半柔性水泥基快速修復材料路用性能試驗研究

蔣承華，農玲莉

(1.廣西北投交通養護科技集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國高速公路路網建設不斷完善，路面養護工作已成為各省區交通運輸系統的主要任務。養護工程與新建工程存在較大區別，其需要在不影響或最小影響交通環境的情況下保證已損壞的路面快速修復，且保證修復區域的質量耐久，降低二次破壞的影響。對于瀝青路面，坑槽、車轍的修復工藝、技術也在不斷地優化完善，近年來關于采用快速修復材料對上述問題進行處理的研究取得了不少的成果。如郝肖雨等利用環氧樹脂、水泥等材料制備了早強、性能穩定的快速修復材料(EAC)，并分析了水泥-環氧樹脂相互結合后微觀結構狀態，為后期對材料的優化提供了手段與基礎[1]。盧東等通過選擇鋁鎂水泥作為基材開發了新型早強修復材料，并分析了材料的高溫性能、低溫性能等，提出了水泥材料摻量不宜超過12%，但對其他性能未開展試驗研究[2]。徐穎等綜合分析了磷酸鎂水泥的水化反應特性，以及其與傳統水泥基修復材料之間的區別，采用綜述的方式對MPC材料的物理、化學特性及工程應用性能等開展了分析，并針對現場應用效果提出了MPC材料存在的問題[3]。謝俊偉等利用甲基丙烯酸異丁酯與氰基丙烯酸乙酯進行復配合成，以水泥為主要成分制備了混凝土裂縫修復材料，研究了材料流動性、粘聚性和力學抗壓強度，為水泥混凝土裂縫自修復技術提供了新的研究基礎[4]。馬一平等采用硫鋁酸鹽水泥制備水泥穩定碎石基層用快速修復材料，研究了其不同時間下的抗壓、抗折強度，使其滿足瀝青路面結構層的功能要求，并開展了試驗段驗證[5]。

綜上所述，水泥基快速修復材料在我國得到了部分推廣應用，但該類型材料的組成成分繁多，對其長期耐久性研究并不充分，尤其涉及路用性能分析方面，無論在瀝青混凝土路面還是水泥混凝土路面均缺乏相應的系統研究。對比，本文依據前期研究成果，分析了主要組成材料水泥、乳化瀝青用量變化對材料的力學性能、路用性能的影響，為后期推廣應用提供初步技術指導。

1 原材料及方案

1.1 原材料

試驗選擇石灰巖集料，瀝青選擇陽離子慢裂乳化瀝青PC-2，水泥選擇普通硅酸鹽P.O42.5，膨脹劑為淄博市永超化工生產ED-H產品，上述材料的相關試驗結果見表1～3。

表1 粗、細集料檢測結果表

表2 PC-2陽離子慢裂型乳化瀝青檢測結果表

表3 ED-H膨脹劑材料檢測結果表

1.2 試驗方案

半柔性水泥基快速修復材料的基本特性與路用性能密切相關，其各項性能指標需滿足瀝青路面規范要求，本文依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[6]中的相關試驗開展路用性能分析，具體方案如下：

(1)礦料級配組成。鑒于所選材料主要用于路面表面層修復，礦料級配不易過粗，研究選用密級配AC-10C(見表4)。

表4 AC-10C合成級配設計表

(2)路用性能試驗優化。瀝青路面表面層作為結構功能層，其性能優劣直接影響路面運營質量和使用壽命。本文參考瀝青混合料的相關路用性能要求，對上述材料的力學性能、高溫穩定性能、低溫抗裂性能及水穩定性能開展相關研究分析。

2 力學性能分析

半柔性材料的力學強度與彈性模量介于剛性材料、柔性材料之間，對于瀝青路面快速修復材料，其力學強度需滿足車輛荷載的不斷沖擊，且也能夠適應環境變化引起的塑性變形，因此開展抗壓強度試驗，試件為直徑100 mm×高度100 mm圓柱體，水泥摻量為8%、10%、12%(下同)，乳化瀝青用量為5%、7%、9%(下同)，試驗結果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知：

