基于凍融循環的乳化瀝青-水泥穩定碎石路用性能研究

作者簡介：潘 馨（1979—），工程師，主要從事路網建設及安全生產管理工作。

摘要：針對凍融循環作用對水泥穩定碎石基層路用性能的不良影響，文章提出利用乳化瀝青中瀝青成分的填充防滲透作用和緩解凍脹應力作用，以提高水泥穩定碎石在凍融循環作用下的路用性能，并通過一系列室內試驗對性能提升效果進行驗證。試驗結果表明：2%乳化瀝青（固含量60%）+5%水泥為最佳的材料參數組合；乳化瀝青可降低集料界面的滲透性，在一定程度上緩解液-固相變引起的膨脹應力，同時能改善基層的抗滲性能，降低微裂縫的形成速率和數量，使水泥穩定碎石在凍融循環下的無側限抗壓強度和動態抗壓回彈模量損失率降低。

關鍵詞：凍融循環；乳化瀝青；水泥穩定碎石；路用性能；抗冰凍性能

中圖分類號：U416.03A300993

0 引言

水泥穩定碎石是道路建設中應用最為廣泛的半剛性基層材料，具備承載能力強、成本低、取材和施工方便等優點，但因集料級配和水泥水化等原因其內部存在不同程度的孔隙，在凍融循環作用下發生膨脹現象，導致基層結構內部產生損傷并不斷擴散，造成基層強度和抵抗荷載能力不斷減弱^［1］。

本文基于凍融循環作用對水泥穩定碎石的不良影響，利用乳化瀝青中瀝青成分的填充防滲透作用和緩解凍脹應力作用，以此提高水泥穩定碎石在凍融循環作用下的路用性能，并通過一系列室內試驗對性能提升效果進行驗證。

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

為保證乳化瀝青-水泥穩定碎石的施工和易性，本研究采用自制的陽離子慢裂乳化瀝青，以獲得合理的拌和及壓實時間。水泥作為水泥穩定碎石的主要膠凝材料，應保證其品質和性能穩定性，試驗中使用P·O42.5的普通硅酸鹽水泥。經檢測乳化瀝青和水泥技術指標均滿足使用要求。本研究選用的石灰巖集料經檢測質量指標均合格，級配采用規范要求的級配范圍中值。

1.2 試件制備

采用振動攪拌和振動擊實成型試件，振動擊實的振動頻率為30 Hz，激振力為7.6 kN，振動持續時間120 s。試件尺寸根據具體試驗需求制作，參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）的相關要求。

設定水泥摻量為5%不變，調整乳化瀝青的摻量分別為1%、2%、3%、4%，根據最佳含水率和最大干密度確定最佳的乳化瀝青摻量，以便于后期進行乳化瀝青-水泥穩定碎石路用性能研究。

2 試驗方法

2.1 凍融循環試驗

將成型后的試件在標準養生室內養生28 d，然后在20 ℃水中浸泡24 h后拿出，浸泡時要求水位高于試件2.5 cm，待表面干燥后放入-18 ℃環境箱中冷凍16 h，冷凍時保證試件間留有2 cm間隙以便于空氣流通，將冷凍好的試件重新放入20 ℃水中融化8 h，即完成一次凍融循環。本研究設定凍融循環次數分別為0次、5次、10次和15次。

2.2 無側限抗壓強度試驗

將經過預設凍融循環次數的試件放在強度試驗儀上進行抗壓試驗，加載速率為1 mm/min，記錄試驗破壞時最大壓力P，無側限抗壓強度Rc為最大壓力P與試件截面A的比值，取有效試件無側限抗壓強度的平均值作為最終的測量結果。

2.3 動態抗壓回彈模量試驗

動態抗壓回彈模量試驗主要分為以下6個步驟：測定抗壓強度P→0.3P荷載預壓30 s→由低到高逐級加載，荷載作用200次，5級加載→采集最大及最小荷載→采集最大及最小變形→根據公式計算模量。

2.4 三分點疲勞試驗

疲勞試驗采用三分點壓應力荷載模式進行，以彎拉強度為疲勞試驗加載標準的基礎參數。材料萬能試驗機為試驗設備，連續的Havesine波為荷載波形，頻率10 Hz，分別在0.5、0.6、0.7、0.8這4個應力比水平下記錄試件破壞時的荷載作用次數，即為水泥穩定碎石的疲勞壽命。進一步采用單對數方程進行回歸，應力K比疲勞壽命N的對數值之間為一元線性相關，疲勞方程如式（1）所示，式中a和b為回歸系數。擬合曲線的截距越大，代表疲勞耐久性越好，以此評價凍融循環對乳化瀝青-水泥穩定碎石疲勞性能的影響。

lgN=a+bK（1）

3 試驗結果與討論

3.1 最大干密度和最佳含水量

基于凍融循環的乳化瀝青-水泥穩定碎石路用性能研究/潘 馨，杜 鑫

對不同乳化瀝青摻量的水泥穩定碎石進行攪拌振動壓實試驗，測得不同乳化瀝青摻量下的最大干密度和最佳含水量，結果如表1所示。

由表1試驗結果可知，隨著乳化瀝青摻量的增加，水泥穩定碎石的最大干密度和最佳含水量均不斷減小，減小趨勢為先緩后急，摻量2%為分界線。這是由于乳化瀝青加入后在集料間產生潤滑作用，減弱了集料間的摩阻力。另外，由于乳化瀝青中存在部分水分，所以隨著摻量的增加用水量不斷減少。為避免最大干密度大幅下降，取乳化瀝青的最佳摻量為2%。

