

本文在分析中采用了平均溫縮系數(shù)的概念，即分別求出高溫區(qū)間（0～30℃）各個溫度下溫縮系數(shù)的平均值與低溫區(qū)間（－30～0℃）各個溫度下溫縮系數(shù)的平均值，再取其平均值.

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期對溫縮特性的影響

為分析養(yǎng)護(hù)齡期對水泥穩(wěn)定碎石及水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石溫縮特性的影響，采用水泥用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文涉及的用量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為4.0%，乳化瀝青用量為0%，2.0%，2.5%和3.0%的試件（分別標(biāo)記 為CEA0－4.0，CEA2.0－4.0，CEA2.5－4.0 和CEA3.0－4.0），測定其7，90d養(yǎng)護(hù)齡期的平均溫縮系數(shù)，結(jié)果列于表4.

表4 養(yǎng)護(hù)齡期對平均溫縮系數(shù)的影響Table 4 Effect of aging time on average temperature shrinkage coefficient ×10－6／℃

由表4可知，水泥穩(wěn)定碎石與水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大.并且隨著乳化瀝青用量的增加，無論7d 還是90d養(yǎng)護(hù)齡期，水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)均呈逐漸減小的趨勢.

現(xiàn)行規(guī)范中，水泥穩(wěn)定類材料的養(yǎng)護(hù)齡期為90d，并未對水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的養(yǎng)護(hù)齡期作出規(guī)定.由表4可知，養(yǎng)護(hù)齡期為7d時，2種混合料的平均溫縮系數(shù)均較小，且變化規(guī)律較養(yǎng)護(hù)齡期為90d時不明顯.養(yǎng)護(hù)齡期為7d時，水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石中的膠結(jié)物和水化產(chǎn)物較少；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，生成的膠結(jié)物和水化產(chǎn)物越來越多，其對乳化瀝青的黏著連接加強(qiáng)，溫縮系數(shù)隨之增大［7］.因此，為了更加準(zhǔn)確地分析混合料的溫縮性能，使乳化瀝青與水泥充分水化，減少養(yǎng)護(hù)齡期的影響，應(yīng)選擇養(yǎng)護(hù)齡期為90d進(jìn)行試驗.

2.2 乳化瀝青用量對溫縮特性的影響

不同乳化瀝青用量下試件的溫縮應(yīng)變、溫縮系數(shù)以及平均溫縮系數(shù)與溫度的關(guān)系見表5～7.

表5 不同乳化瀝青用量下溫縮應(yīng)變隨溫度的變化Table 5 Variation of temperature shrinkage strain with temperature under different use levels（by mass）of emulsified asphalt ×10－6

表6 不同乳化瀝青用量下溫縮系數(shù)隨溫度區(qū)間的變化Table 6 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature range under different use levels（by mass）of emulsified asphalt ×10－6／℃

表7 不同溫度區(qū)間下平均溫縮系數(shù)隨乳化瀝青用量變化Table 7 Variation of average temperature shrinkage coefficient with use level（by mass）of emulsified asphalt under different temperature ranges ×10－6／℃

由表5～7 可知，乳化瀝青的加入可以有效抑制水泥穩(wěn)定碎石的溫度收縮，并且隨著乳化瀝青用量的增加，試件的溫縮應(yīng)變、溫縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)均呈逐漸降低的趨勢.當(dāng)乳化瀝青用量為3.0%時，試件CEA3.0－4.0 在0 ℃時 的 溫縮應(yīng)變比普通水泥穩(wěn)定碎石試件CEA0－4.0減小了18%；當(dāng)乳化瀝青用量為2.5% 時，試件CEA2.5－4.0在30～0℃區(qū)間內(nèi)的平均溫縮系數(shù)比試件CEA0－4.0減小了10%.

由表7還可以看出，由于瀝青材料本身的溫度敏感性高，隨著溫度區(qū)間向高溫區(qū)間移動，試件的溫縮系數(shù)隨乳化瀝青用量增加而減小的趨勢減緩.因此，乳化瀝青用量不宜超過3.0%，否則會影響整體材料的溫縮特性［7－8］.

