半柔性路面磷酸銨鎂水泥灌漿料路用性能研究

蔡廣楠,趙 佩,顧成鵬,魏唐中

(南京興佑交通科技有限公司 南京市 210000)

隨著我國交通量的不斷增大,瀝青路面的車轍現象尤為嚴重。目前改善車轍的方式主要包括提高瀝青混合料的模量[1]、改善瀝青混合料的級配[2]以及采用改性劑,諸如抗車轍劑[3]或溫拌劑[4]等,但以上措施并不能顯著提高瀝青路面的抗車轍性能。半柔性路面是一種在開級配瀝青混合料中灌注具有高流動度的水泥漿而形成的一種剛柔并濟的復合路面形式,抗車轍性能普遍優于瀝青路面[5-6]。文章旨在探究磷酸銨鎂水泥作為灌漿材料制備的半柔性路面的路用性能,為類似工程實踐提供參考。

1 水泥灌漿料配合比設計

1.1 原材料

水泥基灌漿材料的原材料包括:燒結氧化鎂,磷酸二氫銨,消泡劑,減水劑,自來水。大空隙瀝青混合料的原材料包括:最大公稱粒徑為13.2mm的玄武巖,石灰石礦粉,木質素纖維,SBS改性瀝青。

1.2 半柔性瀝青混合料配合比確定

我國現行規范[7]要求,半柔性路面所用灌漿料的7d抗壓強度需大于15MPa,28d抗壓強度需大于25MPa,而流動度需在10～14s之間。文章設計的磷酸銨鎂水泥基灌漿料的配合比如表1所示。其中磷鎂比表示磷酸二氫銨與燒結氧化鎂的質量比,硼鎂比為硼砂質量與燒結氧化鎂的質量比,添加劑的摻量與水固比為與磷酸銨鎂水泥的質量比。

表1 水泥基灌漿料配合比

依據體積設計法,設計不同空隙率(21%、23%、25%、27%)的瀝青混合料,集料級配設計結果如圖1所示,油石比為3.5%,木質素纖維摻量為0.2%。將灌注后的半柔性瀝青混合料按空隙率從小到大分別命名為Mix-1、Mix-2、Mix-3、Mix-4。

圖1 大空隙瀝青混合料設計級配

2 半柔性瀝青混合料路用性能評價

2.1 水穩定性

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[8](JTG E20—2011),對Mix-1～Mix-4進行馬歇爾穩定度實驗,采用在60℃的水浴環境下保溫0.5h以及48h后測試得到的馬歇爾穩定度以評價其水穩定性能。其中,殘余穩定度為48h的馬歇爾穩定度與0.5h的馬歇爾穩定度的比值(圖2)。在整個測試過程中采用6個平行試件進行測試,以消除測試過程中出現的偶然誤差。

圖2 馬歇爾穩定度試驗結果

從圖2中可以看出,Mix-1～Mix-4的馬歇爾穩定度均超過了10kN。殘余穩定度均超過了90%,這表明Mix試件整體具有較為良好的水穩定性能。此外,隨著空隙率的不斷增大,Mix試件0.5h的馬歇爾穩定度、48h的馬歇爾穩定度以及殘余穩定度均呈現上升的趨勢。其中,Mix-4的0.5h馬歇爾穩定度、48小時的馬歇爾穩定度相對Mix-1提高了23.7%與30.6%,馬歇爾殘余穩定度從92.4%提高至97.5%。分析認為,由于磷酸銨鎂水泥表現出剛性性質,代替了原有混合料中的空隙以及集料后,其整體剛度大大提升,相比于瀝青混合料的柔性性質,半柔性路面抵抗外界變形的能力更佳。

2.2 低溫小梁試驗

采用低溫彎曲小梁試驗來評價Mix-1～Mix-4的低溫性能。在測試前,將車轍板切割成250mm×30mm×35mm的小梁試件,在UTM-250的-10℃的環境箱中保溫12h以上進行測試。采用破壞應變以及勁度模量兩個指標綜合評價Mix試件的低溫性能。在整個測試過程中采用6個平行試件進行測試,以消除測試過程中出現的偶然誤差,低溫彎曲小梁試驗結果如圖3所示。

圖3 低溫彎曲小梁試驗結果

從圖3中可以看出,對于Mix試件而言,其破壞應變均小于2000με,可見其低溫性能并沒有表現出優異的特性。從整體來看,破壞應變隨著空隙率的增大而減小,而勁度模量隨著空隙率的增大而增大,這意味著磷酸銨鎂水泥量的增加對于Mix試件的低溫性能不利。Mix-4的破壞應變和勁度模量相較于Mix-1分別降低和增加了43.3%和64.2%。分析認為,由于水泥是剛性體,而瀝青混合料是柔性體,在低溫環境下,水泥本身容易出現凍融開裂,繼而在外界荷載的作用下將微觀裂紋發展成宏觀裂紋。此外,在水泥漿以及瀝青混合料間存在許多較為薄弱的過渡區域。由于這些薄弱的過渡區域本身存在許多微裂縫,在外界荷載的壓力下極易出現裂紋。隨著空隙率的增大,水泥漿的含量以及薄弱的過渡區域含量增多,從而更容易出現低溫開裂。

2.3 車轍試驗

采用60℃以及70℃條件下的車轍試驗來評價Mix試件的高溫抗車轍性能,結果如圖4所示。

圖4 不同溫度下車轍試驗結果

從圖4中可以看出,無論在哪個溫度下,Mix試件的動穩定度遠遠高于普通瀝青混合料,這表明Mix試件具有良好的高溫抗車轍性能。隨著空隙率的增大,Mix試件的高溫抗車轍性能也呈現增大的趨勢。在60℃條件下,Mix-4的動穩定度為22581次/mm,而Mix-1的動穩定度為19868次/mm,相比之下提高了13.7%;而在70℃的條件下,Mix-4的動穩定度為21489次/mm,而Mix-1的動穩定度為17528次/mm,相比之下提高了22.6%。這是由于水泥基材料的模量相較于瀝青混合料更高,在外界荷載的作用下不易變形。普通瀝青混合料是柔性材料,在高溫的條件下瀝青組分容易軟化,抗車轍效果不如剛性的水泥基材料。

3 結論

文章設計了磷酸銨鎂水泥基灌漿材料以及依據體積設計法設計了不同空隙率的大空隙瀝青混合料后,制備了半柔性瀝青混合料(Mix-1～Mix-4),并對其水穩定性、低溫性能以及高溫抗車轍性能進行了研究,初步結論如下:

(1)空隙率的增大提高了半柔性路面的水穩定性。Mix-4的0.5h馬歇爾穩定度、48h的馬歇爾穩定度相對Mix-1分別提高了23.7%與30.6%,馬歇爾殘余穩定度從92.4%提高至97.5%。然而其整體的水穩定性優于普通瀝青混合料。

(2)空隙率的增大降低了半柔性路面的低溫抗裂性能,且整體的低溫抗裂性能劣于普通瀝青混合料。Mix-4的破壞應變和勁度模量相較于Mix-1分別降低和增加了43.3%和64.2%。

(3)隨著空隙率增大,在60℃及70℃條件下Mix試件的高溫抗車轍性能均更優。在70℃條件下,Mix-4的動穩定度為21489次/mm,而Mix-1的動穩定度為17528次/mm,相比之下提高了22.6%。