(1)隨水泥用量增加，養護4 h和7 d的試件抗壓強度均呈增加趨勢變化，且不同乳化瀝青摻量下，抗壓強度變化幅度存在較大差異。養護4 d時，如乳化瀝青含量為7%、水泥摻量分別為10%和12%的材料試件抗壓強度分別提高了82%和137%(與摻量8%相比)，當乳化瀝青含量為9%，二者的抗壓強度分別提高了10%和46%。說明水泥用量的增加顯著提高了試件內部膠凝材料生產量，促進結構更加密實，粘結強度提高，而當乳化瀝青含量增加，乳化瀝青膠結材料最終形成柔性結構，勢必降低其力學性能。

(2)乳化瀝青對試件的力學強度也存在顯著影響，且不同水泥用量下的抗壓強度變化規律并不相同。養護7 d時，當水泥用量為8%時，抗壓強度隨乳化瀝青用量增加而增加，水泥用量為10%時，抗壓強度呈先增加后下降趨勢，水泥用量為12%時，抗壓強度呈顯著下降趨勢。說明乳化瀝青材料與水泥相互結合過程中存在相應最佳摻量范圍，如水泥摻量為10%，乳化瀝青用量分別為7%和9%的材料抗壓強度變化為15%和-2%(與用量5%相比)。

圖1 不同水泥用量下4 h抗壓強度柱狀圖

圖2 不同水泥用量下7 d抗壓強度柱狀圖

3 高溫性能分析

瀝青路面的高溫性能主要表征路面在夏季高溫環境下是否能夠抵抗車輛荷載作用，以免產生車轍等病害，對于柔性材料(瀝青混合料)，隨車輛荷載次數的增加，其產生的累計變形不可恢復，而采用半柔性材料，具備了較強的剛度，也具有相應的柔度。采用車轍試驗分析材料的高溫性能，試驗溫度為70 ℃，荷載為0.7 MPa，試驗結果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：

(1)隨水泥用量增加，試件的動穩定度呈增加趨勢，水泥摻量為10%、12%的材料動穩定度值分別增加了34%和71%(與摻量8%相比)。說明半柔性材料中水泥對提高混合料的剛度具有顯著優勢，水泥水化吸收乳化瀝青中自由水，且與集料具備較高的粘結性，作為快速修復材料，其具備良好的剛度抵抗車輛的荷載，可保證修復區域不易產生變形。

(2)隨乳化瀝青用量增加，動穩定度值呈下降趨勢，說明乳化瀝青對高溫性能具有一定的劣化作用，摻量為7%、9%的材料動穩定度值分別下降了15.6%和23.6%(與5%相比)。乳化瀝青用量越大(柔性膠結料)，混合料中水分越多，當水泥水化吸收一定量的水分后，剩余的水分采用蒸發形式消失，勢必在混合料內部形成結構空隙，即試件的空隙率也將增加，試件產生的變形就越大。

圖3 不同水泥用量下動穩定度(乳化瀝青摻量為7%)柱狀圖

圖4 不同乳化瀝青用量下動穩定度(水泥摻量為10%)柱狀圖

4 低溫性能分析

瀝青路面的低溫破壞主要發生在冬季，當環境溫度<-5 ℃時，瀝青混合料將產生低溫收縮變形，超過材料的極限彎拉應變時就會產生裂縫破壞。對于半柔性材料，力學剛度遠高于瀝青混合料，但其在較低溫環境下是否具備足夠的應變變形需要開展相應研究。設試驗溫度為-10 ℃，試件尺寸為40 mm×40 mm×250 mm，試驗結果見圖5～8。

