摻水泥對(duì)瀝青三大指標(biāo)及瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響

張軍帥，鄭建鋒，吳維彬，張　洪

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2. 福建省招標(biāo)采購(gòu)集團(tuán)有限公司，福建 福州 350002；3. 廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧530011)

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摻水泥對(duì)瀝青三大指標(biāo)及瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響

張軍帥1，鄭建鋒2，吳維彬3，張洪1

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2. 福建省招標(biāo)采購(gòu)集團(tuán)有限公司，福建 福州 350002；3. 廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧530011)

在瀝青中加入0%、3%、5%、8%、10%、15%六組不同劑量的水泥后，對(duì)瀝青三大指標(biāo)及瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究。為了探究水泥在瀝青中是否發(fā)生硬化，在瀝青澆筑后，一組常溫冷卻1.5 h，另一組常溫冷卻24 h，兩組進(jìn)行對(duì)比分析。水泥最佳劑量由瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗拉性?xún)蓚€(gè)因素確定。結(jié)果表明：瀝青的軟化點(diǎn)和抗車(chē)轍能力隨著水泥劑量的增加而提高；水泥劑量較低時(shí)對(duì)瀝青延度影響不大，但水泥劑量超過(guò)10%后，瀝青延度隨水泥劑量增加而降低；水泥在瀝青中發(fā)生了硬化；水泥最佳摻量為8%～10%。

水泥；瀝青三大指標(biāo)；高溫穩(wěn)定性

瀝青路面因其具有表面平整、噪音低、行車(chē)舒適、易于修復(fù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今應(yīng)用最廣的路面之一，同時(shí)瀝青作為一種感溫性材料[1]，夏季高溫時(shí)易出現(xiàn)高溫穩(wěn)定性不足，產(chǎn)生車(chē)轍病害，嚴(yán)重影響行車(chē)的安全性與舒適性。為提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出了一系列瀝青改性措施[2]，如SBS改性瀝青、摻加抗車(chē)轍劑、橡膠粉、纖維等改性劑以及改進(jìn)瀝青混合料級(jí)配、采用低標(biāo)號(hào)瀝青等方法，取得了一些成果，但由于技術(shù)、成本、工藝等因素，車(chē)轍問(wèn)題依然沒(méi)有得到完全地解決。近年來(lái)，不少學(xué)者做了瀝青與水泥復(fù)合或水泥作為外加劑方向的研究，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，為瀝青改性提供了另外一個(gè)思路。王發(fā)洲等[3]從微觀上研究了水泥與陽(yáng)離子乳化瀝青顆粒的作用機(jī)理，并提出了兩者相互作用模型；鄭克仁等[4]采用氮吸附法研究了水泥乳化瀝青砂漿孔體結(jié)構(gòu)，得出瀝青含量是影響孔分布與孔結(jié)構(gòu)的重要因素；范傳斌等[5]研究表明：在瀝青中摻加干水泥能提高瀝青混合料的黏附性，增強(qiáng)瀝青混合料的抗剪能力，改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性；張嘎吱等[6]在瀝青中摻加干水泥，證明了在瀝青路面使用過(guò)程中，瀝青中水泥顆粒能俘獲進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部的水分，并發(fā)生水化，形成的水化產(chǎn)物成為阻止外界水分進(jìn)入瀝青與礦料界面的一道屏障，進(jìn)而有效提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

基于以上研究成果，筆者在瀝青中摻加了相對(duì)瀝青質(zhì)量0%、3%、5%、8%、10%、15%六組不同劑量干水泥，研究水泥對(duì)瀝青三大指標(biāo)及瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響。通過(guò)軟化點(diǎn)和車(chē)轍試驗(yàn)研究了水泥對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性的影響，通過(guò)延度試驗(yàn)研究了水泥對(duì)瀝青抗拉性的影響。最佳的水泥劑量通過(guò)既較大幅度地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)瀝青抗拉性又不降低過(guò)大兩方面來(lái)限定。

1　試驗(yàn)材料性能

1.1瀝青

采用江蘇產(chǎn)基質(zhì)瀝青，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JT GF40-2004)的要求，具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　瀝青性能指標(biāo)

1.2水泥

采用重慶海螺水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，代號(hào)為P.O42.5。

1.3集料

采用江蘇常州產(chǎn)玄武巖，AC-16級(jí)配，集料的各項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

表2　集料技術(shù)指標(biāo)

2　水泥對(duì)瀝青三大指標(biāo)影響

設(shè)置瀝青中摻加3%、5%、8%、10%、15%的水泥和基質(zhì)瀝青共六組試驗(yàn)?？紤]到外界水分可能進(jìn)入瀝青，與瀝青中的水泥顆粒發(fā)生反應(yīng)，為探究反應(yīng)后生成的水化產(chǎn)物對(duì)瀝青三大指標(biāo)的影響，每個(gè)比例的瀝青澆筑好后，一組在室溫下放置1.5 h，另一組在室溫下放置24 h，給水泥一個(gè)水化反應(yīng)時(shí)間，其中前者定義為未加時(shí)，后者定義為加時(shí)后。

