雷小磊, 崔玉龍

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥改性乳化瀝青、泡沫瀝青混合料等力學(xué)性能進(jìn)行了一些研究。如馮新軍，熊銳，楊曉凱等[1-4]圍繞煤矸石粉瀝青混合料的路用性能開(kāi)展了一系列的研究。如溫浩[5]通過(guò)試驗(yàn)，得出隨著水泥摻量的增加可以增強(qiáng)乳化瀝青混凝土的力學(xué)性能，綜合強(qiáng)度、模量和經(jīng)濟(jì)性分析，確定最適宜的水泥摻量為2.5%。何德偉[6]通過(guò)對(duì)瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，得出摻1.5%水泥改性瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度可提高11.0%～85.0%，建議冷再生混合料中水泥摻量為1.5%。

作者團(tuán)隊(duì)[7]采用水泥與礦粉2種填料與瀝青質(zhì)量比例制備瀝青膠漿，對(duì)二者的路用性能進(jìn)行了系列指標(biāo)的測(cè)定，綜合評(píng)判水泥與礦粉對(duì)瀝青膠漿性能影響效果。通過(guò)研究，當(dāng)mc/ma在0.4～0.6范圍時(shí)，選用水泥填料的瀝青膠漿比礦粉填料的瀝青膠漿在抗剪強(qiáng)度、耐高溫性能和抗車(chē)轍能力等方面均有較大幅度的提升。

選用水泥作為摻入料，以摻入料占混凝土配合比為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6種比例制備瀝青混凝土試件，對(duì)不同比例條件下的瀝青混凝土性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，分析評(píng)判不同摻量水泥改性瀝青混凝土的合理?yè)饺氡壤芯砍晒麨樗嘧鳛樘盍细男詾r青混凝土路用性能的可行性提供了依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)瀝青

瀝青選用A-10#基質(zhì)石油瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 A-10#基質(zhì)石油瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

(2)水泥與礦粉

水泥選用安徽舜岳水泥有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8-10]，其相應(yīng)主要技術(shù)性能指標(biāo)和水泥的主要化學(xué)組成如表2所示。

表2 水泥(C)的主要技術(shù)指標(biāo)

(3)集料

試驗(yàn)用細(xì)骨料粒徑范圍為0～5mm的中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。粗骨料粒徑范圍為10～20mm的碎石，飽和面干狀態(tài)，連續(xù)級(jí)配。

(4)拌合用水選用普通自來(lái)水。

1.2 瀝青混合料配合比

根據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果，確定 m(RAP)：m(10～20mm碎石)：m(0～5mm機(jī)制砂)75：15：10。

按照規(guī)范要求，選用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定水泥摻量為1.5%時(shí)的瀝青混凝土的最佳拌和用水量為5.6%，并充分考慮干、濕混合料狀態(tài)下的瀝青用量原則，試驗(yàn)選取5.0%作為瀝青的用量。試驗(yàn)中，水泥的摻入方式為外摻形式，摻量分別占混凝土配合比為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6種比例。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 瀝青混合料制備

試驗(yàn)選用水泥作為摻入料，以摻入料占混凝土配合比為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6種比例制備瀝青混凝土試件，具體制備施工技術(shù)工藝為：首先將水泥、潔凈集料分別置于100℃±5℃烘箱中烘干至恒重，確保材料中的水分被充分干燥蒸發(fā)。按照配合比設(shè)計(jì)要求，將集料置于瀝青攪拌器中預(yù)熱至80℃，加入5.6%的拌和用水，攪拌120s，再加入5.0%的瀝青材料并均勻攪拌120s，最后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的摻量0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%分別加入水泥后攪拌120s后制成混合料。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，制作各類(lèi)試件，并在20℃保濕環(huán)境下養(yǎng)生24h后脫模，在養(yǎng)生7d內(nèi)進(jìn)行各類(lèi)試驗(yàn)。

