水泥乳化瀝青穩定碎石基層力學性能研究

林建國 （蚌埠市公路管理局，安徽 蚌埠 233000）

0 前 言

根據我國的瀝青路面設計方法計算的常用瀝青路面結構的瀝青面層層底往往處于受壓狀態，而半剛性基層才是承受拉應力疲勞的主要層次。半剛性材料的特點之一就是抗拉強度遠小于抗壓強度。可以認為，半剛性基層上瀝青路面出現的橫向開裂是由半剛性基層發展而來，基層材料的干縮、溫縮結合荷載的拉應力疲勞效應使基層產生開裂，然后因應力集中而使對應位置上的瀝青面層開裂，這些裂縫往往是半剛性基層瀝青路面病害發展初期的一般特征，并在外界環境因素，特別是水的作用下，病害會加速發展，直到達到使用期末。半剛性基層能否長期發揮功能就是要看其是否能不出現廣泛、嚴重的開裂。水泥乳化瀝青穩定碎石基層的應用，使基層不僅能有效減少或防止反射裂縫的發生，而且具有比柔性基層更經濟、強度更高的優勢，提高了路面特別是瀝青路面的使用壽命。因此，綜合考慮水泥和乳化瀝青的材料性能，本研究對材料的配合比設計方法、材料的物理力學性能作了一般闡述。

1 材料基本要求

1.1 材料基本性能

水泥-乳化瀝青穩定基層的主要材料有：水泥、乳化瀝青及集料，根據公路工程水泥穩定基層和乳化瀝青穩定基層的要求，水泥-乳化瀝青穩定基層的材料必須兼有這兩個方面的要求。水泥除其強度要滿足要求外，其初凝時間還必須大于3h，以保證混合料從拌和到碾壓有足夠的可操作時間，本次試驗采用的水泥是P.O 32.5級，其初凝時間為242min；乳化瀝青的性能在本試驗研究中表現的尤為重要。在穩定基層的材料中，由于水泥及細集料的存在，乳化瀝青中的活性離子與集料的作用更為活躍，經過多次試驗，采用慢裂慢凝陽離子乳化瀝青比較適宜本試驗要求。經檢驗，本次試驗所采用的水泥、乳化瀝青及集料的各項技術指標均符合規范要求。

1.2 級配

級配是保證基層材料具有良好使用性能的又一個重要因素。在水泥-乳化瀝青穩定基層材料中，盡管其中有一定量的乳化瀝青，但在其用量有限的情況下，這部分乳化瀝青的主要作用是充當粘合劑，而不能像瀝青碎石中的瀝青那樣使混合料具有很大的柔性，至多從一定程度上增加基層材料的柔性，降低材料的剛性破壞。因此，對于水泥-乳化瀝青穩定基層而言，對其使用性能起主導作用的仍是其中的水泥穩定材料這一部分。所以，本次試驗仍采用現行規范JTJ034-2000中提供的密級配水泥穩定碎石。

2 材料的組合

2.1 級配組合

根據要求的級配和組成材料的篩分結果，對組成材料的級配進行組合調整，調整后的設計級配曲線如圖1所示，結果符合要求。根據計算得知，組成混合料各礦石材料的百分比為：（4.75~31.5）碎石∶ （4.75~26.5）碎石∶石屑∶石粉=20%∶25%∶25%∶30%。

圖1 疲勞試驗曲線圖

2.2 試配

由于乳化瀝青的存在，水泥-乳化瀝青穩定基層材料的拌和、試件成型、養生等都與水泥穩定基層、乳化瀝青碎石有不同之處，因此，不能完全采用水泥穩定基層和乳化瀝青碎石的拌和、試件成型和養生方法。所以，本次試驗試配的目的是：了解和確定水泥-乳化瀝青穩定材料的拌和性能、拌和方法，確定試件的成型、壓實和養生方法。

2.3 試拌

水泥-乳化瀝青穩定基層材料，由于乳化瀝青的存在，使得這種材料的拌和方法與水泥穩定材料的拌和方法有所不同。水泥-乳化瀝青穩定基層材料的拌和關鍵是，乳化瀝青與水泥必須拌和均勻，它們所形成的膠結料必須均勻的包裹集料。本試驗試拌時采取了下列幾種方法。

①將水泥、乳化瀝青、集料在不加外加水的情況下，同時拌和。觀察到的現象是，乳化瀝青與細集料拌和不夠均勻，結成的小顆粒較多，粗集料基本無包裹的乳化瀝青。

無側限抗壓受力變形試驗結果 表1

②將乳化瀝青和外加水勾對之后，同時加入水泥和集料之中，同時拌和。觀察到的現象是，乳化瀝青與細集料拌和基本均勻，但少數粗骨料有少量乳化瀝青。

③先將外加水加入水泥和集料之中，預拌30s鐘后，加入乳化瀝青，再拌和60s。觀察到的現象是，乳化瀝青與細集料拌和基本均勻，粗骨料多數被乳化瀝青包裹。由此可見，第三種拌和效果較好，且比較適合施工工藝的可能性。