2.1摻不同劑量水泥的瀝青在不同溫度下的延度

延度是指規(guī)定形狀的試樣在規(guī)定溫度下,以一定的速度進(jìn)行拉伸至斷裂時(shí)所伸長(zhǎng)的距離，表征瀝青在一定條件下的變形能力[7]。摻不同劑量水泥的瀝青在不同溫度下的延度如表3所示，延度儀量程為1 445 mm，延度值超出延度儀量程記為1 445 mm，試驗(yàn)速度為5 cm/min，水泥劑量與瀝青延度關(guān)系見(jiàn)圖1。

表3 瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果

圖1　水泥劑量與瀝青延度曲線圖

由表3和圖1可知：10℃時(shí)，瀝青延度隨水泥劑量的增加而緩慢降低，未加時(shí)瀝青延度略大于加時(shí)后瀝青延度，且水泥劑量大于瀝青質(zhì)量10%后，瀝青延度降低速度加快；15℃時(shí)，瀝青延度隨水泥劑量變化規(guī)律與10℃時(shí)接近，水泥劑量大于10%后，未加時(shí)瀝青延度變化不大，但加時(shí)后瀝青延度隨水泥劑量的增加而劇減；15℃時(shí)瀝青延度與10℃時(shí)相比，延度值總體較大，為10℃延度值的2.3倍左右。

由此可知，水泥摻量小于瀝青質(zhì)量10%時(shí)，與基質(zhì)瀝青相比，摻水泥瀝青延度下降不大。加時(shí)后，瀝青中的部分水泥顆粒發(fā)生了水化反應(yīng)，水泥摻量大于10%后，水化反應(yīng)加快，且溫度越高，水化反應(yīng)越快。

2.2摻不同劑量水泥的瀝青針入度

瀝青的針入度是指在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下,標(biāo)準(zhǔn)針貫入瀝青試樣的深度(以0.1 mm計(jì))。針入度作為瀝青三大指標(biāo)之一，應(yīng)用廣泛。針入度指標(biāo)是劃分道路瀝青等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，能夠表征瀝青材料的感溫性，評(píng)價(jià)瀝青老化程度[8]。摻不同劑量水泥的瀝青針入度如表4所示，試驗(yàn)條件為溫度15℃,荷重100 g,貫入時(shí)間5 s，水泥劑量與瀝青針入度關(guān)系見(jiàn)圖2。

表4　瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果

圖2　水泥劑量與瀝青針入度曲線圖

由表4和圖2可知：15℃下，未加時(shí)組，摻水泥瀝青針入度與基質(zhì)瀝青相差不明顯，但對(duì)加時(shí)組，摻水泥瀝青針入度明顯小于基質(zhì)瀝青，且有水泥摻量越多，針入度越小的趨勢(shì)。對(duì)相同水泥摻量的瀝青，加時(shí)后針入度較未加時(shí)小3%～20%。

由此可知，未加時(shí)組，瀝青中水泥顆?；疚窗l(fā)生水化反應(yīng)，水泥對(duì)瀝青針入度影響很小，而加時(shí)組，瀝青中部分水泥顆粒發(fā)生了水化反應(yīng)，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物使瀝青針入度減小。

2.3摻不同劑量水泥的瀝青的軟化點(diǎn)

瀝青的軟化點(diǎn)是指瀝青在一定條件下達(dá)到一定黏度時(shí)的溫度, 我國(guó)采用環(huán)球法測(cè)定。由于軟化點(diǎn)與瀝青高溫穩(wěn)定性有較好的相關(guān)性，因而可以反映瀝青的高溫穩(wěn)定性[8]。摻不同劑量水泥的瀝青軟化點(diǎn)如表5所示，水泥劑量與瀝青軟化點(diǎn)關(guān)系見(jiàn)圖3。

表5　瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由表5與圖3可知：未加時(shí)組與加時(shí)組軟化點(diǎn)大體上均隨水泥劑量增加而提高，說(shuō)明水泥的摻入提高了瀝青的軟化點(diǎn)；摻相同劑量水泥的瀝青，加時(shí)組軟化點(diǎn)較未加時(shí)組略有提高，最大提高1.3℃，說(shuō)明瀝青內(nèi)部水泥顆粒發(fā)生了水化反應(yīng)。