3.2 無側限抗壓強度

本研究在預設凍融循環次數后進行抗壓強度試驗，無側限抗壓強度隨凍融循環次數的變化結果如表2所示。

由表2的試驗結果得知，無論是否摻加乳化瀝青，水泥穩定碎石的無側限抗壓強度均隨著凍融循環次數增加而不斷減小，摻加2%乳化瀝青的水穩碎石在凍融循環初始強度較低，在0次、5次、10次凍融循環后，添加乳化瀝青的混合料強度均小于未添加的情況，經過15次凍融循環后則出現相反的情況。而水泥穩定碎石的無側限抗壓強度損失率均隨著凍融循環次數增加而不斷增大，經歷5次和10次循環后的強度損失較大。添加乳化瀝青的混合料強度損失率均小于未添加的情況，且其強度損失幅度隨凍融循環次數的增加而趨于穩定，所以乳化瀝青雖然在一定程度上降低了水泥穩定碎石的無側限抗壓初始強度，但可顯著減緩強度損失的過程，對抗凍性能有積極影響。

3.3 動態抗壓回彈模量

乳化瀝青-水泥穩定碎石凍融循環后的動態抗壓回彈模量試驗結果如表3所示。

由表3可知，水泥穩定碎石的動態抗壓回彈模量與凍融循環次數成反比例的關系，經5～10次凍融循環，添加乳化瀝青的回彈模量均低于未添加的情況，而在15次凍融循環作用后，添加乳化瀝青的回彈模量反而高于未添加的情況，這是由于乳化瀝青在水泥穩定碎石中可提供一定的柔性成分，導致試件整體柔韌性稍有提升，即動態抗壓回彈模量較小程度降低。

對于動態抗壓回彈模量損失率，其與凍融循環次數成正比例，無論經過多少次凍融循環，乳化瀝青-水泥穩定碎石的模量損失率均小于未添加乳化瀝青的情況，同時隨著凍融循環次數的增加模量損失幅度降低，表明乳化瀝青在抑制回彈模量損失方面效果顯著。

3.4 三分點疲勞試驗

根據前文的方案進行疲勞性能試驗，得到乳化瀝青添加前后水泥穩定碎石在不同凍融循環與應力比K下的疲勞壽命N的對數值，如表4所示。

由表4數據可知，無論是否添加乳化瀝青，其應力比K與疲勞壽命對數lgN均成線性相關，同時隨著凍融循環次數的增加，疲勞曲線的截距不斷減小，即疲勞耐久性不斷減弱，這是由凍融循環對試件內部損傷造成的。

各凍融循環次數下乳化瀝青-水泥穩定碎石的疲勞壽命均大于水泥穩定碎石，即乳化瀝青的添加可在一定程度上提升水泥穩定碎石的疲勞耐久性。初步判斷是由于分散均勻的乳化瀝青可橋接水泥穩定碎石內部的孔隙和微裂紋，在受到荷載時起到應力吸收和避免裂紋進一步擴展的作用，從而提高疲勞耐久性。同時，乳化瀝青中的彈性成分能傳導和消散作用力，提升混合料的抗變形能力，使集中應力得以更均勻擴散，在一定程度上減弱應變能的產生。此外，各疲勞曲線的斜率相差不大，即在疲勞壽命對應力水平的變化敏感性方面，凍融循環和乳化瀝青材料均影響不大。

4 結語

（1）為避免最大干密度大幅下降，2%乳化瀝青（固含量60%）+5%水泥為最佳的乳化瀝青-水泥穩定碎石材料組合。

（2）乳化瀝青可降低集料界面的滲透性，在一定程度上緩解液-固相變引起的膨脹應力，同時能改善基層的抗滲性能，降低微裂縫的形成速率和數量，使水泥穩定碎石在凍融循環下的無側限抗壓強度和動態抗壓回彈模量損失率降低。

（3）分散均勻的乳化瀝青可橋接水泥穩定碎石內部的孔隙和微裂紋，在受到荷載時起到應力吸收和避免裂紋進一步擴展的作用，從而提高疲勞耐久性；同時，乳化瀝青中的彈性成分能傳導和消散作用力，提升混合料的抗變形能力，使集中應力得以更均勻擴散，一定程度減弱應變能的產生。

參考文獻

［1］GUO M，TAN Y Q，ZHOU S W.Multiscale test research on interfacial adhesion property of cold mix asphalt［J］.Construction and Building Materials，2014，68（10）：769-776.