乳化瀝青碾壓貧混凝土路面基層材料研究

康 衛(wèi)

(大豐市恒昌交通建設(shè)工程有限公司,江蘇 大豐 224100)

貧混凝土(Lean Concrete，簡稱LC)與水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石等常用半剛性基層材料相比，具有較高的強(qiáng)度、剛度和良好的抗沖刷、抗凍、抗疲勞性能[1]，英國、美國、德國等國家的高速公路路面有很多采用貧混凝土基層[2]。國內(nèi)長安大學(xué)等單位對貧混凝土基層路面開展了深入研究，并成功修筑了試驗路[3,4]。

貧混凝土基層按施工方式不同大致可分為振搗貧混凝土基層和碾壓貧混凝土基層，碾壓式貧混凝土相對振搗式具有較高的強(qiáng)度和彎拉模量[5]，但作為剛性材料，仍面臨抗裂問題。諸多學(xué)者研究了水泥對乳化瀝青混合料的改性作用[6-8]，但乳化瀝青的摻用影響貧混凝土性能的研究相對較少，本文通過實驗探討乳化瀝青貧混凝土的路用性能及作為瀝青路面基層的可行性。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

實驗采用海螺32.5級普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表1，滿足道路水泥的緩凝要求。乳化瀝青為陽離子慢裂型(BC-1)，實測蒸發(fā)殘留物含量為63%，蒸發(fā)殘留物25 ℃針入度為60(0.01 mm)，15 ℃延度為68 cm，與水泥拌合均勻。集料采用產(chǎn)于鎮(zhèn)江的石灰?guī)r，砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.77，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1水泥技術(shù)指標(biāo)
Table1Technicalindexesofcement

標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%初凝時間/min終凝時間/min安定性/mm3 d抗壓強(qiáng)度/MPa3 d抗折強(qiáng)度/MPa28.0205322216.63.7

表2集料技術(shù)指標(biāo)
Table2Technicalindexesofaggregate

技術(shù)指標(biāo)碎石/1^3 cm碎石/0.5^1 cm石屑河砂粗集料含泥量/%0.210.67--針片狀含量/%4.228.12---自然堆積密度/(g·cm-3)1.4371.4001.5311.607搗實密度/(g·cm-3)1.6961.5861.8161.730表觀密度/(g·cm-3)2.7312.7042.5442.593空隙率/%37.941.328.633.3壓碎值/%9.30---

1.2 配合比設(shè)計

參考文獻(xiàn)[9]中探討的填充包裹法，以改進(jìn)的維勃稠度儀測定VC值，確定碾壓貧混凝土的配合比(見表3)?？紤]乳化瀝青中的含水量，維持W/C不變，設(shè)計2%、4%、6%3種乳化瀝青用量(A/C)。

表3貧混凝土配合比
Table3Mixtureratioofleanconcrete

KpKmW/C碎石1^3 cm/(kg·cm-3)碎石0.5^1 cm/(kg·cm-3)石屑/(kg·cm-3)河砂/(kg·cm-3)水泥/(kg·cm-3)VC/s1.31.50.42465870150600215.032

注：Kp為砂漿富余系數(shù)，Km為水泥漿富余系數(shù)。

1.3 實驗方法

混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，加料順序為先預(yù)拌細(xì)集料、水泥、粗集料，再加入水拌合均勻，最后倒入乳化劑拌合均勻。

為模擬施工現(xiàn)場振動壓路機(jī)的碾壓工藝，并與水泥穩(wěn)定碎石基層材料進(jìn)行對比，采用JTG E51-2009 規(guī)定的T0842方法，利用LCX-4型振動壓實成型機(jī)制備試件，經(jīng)預(yù)拌預(yù)壓控制試件尺寸為φ150 mm×(150±2)mm，當(dāng)壓頭四周冒漿即停止振動壓實。試件成型24 h后脫模，立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)生，根據(jù)JTG E51-2009規(guī)定的實驗方法[11]，養(yǎng)生7 d測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、養(yǎng)生28 d進(jìn)行劈裂試驗、劈裂回彈模量試驗，并利用TDR-28型快速凍融機(jī)進(jìn)行5次凍融實驗。力學(xué)實驗均在WEW-1000型微機(jī)控制萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。最后將破壞試件斷面取樣，運(yùn)用掃描電鏡(SEM)進(jìn)行乳化瀝青水泥膠漿的微觀結(jié)構(gòu)分析。

