水泥對瀝青料性能影響的試驗分析

施全敏

(河南中州路橋建設有限公司,河南 周口 466000)

0 引言

瀝青是道路施工中常用的路面材料,為了增強瀝青的穩定性,通常選擇添加抗剝離材料。目前,市面上的抗剝離材料主要有堿性礦料及抗剝離劑兩種。堿性礦料主要包括水泥、石灰、粉煤灰等,抗剝離劑主要有Berol胺、A型抗剝離劑、AST-3抗剝離劑等[1]。目前水泥摻量對瀝青混合料性能影響的研究主要集中在水穩定性方面,對其他方面的影響研究還比較少,故此針對不同水泥摻量對瀝青混合料力學性能、高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性等性能的影響展開試驗,為在瀝青路面施工中合理使用水泥積累經驗。

1 原材料

1)水泥。試驗用的水泥為P·O42.5水泥,各項性能指標測試如表1所示。

表1 P·O42.5水泥性能測試結果Tab.1 Results of P·O42.5 cement performance test

2)瀝青。選用AC-13C型瀝青混合料級配,具體技術指標如表2所示。石料選用石灰巖集料。粗集料的針片狀顆粒含量為6.1%,壓碎值為144.4%,細集料含泥量為0.5%,均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTGF40—2004)中的技術要求。

表2 瀝青技術指標Tab.2 Asphalt technical index

2 試驗方案及試件制作

將P·O42.5水泥按0%、1%、2%、3%、4% 5種摻量與乳化瀝青混合,制備出相應的試件。每種摻量的試件數量為5個,具體試件制作方法如下:根據實際工程經驗,確定乳化瀝青最佳摻量為7.3%,按5種水泥摻量進行混合,制備出5組不同的試件,對試件雙面各擊實50次,將其放入60 ℃烘箱中進行試模養生,試件養生應≥40 h并至恒重。待5組試件養生結束后,再對試件雙面擊實25次并側放到地上,在室溫環境下冷卻12 h以上,脫模進行測試[2]。

3 試驗過程及結果分析

3.1 15 ℃劈裂試驗

開展15 ℃劈裂試驗前需先把試件完全浸沒到25 ℃水浴中,浸泡23 h,再將試件取出來浸泡到15 ℃的恒溫水浴中1 h,將試件取出并馬上對其做15 ℃劈裂試驗[3]。不同水泥摻量下瀝青混合料的15℃劈裂試驗結果如表3所示,瀝青混合料劈裂強度隨水泥摻量變化的規律如圖1所示。

圖1 瀝青混合料劈裂強度隨水泥摻量變化的規律Fig.1 Law of asphalt mixture splitting strength changing with cement content

表3 不同水泥摻量下瀝青混合料的15 ℃劈裂試驗結果Tab.3 Results of 15 ℃ splitting test of asphalt mixture with different cement content

從圖1可以看出,隨著瀝青混合料中摻加水泥量的不斷增大,其劈裂強度也隨之不斷增加。水泥摻量低于2%時,瀝青混合料劈裂強度增長幅度大,但瀝青混合料的劈裂強度達不到規范中劈裂強度≥0.5的要求。而當水泥摻量超過2%之后,瀝青混合料劈裂強度增幅減緩且強度提高并不明顯。

3.2 車轍試驗

圖2 瀝青混合料高溫穩定性隨水泥摻量變化的規律Fig.2 High temperature stability of asphalt mixture changes with cement content

表4 不同水泥摻量下瀝青混合料的車轍試驗結果Tab.4 Rutting test results of asphalt mixture with different cement content

動穩定度是判斷瀝青混合料高溫穩定性的重要指標,動穩定越高,則瀝青混合料高溫穩定性越強,反之則越弱。綜合表4和圖2可以得出,隨著瀝青混合料中水泥摻量的增加,混合料的動穩定度不斷增大,說明在瀝青混合料中摻入水泥可有效增強其高溫穩定性。但是在水泥摻量低于2%時,瀝青混合料車轍試驗結果不滿足規范中有關改性瀝青混合料車轍>2 400次/mm的要求,且當水泥摻量高于2%后,瀝青混合料的動穩定度增幅減緩。