圖3　水泥劑量與瀝青軟化點(diǎn)曲線圖

3　水泥對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響

瀝青高溫穩(wěn)定性作為瀝青路面最基本的路用面性能之一，對(duì)路面安全性、舒適性影響巨大。瀝青高溫穩(wěn)定性采用車(chē)轍試驗(yàn)衡量，車(chē)轍板尺寸300 mm×300 mm×50mm，試驗(yàn)溫度60℃，輪壓0.7 MPa[9]，本試驗(yàn)集料配比AC-16，瀝青油石比4.5%，摻水泥增加的質(zhì)量從礦粉中扣除，車(chē)轍試驗(yàn)每組3個(gè)試件，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，水泥劑量與瀝青動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

表6　瀝青車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

圖4　水泥劑量與瀝青動(dòng)穩(wěn)定度曲線圖

由表6與圖4可知：瀝青動(dòng)穩(wěn)定度隨瀝青劑量的提高而增大，增大趨勢(shì)先快后慢，其中水泥摻量為3%時(shí)，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高4.2%；水泥摻量為8%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提高19.7%；水泥摻量為10%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度提高23.7%。說(shuō)明水泥的摻入，提高了瀝青與集料的界面粘結(jié)力以及部分水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物，兩者共同作用提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

(1)對(duì)瀝青延度，水泥摻量小于瀝青質(zhì)量10%時(shí)，與基質(zhì)瀝青相比，摻水泥瀝青延度下降不大。加時(shí)后，瀝青中的部分水泥顆粒發(fā)生了水化反應(yīng)，會(huì)進(jìn)一步降低瀝青延度，且水泥劑量越大，溫度越高，瀝青延度降低越快。

(2)對(duì)瀝青針入度，未加時(shí)組，水泥對(duì)瀝青針入度影響不大，但加時(shí)后，瀝青中部分水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)，摻水泥瀝青針入度小于基質(zhì)瀝青。

(3)對(duì)瀝青軟化點(diǎn)，水泥的摻入提高了瀝青的軟化點(diǎn)，且加時(shí)組瀝青軟化點(diǎn)較未加時(shí)組又略有提高。

(4)對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，水泥的摻入，提高了瀝青與集料的界面黏接力以及部分水泥顆粒發(fā)生水化反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，兩者共同作用提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

(5)綜合考慮，通過(guò)既較大幅度地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)瀝青抗拉性又不降低過(guò)大，得到水泥的最佳摻量為8%～10%。

[1]尹利華，延西利，陳曉瑛，等. 瀝青材料感溫性與其混合料高溫穩(wěn)定性關(guān)系研究[J].公路交通科技，2008，35(1)：38-39.

[2]馮志剛. 重載交通混合式基層瀝青路面超高溫性能研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[3]王發(fā)洲，劉云鵬，胡曙光，等.硅酸鹽水泥與陽(yáng)離子乳化瀝青顆粒的相互作用機(jī)理[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，31(2)：186-187.

[4]鄭克仁，蔡峰良，周錫玲，等.基于氮吸附的水泥-瀝青復(fù)合硬化體孔結(jié)構(gòu)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(2)：1-2.

[5]范傳斌,羅煉.摻水泥瀝青混凝土粘附性試驗(yàn)及工程實(shí)踐[J].廣東公路交通，2004(1)：17-18.

[6]張嘎吱,王永強(qiáng).摻干水泥的瀝青混合料水穩(wěn)性研究[J].公路，2004(6)：131-133.

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[9]JTG E20-2011.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

Effect of cement content on high temperature stability of asphalt mixture with three asphalt indicators

ZHANG Jun-shuai1,ZHENG Jian-feng2，WU Wei-bin3，ZHANG Hong1

(1.SchoolofCivilEngineering&Architecture，ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.FujianTendering&PurchasingGroupCo.,Ltd.，F(xiàn)uzhou350002，China;3.TheTransportationPlanningSurveyandDesignInstitute,TheGuangxiZhuangAutonomousRegion，Nanning530011,China)

After adding 0%,3%,5%,8%,10% and 15% different doses of cement,the high temperature stability of asphalt mixture was tested.In order to explore whether the cement hardens in the asphalt,after the asphalt pouring,one group cools 1.5h in room temperature,the other group cools 24h in room temperature,comparative analysis is performed for the two groups.The optimum dosage of cement is determined by two factors:high temperature stability and tensile strength of asphalt mixture.The results show that the softening point of asphalt and the anti rutting ability increase with the increase of the dosage of cement.It has little effect on the ductility of asphalt when the cement dose is low,but the ductility increases with the increase of the dosage of cement when the dosage of cement is more than 10%.Then cement hardens in asphalt,and the best cement admixture is 8%-10%.

cement;three indicators of asphalt;high temperature stability

2016-05-09

中國(guó)博士后基金(2016M592888XB)

張軍帥(1991—)，男，河南鶴壁人，碩士研究生。

1674-7046(2016)05-0023-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.005

TU535

A