2 工作性能

混凝土拌合后用維勃稠度法測定VC值，同時裝模成型試件，記錄振動壓實時間。脫模后即稱重，量取試件實際尺寸，計算密度值，相同配比的試件取平均值，測試結(jié)果見表4。

表4乳化瀝青貧混凝土工作性能
Table4Workingperformancesofleanconcreteintroducedemulsifiedasphalt

(A/C)/%VC/s振實時間/s密度/(g·cm-3)壓實度/%031692.43198.8236862.42198.44451212.41498.76571372.41199.1

表中數(shù)據(jù)表明，隨乳化瀝青用量的增大，維勃稠度測試和振實成型時間均明顯延遲，尤其是6%乳化瀝青摻量的混凝土振實時間延長近1倍。由于配合比設(shè)計中乳化瀝青中的水分計入W/C，而乳化劑分子指向水分子的一端為極性親水基團(tuán)，在拌合后不長的時間內(nèi)，水泥和集料與乳化瀝青搶奪水分尚不強(qiáng)烈。因此，成型初期，乳化瀝青摻量越多，其維持的水分越多，相對而言，保證混凝土和易性的水分就越少。由于瀝青自身不與水泥反應(yīng)[6]，在破乳分裂后部分瀝青微粒相互黏聚，占據(jù)了混凝土內(nèi)部空間，因瀝青密度偏小，使得摻用乳化瀝青越多，混凝土密度越低。而按材料密度計算的試件壓實度均值表明，乳化瀝青摻量變化對試件振動壓實度影響不明顯，且均達(dá)到98%以上。

3 力學(xué)性能

為考察乳化瀝青摻用對貧混凝土強(qiáng)度和抗裂性能的影響，按JTG E51-2009規(guī)定的齡期和實驗方法測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生試件的強(qiáng)度和劈裂回彈模量，結(jié)果見圖1和表5。隨乳化瀝青摻量增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和回彈模量均逐漸降低，摻量為6%時的降幅分別達(dá)44.6%、50.0%和25.6%，其變化的擬合曲線特征尚需批量的正交實驗予以驗證。測試數(shù)據(jù)的偏差系數(shù)表明，提高乳化瀝青摻量會增大混凝土力學(xué)性能的離散性，6%的乳化瀝青摻量帶來的偏差系數(shù)相對較大。

由破碎試件的斷面可見，均勻拌入混合料的乳化瀝青破乳后能自聚成細(xì)小微粒，少量瀝青黏聚成膜，部分瀝青膜包裹著水泥顆粒和水泥水化產(chǎn)物，阻礙了部分水泥的水化進(jìn)程，這是乳化瀝青摻量增大引起混凝土強(qiáng)度降低的主要原因。

圖1 乳化瀝青摻量對貧混凝土力學(xué)性能的影響Fig.1 Effect of emulsified asphalt content on mechanical properties of lean concrete

力學(xué)性能指標(biāo)試件數(shù)量數(shù)據(jù)類別0246無側(cè)限抗壓強(qiáng)度13個平均值R/MPa標(biāo)準(zhǔn)差S/MPa偏差系數(shù)Cv/%代表值RC/MPa17.50.814.6316.215.20.956.2513.613.50.866.3712.110.20.767.458.9間接抗拉強(qiáng)度13個平均值R/MPa標(biāo)準(zhǔn)差S/MPa偏差系數(shù)Cv/%代表值RI/MPa3.670.215.723.323.180.154.722.932.730.248.792.341.860.126.451.66劈裂回彈模量13個平均值E/MPa標(biāo)準(zhǔn)差S/MPa偏差系數(shù)Cv/%代表值EI/MPa1 76960.813.441 6691 65870.954.281 5411 543114.867.441 3541 490150.7610.121 242