3.3 低溫彎曲試驗

低溫彎曲試驗中,將試件制作成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱形小梁試件,將試件置于-10 ℃恒溫水槽中保溫45 min,待試件達到試驗溫度后使用壓力機對其施加荷載,直至試件破壞,記錄彎拉應變值,以此來判斷試件的低溫抗裂性[5]。具體試驗結果如表5所示,瀝青混合料彎拉應變隨水泥摻量變化的規律如圖3所示。

圖3 瀝青混合料彎拉應變隨水泥摻量變化的規律Fig.3 Bending tension strain of asphalt mixture changes with cement content

表5 低溫彎曲試驗結果Tab.5 Results of low temperature bending test

從表5和圖3可以看出,隨著瀝青混合料中水泥摻量的增加,彎拉應變不斷減小,且兩者呈線性關系,這說明瀝青混合料中摻入水泥會增大其脆性并減小瀝青混合料的低溫抗裂性。在水泥摻量超過2%之后,試件的彎拉應變值未達到規范中彎拉應變≥2 800 με的要求。

3.4 浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗

3.4.1 浸水馬歇爾試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011) 、《瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗》(T0709—2011)等規范中的相關要求,制作標準馬歇爾試件,并進行浸水馬歇爾試驗,獲得不同水泥摻量下試件的標準穩定度及浸水穩定度,具體如表6所示。隨水泥摻量的增加,試件穩定度的變化規律如圖4所示。

圖4 試件穩定度隨水泥摻量變化的規律Fig.4 Stability of test piece varies with cement content

表6 浸水馬歇爾測試結果Tab.6 Results of immersion Marshall test

綜合圖4和表6可知,試件的標準穩定度及浸水穩定度均隨著水泥摻量的增加而增大,但是在水泥摻量超過2%之后,增幅減小。由此可知,隨水泥摻量的增加,瀝青混合料的水穩定性逐漸增強,但摻量超過2%后水穩定性增強不明顯。

3.4.2 凍融劈裂試驗

根據規程T0702方法,將試件制作成直徑101.6 mm、高63.5 mm的圓柱形試件,裝進塑料袋中并在袋中加10 mL的水,再放入恒溫冰箱中,于溫度-18 ℃冷凍16 h。冷凍結束后立即取出試件放到60 ℃恒溫水槽中,取下塑料袋,保溫24 h,按50 mm/min的速率進行加載。試驗過程中要詳細記錄凍融前后的劈裂強度及強度比,具體結果如表7所示。凍融前后劈裂強度隨水泥摻量變化的規律如圖5所示。

圖5 試件凍融前后劈裂強度隨水泥摻量變化的規律Fig.5 Variation of the splitting strength of specimens with cement content before and after freeze-thaw

表7 凍融劈裂試驗結果Tab.7 Results of freeze-thaw splitting test

綜合圖5和表7可知,隨著水泥摻量的增加,試件凍融前后的劈裂強度均呈線性增長,但水泥摻量低于2%時,強度比不滿足規范中強度比≥75%的要求,水泥摻量超過2%后,試件劈裂強度增幅不明顯。

4 結論

在瀝青混合料中摻入水泥,瀝青混合料的力學性能、高溫穩定性及水穩定性均會增強,但低溫抗裂性會降低。水泥摻量小于2%時,瀝青混合料的性能均達不到規范要求,而當水泥摻量超過2%后,瀝青混合料性能滿足規范要求,但性能增長不顯著。為了確保瀝青混合料的性能滿足規范要求及施工經濟性要求,建議水泥摻量控制在2%左右,同時可防止因水泥摻量過大而出現瀝青收縮開裂的問題。