2.4 試件壓實成型

同樣，由于乳化瀝青的存在，水泥-乳化瀝青穩定基層材料試件的壓實、成型與水泥穩定材料和乳化瀝青碎石都不相同，經過大量試驗證明，水泥-乳化瀝青穩定基層試件成型壓實比較合適的方法是：

①對于馬氏試件，先兩面各擊實25次，養護到水泥初凝時間到來之前再進行第二次擊實；

②將拌和好的混合料凈置30min~60min（乳化瀝青析水之后終凝之前），然后一次性壓實。

由此可知，第②種壓實成型方法更接近于施工，效果較好。

2.5 養生

水泥-乳化瀝青穩定基層養生與水泥穩定基層養生有很多相似之處，由于水泥的存在初期應保濕養生，養生時間也應該是7d。經過試驗證明，水泥-乳化瀝青穩定基層較水泥穩定基層容易保濕，這主要是在密實的情況下，乳化瀝青析水是一個比較緩慢的過程。

3 配合比設計方法

配合比設計的最佳方法是采用馬歇爾試驗，根據馬氏試驗初步確定了3種不同水泥用量的最佳乳液用量分別為：①水泥用量為2.5%的最佳乳液用量為1.8%，折合成瀝青用量為1.08%；②水泥用量為3.0%的最佳乳液用量為2.1%，折合成瀝青用量為1.25%；③水泥用量為3.5%的最佳乳液用量為2.1%，折合成瀝青用量為1.25%。經過分析，初步確定穩定材料的配合比為：（4.75~31.5）石子∶（4.75~26.5）石子∶石屑∶石粉∶水泥=19.5%∶24.4%∶24.4%∶29.3%∶2.4%，瀝青含量為60%的乳液用量1.8%，水泥劑量為2.5%。

4 力學變形性能試驗

力學變形性能試驗是檢驗水泥-乳化瀝青穩定基層使用性能的關鍵性試驗，也是本試驗研究的主要目標。了解水泥-乳化瀝青穩定基層的力學變形過程，對減少或消除穩定基層的干縮裂縫，提高基層的使用壽命有很高的參考價值。根據上述初步確定的配比，本試驗主要對水泥-乳化瀝青穩定基層的無側限抗壓受力變形過程、疲勞性能等進行了研究。

4.1 無側限抗壓受力變形試驗

對于無機結合料而言，常規的無側限抗壓試驗只是測定試件破壞時的壓力，但對于水泥-乳化瀝青穩定基層尤其是對于本試驗來說，只測定試件破壞時的壓力是遠遠不夠的。因此，要比較材料的柔性和力學情況，在進行無側限抗壓試驗的同時，還要對其受力變形情況進行測定，也就是要測定抗壓強度與變形的關系。養護7d的試塊測定結果見表1。

該項試驗結果說明無論從力學性能還是從材料成本上考慮，采用乳液用量為1.8%的較乳液用量為2.5%的合適。

4.2 疲勞試驗

為檢驗水泥-乳化瀝青材料的疲勞性能，本試驗主要進行了水泥劑量為2.5%、乳化瀝青劑量為0%和1.8%的材料疲勞試驗，根據疲勞試驗結果和國內外相關資料提供的修正參數，得到疲勞預估方程，其方程曲線見圖1。2種材料的疲勞預估方程：乳化瀝青用量為0%的，平均疲勞預估方程為9.47×109ó-3.41，90%概率疲勞預估方程為8.51×109ó-3.73；乳化瀝青用量為1.8%的，平均疲勞預估方程為8.44×109ó-4.06，90%概率疲勞預估方程為6.80×109ó-4.28。試驗表明，乳化瀝青用量為0%的材料特性接近線彈性材料。在疲勞試驗過程中，殘余應變隨荷載作用次數增多而增大，但與回彈應變的比值很小，特別是在中、長壽命區，殘余應變更小，在試件臨近斷裂時，殘余應變增加很快，應變片拉斷時間基本上也就是試件完全斷裂時間，說明試件屬于脆性破壞。而乳化瀝青用量1.8%的材料卻在上述現象中的表現比乳化瀝青用量為0%的材料優越，尤其是其試件在應變片拉斷后的幾秒鐘才完全斷裂，說明乳化瀝青用量1.8%的材料不象乳化瀝青用量為0%的材料完全表現為脆性破壞，與乳化瀝青用量為0%的材料相比，乳化瀝青用量1.8%的材料可以認為是一種低脆高彈性破壞。從這些方面看，乳化瀝青用量1.8%的材料疲勞預估較乳化瀝青用量為0%的材料疲勞預估更安全。

5 結 語

①水泥-乳化瀝青穩定碎石基層材料的各項力學性能指標僅接近于規范要求，但其受壓變形、抗干縮能力等抗變形能力比普通的水泥穩定碎石要優越的多，其抗變形破壞能力的提高，有利于提高基層抵抗外力作用下的破壞能力。

②由于其膠結材料是水泥和乳化瀝青的共同體，因此，其配合比設計較水泥穩定碎石和瀝青穩定碎石要復雜得多。進行水泥乳化瀝青穩定碎石基層配合比設計，應根據實際包括道路使用要求的實際情況進行配合比設計，以充分發揮水泥乳化瀝青穩定碎石基層的優越性，提高路面的使用壽命。

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