2.3 水泥用量對溫縮特性的影響

水泥為水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石中的主要膠結(jié)料，其用量對材料的溫縮特性有重要影響.表8～10給出了乳化瀝青用量固定為2.5%，水泥用量分別為3.5%，4.0%，4.5%和5.0%時水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石試件（分別標(biāo)記為CEA2.5－3.5，CEA2.5－4.0，CEA2.5－4.5和CEA2.5－5.0）的溫縮應(yīng)變、溫縮系數(shù)、平均溫縮系數(shù)與溫度的關(guān)系.

表8 不同水泥用量下溫縮應(yīng)變隨溫度的變化Table 8 Variation of temperature shrinkage strain with temperature under different cement content（by mass）×10－6

表9 不同水泥用量下溫縮系數(shù)隨溫度區(qū)間的變化Table 9 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature range under different cement content（by mass） ×10－6／℃

表10 不同溫度區(qū)間下平均溫縮系數(shù)隨水泥用量的變化Table 10 Variation of average temperature shrinkage coefficient with cement content（by mass）under different temperature ranges ×10－6／℃

由表8～10可知，在乳化瀝青用量相同時，不同水泥用量下水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石試件的溫縮應(yīng)變、溫縮系數(shù)及平均溫縮系數(shù)均產(chǎn)生了一定程度的變化.無論在高溫段還是低溫段，試件的平均溫縮系數(shù)均隨水泥用量的增加而呈先減小后變大的趨勢.當(dāng)試件的平均溫縮系數(shù)達(dá)到最小值時，對應(yīng)的水泥用量（4.0%）為最佳水泥用量.

2.4 水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石溫縮機(jī)理分析

水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石由固相、液相及氣相組成.固相、液相及氣相不同熱脹縮性的綜合作用組成了水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石材料的外觀熱脹縮性.原材料顆粒中各種結(jié)晶體、礦物和集料，經(jīng)化學(xué)作用生成的起膠結(jié)作用的結(jié)晶（Ca（OH）·nH2O，CaCO3）、水化產(chǎn)物結(jié)晶和凝膠（C－S－H，C－A－H 和C－A－S－H），以及乳化瀝青，這4大部分組成了干燥的水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石.水泥水化反應(yīng)與乳化瀝青破乳形成瀝青膜同時進(jìn)行，水泥水化后產(chǎn)生大量膠結(jié)物，乳化瀝青在破乳過程中，瀝青微珠裹覆在集料表面形成1層瀝青薄膜，水化產(chǎn)物與瀝青薄膜既相互獨立又相互滲透，交織在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).一部分水泥水化產(chǎn)物深入到瀝青薄膜內(nèi)部，扎根于集料表面；另一部分則插入集料表面的瀝青薄膜內(nèi)，使得水化產(chǎn)物間的連接作用加強(qiáng)［9］.

水泥的水化產(chǎn)物在礦粉與瀝青薄膜間、瀝青薄膜與瀝青薄膜間、礦粉與礦粉間起到了“加筋”的作用，使得材料顆粒間的移動受阻.因此，乳化瀝青可以抑制水泥穩(wěn)定碎石的溫度收縮，從而減少反射裂縫的產(chǎn)生［10－11］.

3 結(jié)論

（1）加入乳化瀝青后，水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的剛度介于柔性基層與半剛性基層之間，水泥與乳化瀝青充分發(fā)揮了各自的特點，對粒料的黏結(jié)性互補(bǔ)，從而形成了性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料.

（2）水泥穩(wěn)定碎石與水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的平均溫縮系數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大.為準(zhǔn)確分析水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石的溫縮特性，使其充分水化，應(yīng)選擇養(yǎng)護(hù)齡期為90d進(jìn)行試驗.

（3）在水泥穩(wěn)定碎石基層混合料中加入乳化瀝青，可以有效降低其溫度收縮，試件的溫縮應(yīng)變、溫縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)均隨乳化瀝青用量的增加而減小.但乳化瀝青用量由2.5%增至3.0%時，試件的溫縮系數(shù)隨乳化瀝青用量增加而減小的趨勢減緩，這說明乳化瀝青用量不宜超過3.0%.

（4）水泥穩(wěn)定碎石基層混合料的溫縮特性與水泥用量息息相關(guān).隨著水泥用量的增加，試件的平均溫縮系數(shù)呈先減小后增大的趨勢.當(dāng)平均溫縮系數(shù)達(dá)到最小值時，對應(yīng)的水泥用量（4.0%）為最佳水泥用量.

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