觀察試件外觀，振實成型的上表面因激振力作用，加速了表層的乳化瀝青破乳分裂，產(chǎn)生少量局部黏聚的瀝青膜；而乳化瀝青分散不均勻，以及摻量的增大，可能帶來瀝青黏聚微粒的增多和增大，由此，加大了貧混凝土強(qiáng)度的離散性。

各個國家對用于道路工程的貧混凝土的強(qiáng)度要求差別較大。澳大利亞和美國加利福尼亞州要求的碾壓貧混凝土7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為5 MPa和5.4 MPa，有些國家則要求貧混凝土強(qiáng)度大于10 MPa[1]。我國目前常用的水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限強(qiáng)度要求為3.0 MPa～5.0 MPa，表5實驗結(jié)果表明，6%乳化瀝青摻量的貧混凝土強(qiáng)度滿足我國半剛性路面基層設(shè)計強(qiáng)度的要求。

4 水穩(wěn)定性

按照J(rèn)TG E51-2009規(guī)定的T0858凍融試驗方法驗證乳化瀝青貧混凝土的水穩(wěn)定性。測試5次凍融循環(huán)后，乳化瀝青貧混凝土的抗凍性指標(biāo)BRD和試件的質(zhì)量變化率Wn見表6。實驗數(shù)據(jù)表明，隨乳化瀝青摻量增大，貧混凝土后期強(qiáng)度增漲幅度略有降低，抗凍性指標(biāo)略有提高，而質(zhì)量損失與乳化瀝青用量無明顯關(guān)系。

表6乳化瀝青貧混凝土凍融實驗結(jié)果
Table6Freeze-thawexperimentalresultsofleanconcreteintroducedemulsifiedasphalt

乳化瀝青摻量28 d無側(cè)限強(qiáng)度/MPa(7 d強(qiáng)度/28d強(qiáng)度)/%凍融后強(qiáng)度均值/MPa標(biāo)準(zhǔn)差S/MPa偏差系數(shù)Cv(%)BRD/%Wn/%019.383.814.60.714.8675.60.2217.677.515.10.573.7785.80.4414.384.511.70.837.0981.80.1610.486.19.30.717.6389.40.2

5 乳化瀝青水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)分析

圖2為不同摻量的乳化瀝青水泥漿體結(jié)構(gòu)。對比圖a和圖b，乳化瀝青摻量增加，混凝土中微小毛細(xì)孔明顯增多，有些是未相互黏聚的瀝青微粒；圖c為瀝青包裹水泥水化產(chǎn)物界面，由于水泥水化反應(yīng)促進(jìn)了乳化瀝青破乳，水泥水化與瀝青自聚相輔相成，水化物與瀝青膜相互獨立又相互滲透，交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其他學(xué)者的研究亦指出，乳化瀝青使得混凝土膠漿-集料界面結(jié)構(gòu)由平面轉(zhuǎn)為立體，界面結(jié)構(gòu)與性能得到改善[6,12]。

圖2 乳化瀝青水泥漿體結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of emulsified asphalt cement paste

6 結(jié)語

(1)乳化瀝青摻入貧混凝土，降低了混凝土的工作性能，密度略有降低，但對壓實度的影響不明顯。

(2)隨乳化瀝青摻量增大，貧混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、劈裂回彈模量均明顯降低，乳化瀝青微粒分散不均勻和局部黏聚成膜是引起貧混凝土力學(xué)性能離散的主要原因。

(3)隨乳化瀝青摻量的增大，貧混凝土后期強(qiáng)度增長幅度減小，但抗凍性指標(biāo)略有提高。

(4)水泥水化產(chǎn)物與瀝青相互交織，改善了瀝青與其它固化顆粒的界面性能。

(5)6%摻量的乳化瀝青貧混凝土滿足我國對瀝青路面半剛性基層強(qiáng)度和回彈模量的要求。

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