1.3.2 主要試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定瀝青混凝土圓柱體試件的抗壓強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度為20℃，試件尺寸選擇為直徑100mm±2.0mm、高100mm±2.0mm的圓柱體，試件靜壓成型，制作完成后需要在50℃恒溫烘箱中養(yǎng)生5d后進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)選用自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀測(cè)定瀝青混凝土?xí)r間的馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)。試件用擊實(shí)儀擊實(shí)成型，即將瀝青混合料裝入試模后，首先進(jìn)行雙面擊實(shí)，兩面各擊實(shí)30次，靜置于50℃烘箱中24h后再進(jìn)行雙面擊實(shí)，兩面各擊實(shí)20次，冷卻24h后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度及浸水殘留穩(wěn)定度指標(biāo)測(cè)定。

試驗(yàn)選用自動(dòng)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)定瀝青混凝土馬歇爾試件的劈裂強(qiáng)度，分別對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度試件在20℃及～16℃進(jìn)行浸水2h后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。即一組試件在20℃水中浸水2h后測(cè)定劈裂強(qiáng)度R1；另一組首先在20℃水中浸水2h，后在0.098 MPa浸水抽真空15min，再先后移至16℃冰箱中10h和50℃水浴中10h，最后置于20℃水中浸水2h后進(jìn)行劈裂強(qiáng)度R2測(cè)定試驗(yàn)，計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比TSR=R2/R1，以評(píng)定瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

試驗(yàn)選用自動(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)儀測(cè)定動(dòng)穩(wěn)定度用于評(píng)定瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)試驗(yàn)試件制作規(guī)范要求，用輪碾儀將試件制作成300mm×300mm×50mm的試板，成型時(shí)瀝青混合料的碾壓溫度控制在140℃左右，混合料碾壓至與試板齊平為止。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果及分析

由圖1可知，隨著水泥的摻入，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)增大，未摻入水泥的混凝土試件抗壓強(qiáng)度為3.914MPa。當(dāng)水泥摻量為0.5%、1%、1.5%和2%時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度分別增大至4.471MPa、5.306MPa、5.539MPa和5.846MPa，提高了14.2%、35.6%、41.5%和49.4%，呈迅速遞增趨勢(shì)。而隨著水泥摻量的進(jìn)一步加大至2.5%時(shí)，測(cè)得抗壓強(qiáng)度為5.913MPa，增幅為51.1%，增幅呈緩和趨勢(shì)。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試件的剪切變形變小，抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)摻量在2%左右時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)。

圖1 不同水泥摻量混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)

圖2 不同水泥摻量混凝土試件馬歇爾穩(wěn)定度(kN)

圖3 不同水泥摻量混凝土試件殘留穩(wěn)定度(%)

2.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果及分析

由圖2可知，隨著水泥的摻入，混凝土試件的馬歇爾早期穩(wěn)定度、后期穩(wěn)定度和后期浸水穩(wěn)定度也相應(yīng)增大，未摻入水泥的混凝土試件馬歇爾早期穩(wěn)定度為8.7kN。當(dāng)水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時(shí)，混凝土試件的馬歇爾早期穩(wěn)定度分別增大至10.6kN、13.4kN、14.1kN，提高了21.8%、54.0%、62.1%，呈迅速遞增趨勢(shì)。而隨著水泥摻量的進(jìn)一步加大至2%和2.5%時(shí)，測(cè)得試件的馬歇爾早期穩(wěn)定度為14.3kN和14.5kN，增幅為64.4%和66.7%，增幅呈緩和趨勢(shì)。由于水泥摻量的進(jìn)一步增大，試件硬度增大，馬歇爾后期穩(wěn)定度未能讀出數(shù)據(jù)。后期浸水穩(wěn)定度的數(shù)值為未浸水試件穩(wěn)定度的50.6%～79.3%，變化趨勢(shì)與其相同。

由圖3可知，隨著水泥的摻入，混凝土試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度也相應(yīng)增大，未摻入水泥的混凝土試件馬歇爾殘留穩(wěn)定度為49.4%。當(dāng)水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時(shí)，混凝土試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度分別增大至65.5%、77.3%、81.3%kN，呈迅速遞增趨勢(shì)。而隨著水泥摻量的進(jìn)一步加大至2%和2.5%時(shí)，測(cè)得試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度為82.1%和83.4%，增幅呈緩和趨勢(shì)。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試件的馬歇爾穩(wěn)定度呈迅速增大趨勢(shì)。當(dāng)摻量在2%左右時(shí)，試件的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度以及殘留穩(wěn)定度的增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)。