由圖5～8可知：

(1)隨水泥用量增加，試件的抗彎拉強度、彎曲勁度模量呈增加趨勢，最大彎拉應變呈下降趨勢，這與力學性能變化規律相一致。水泥用量增加，半柔性混合料的剛度增加，試件的力學強度不斷提高，但在低溫條件下更容易產生脆性破壞，因此力學性能指標呈增加狀態，而最大彎拉應變變形逐漸下降。如水泥摻量為10%、12%的材料抗彎拉強度值分別增加了56.5%和95.7%(與摻量8%相比)，最大彎拉應變下降了8.7%和31.3%。

(2)隨乳化瀝青用量增加，試件的最大彎拉應變呈先增加后下降趨勢，在摻量為7%時具有最大值，這與其他性能指標變化規律不一致。如乳化瀝青摻量為7%、9%的材料最大彎拉應變分別提高了28.8%和25.0%(與摻量5%相比)。這說明乳化瀝青作為柔性膠結材料，在整個結構中起到降低材料脆性作用，通過與水泥形成良好的網狀結構，裹覆在集料表面，提高粘結效果，促進細集料進一步填充級配空隙，不降低力學性能的同時，改善試件的變形能力。

圖5 不同水泥用量下抗彎拉強度柱狀圖

圖6 不同水泥用量下最大彎拉應變柱狀圖

圖7 不同水泥用量下彎曲勁度模量柱狀圖

圖8 不同乳化瀝青用量下最大彎拉應變柱狀圖

5 水穩定性能分析

水穩定性能試驗研究在水的作用下集料-瀝青之間的粘結效果，一般情況下，隨水分的介入，整個結構的粘結性能逐漸下降，嚴重時將產生一系列破壞。采用浸水馬歇爾試驗分析不同水泥和乳化瀝青用量下的水穩定性能，試驗結果見下頁圖9、圖10。

圖9 不同水泥用量下殘留穩定度柱狀圖

圖10 不同乳化瀝青用量下殘留穩定度柱狀圖

由圖9、圖10分析可知：隨水泥用量、乳化瀝青用量的增加，試件殘留穩定度均呈先增加后下降趨勢，二者對試件的水穩定性能影響程度不一致。當殘留穩定度為最大值，水泥用量最佳為10%，乳化瀝青用量為7%。水泥摻量為10%、12%的材料殘留穩定度變化幅度在0.5%，而乳化瀝青用量為9%的材料，殘留穩定度下降了2.2%。另外，對于摻加水泥、乳化瀝青的半柔性混合料，其水穩定性均能達到良好狀態，遠高于規范要求(改性瀝青80%)，說明半柔性材料具備優良的抗水損害能力。

6 結語

(1)水泥基快速修復材料的力學性能與水泥用量、乳化瀝青用量存在密切關系，隨水泥用量增加，力學抗壓強度呈持續增加趨勢變化，且隨乳化瀝青用量增加，其變化幅度逐漸下降。水泥用量為10%時，隨乳化瀝青用量增加，抗壓強度呈先增加后下降趨勢；當超過10%時，材料的抗壓強度呈持續下降趨勢，說明乳化瀝青與水泥材料存在最佳摻量范圍。

(2)隨水泥摻量增加，動穩定度指標、抗彎拉強度指標、彎曲勁度模量指標均呈逐漸增加趨勢變化，混合料的高溫性能顯著提高，低溫抗裂性能逐漸劣化。隨乳化瀝青用量增加，動穩定度值呈下降趨勢，最大彎拉應變呈先增加后下降趨勢，在摻量為7%時具有最大值。這說明水泥、乳化瀝青材料對整體結構的高溫性能、低溫性能存在相互影響，需要結合材料各項性能，提出二者的最佳用量。

(3)隨水泥用量和乳化瀝青用量的增加，殘留穩定度指標均呈先增加后下降趨勢，且乳化瀝青對水穩定性能的影響更為顯著，二者均存在最佳用量范圍，同時也顯示了半柔性快速修復材料具備優良的抗水損害能力。