2.3 車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果及分析

由圖4可知，隨著水泥的摻入，混凝土試板的動(dòng)穩(wěn)定度也相應(yīng)增大，未摻入水泥的混凝土試板的動(dòng)穩(wěn)定度為1106次/mm。當(dāng)水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時(shí)，混凝土試板的動(dòng)穩(wěn)定度分別增大至1367次/mm、1586次/mm、1721次/mm，提高了23.6%、43.4%、55.6%，呈迅速遞增趨勢(shì)。而隨著水泥摻量的進(jìn)一步加大至2%和2.5%時(shí)，測(cè)得試板的動(dòng)穩(wěn)定度為1799次/mm和1803次/mm，增幅為62.7%和63%，增幅呈緩和趨勢(shì)。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試板的動(dòng)穩(wěn)定度增大。當(dāng)摻量在1.5%～2%時(shí)，試板的動(dòng)穩(wěn)定度增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)。

2.4 凍融劈裂試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果及分析

由圖5可知，隨著水泥的摻入，干(R1)、濕(R2)兩種狀態(tài)下的混凝土馬歇爾試件的劈裂強(qiáng)度也相應(yīng)增大，未摻入水泥的混凝土馬歇爾試件干、濕兩種狀態(tài)下的劈裂強(qiáng)度為0.61MPa、0.41 MPa。當(dāng)水泥摻量為0.5%、1%、1.5%、2%時(shí)，混凝土馬歇爾試件干、濕兩種狀態(tài)下的劈裂強(qiáng)度分別增大至0.64MPa、0.72MPa、0.76MPa、0.79MPa和0.43MPa、0.48MPa、0.52MPa、0.65MPa，提高幅度分別為了4.9%～29.5%和4.9%～58.5%，呈迅速遞增趨勢(shì)。而隨著水泥摻量的進(jìn)一步加大至2.5%時(shí)，測(cè)得干、濕兩種狀態(tài)下的劈裂強(qiáng)度為0.81MPa和0.61MPa，呈小幅上升和下降趨勢(shì)。

圖4 不同水泥摻量混凝土試件動(dòng)穩(wěn)定度(次/mm)

圖5 不同水泥摻量混凝土試件劈裂強(qiáng)度(MPa)

圖6 不同水泥摻量混凝土試件凍融劈裂強(qiáng)度比TSR

采用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比TSR=R2/R1，可得出圖6。未摻入水泥的混凝土馬歇爾試件的TSR值為67.2%。當(dāng)水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時(shí)，混凝土馬歇爾試件的TSR值在67.2%～68.4%之間，變化不大。而隨著水泥摻量的進(jìn)一步加大至2%時(shí)，混凝土馬歇爾試件的TSR值為82.3%，達(dá)到實(shí)驗(yàn)組內(nèi)試件最高，同時(shí)滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。繼續(xù)增大水泥摻量，混凝土馬歇爾試件的TSR值呈緩慢下降趨勢(shì)。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試件的劈裂強(qiáng)度增大，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR值也逐漸增大。當(dāng)摻量在2%時(shí)，試件的劈裂強(qiáng)度和TSR值增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土低溫抗裂性能方面的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

通過(guò)一系類(lèi)試驗(yàn)得出，隨著水泥摻量從0.5%～2%的不斷增加，試驗(yàn)測(cè)得瀝青混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度及干濕兩種狀態(tài)下的劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR值均能成正比增大，這體現(xiàn)了水泥在一定摻量下改善瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性、高低溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性等方面表現(xiàn)較好。綜合對(duì)水泥不同摻量下改性瀝青混凝土性能試驗(yàn)，研究得出瀝青混凝土中水泥的摻量為1.5%～2.0%時(shí)較為合理，同時(shí)在工程實(shí)際應(yīng)用中，也需要結(jié)合設(shè)計(jì)道路的等級(jí)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益等，適當(dāng)調(diào)整摻量占比，會(huì)更利于發(fā)揮水泥對(duì)瀝青混凝土性能改善的目的。