乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能

黃琴龍，楊 壯，李 敏

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000）

乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的干縮性能

黃琴龍1，楊 壯1，李 敏2

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000）

采用千分表支架法對乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同水泥和乳化瀝青摻量下混合料失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：乳化瀝青的摻入可有效降低混合料的失水率，顯著減小水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)；混合料的干縮系數(shù)在施工初期變化較大，建議在乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石基層施工后兩周內(nèi)進(jìn)行濕法養(yǎng)生。

路面工程；水泥穩(wěn)定碎石；乳化瀝青；收縮性能

水泥穩(wěn)定碎石具有強(qiáng)度高、剛度大、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，是我國高等級公路常用的半剛性基層材料之一。但水泥穩(wěn)定類材料的缺點(diǎn)是抗變形能力差，在養(yǎng)生期內(nèi)由于水分蒸發(fā)和溫度變化，混合料易出現(xiàn)收縮裂縫，并在開裂處引起應(yīng)力集中，使瀝青路面在運(yùn)營初期便出現(xiàn)反射裂縫，影響路面結(jié)構(gòu)的使用性能與服務(wù)水平。研究表明，在水泥穩(wěn)定碎石中摻入一定量的乳化瀝青能起到增柔改性的作用，通過形成水泥為連續(xù)相、瀝青為分散相的復(fù)合材料，有效增強(qiáng)顆粒間的粘聚力，減小混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力，有效改善混合料的早期開裂問題[1-3]。本文采用千分表支架法進(jìn)行室內(nèi)干縮試驗(yàn)[4]，系統(tǒng)研究了乳化瀝青的摻入對水泥穩(wěn)定碎石材料干縮性能的影響，為乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料在我國的推廣應(yīng)用提供參考借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的水泥為上海產(chǎn)的海螺牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，性質(zhì)滿足《通用硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)》（GB 175-2007）[5]的要求，水泥的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥材料技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of cement

試驗(yàn)采用的乳化瀝青為廣東產(chǎn)的陽離子慢裂型乳化瀝青（PC-2），其技術(shù)指標(biāo)見表2，各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[6]中對道路用乳化瀝青的技術(shù)要求。

表2 乳化瀝青材料技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators of emulsified asphalt

粗集料為浙江產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)石灰?guī)r集料，共分為15～25，5～15，3～5 mm和0～3 mm 4檔，其性能滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）[7]的要求，技術(shù)指標(biāo)見表3。細(xì)集料為機(jī)制細(xì)砂。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical indicators of coarse aggregates

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 混合料配合比

試驗(yàn)中設(shè)計了5個不同水泥和乳化瀝青摻量組合λc-λa（3-2，4-0，4-2，4-4，5-2），其中“3-2”表示水泥摻量λc為3%，乳化瀝青摻量λa為2%，水泥和乳化瀝青摻量均采用外摻法進(jìn)行設(shè)計。半剛性基層常用的結(jié)構(gòu)類型有骨架密實(shí)、懸浮密實(shí)和骨架空隙3種，其中骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的抗裂性能與路用性能表現(xiàn)最佳[8]。本試驗(yàn)中的混合料采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，集料采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）[7]中推薦的骨架密實(shí)型級配范圍中值進(jìn)行設(shè)計，具體級配見表4。

表4 骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)集料級配Tab.4 Aggregate gradation of skeleton dense structure

1.2.2 最佳摻水量與最大干密度

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[9]中的甲類重型擊實(shí)方法，可確定不同水泥和乳化瀝青摻量下混合料的最佳含水量和最大干密度。但由于乳化瀝青中含有一定的乳液水，在混合料拌合過程中，乳液水隨著乳化瀝青的破乳逐漸變?yōu)樽杂伤?，使得混合料中的?shí)際含水量大于設(shè)計含水量；因此，提出了混合料的最佳摻水量指標(biāo)ωd1，摻水量ωd1隨著乳化瀝青摻量和乳液水比例的不同而發(fā)生變化，其計算公式如下：

式中，ωd為混合料的最佳含水量；ωa1為乳液水與混合料干重的質(zhì)量比；λa為乳化瀝青摻量；ωa為乳化瀝青中乳液水含量；λc為水泥摻量。

表5給出了不同工況下混合料的最佳摻水量和最大干密度，從表中可以看出，隨著水泥摻量的增加，混合料的最佳摻水量和最大干密度略微呈增大趨勢；而水泥摻量λc固定為4%時，乳化瀝青摻量λa由0%增大為2%，ωd1降低了17.6%，ρd降低了1.1%；λa增大至4%時，ωd1降低了39.2%，ρd降低了1.9%，可見乳化瀝青摻量對混合料的最佳摻水量和最大干密度影響較大。

表5 最佳摻水量與最大干密度Tab.5 Optimum water addition and maximum dry density

2 混合料的干縮試驗(yàn)

2.1 試件成型

根據(jù)表5中不同工況下混合料的最佳摻水量和最大干密度，采用室內(nèi)小型攪拌機(jī)均勻拌合乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石混合料，拌合順序?yàn)橄燃尤胨喟韬暇鶆?，再加入乳化瀝青拌合均勻。將中梁試件（尺寸為400 mm×100 mm×100 mm）在98%壓實(shí)度下所需的混合料分3次裝入試模中，分層進(jìn)行搗實(shí)，然后在壓力機(jī)上采用400 kN的壓力將上壓塊壓入試模內(nèi)，靜壓60 s后卸載，待水泥初凝后脫模，用塑料薄膜包裹后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室進(jìn)行保濕養(yǎng)生7 d，并在養(yǎng)生期最后24 h放置于恒溫水槽中飽水養(yǎng)生。

2.2 干縮試驗(yàn)

試驗(yàn)根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[9]中規(guī)定的干縮試驗(yàn)方法進(jìn)行。每個工況準(zhǔn)備6個試件，其中3個試件進(jìn)行干縮平行試驗(yàn)（設(shè)為1號組），將不同工況下的試件長軸端磨平并在端面使用502膠粘結(jié)有機(jī)玻璃片，待502膠凝結(jié)后將千分表用磁性支座固定在試件上表面，見圖1。然后將所有試件放置于相同條件下進(jìn)行自然風(fēng)干（溫度為25℃左右），定期觀測千分表的讀數(shù)變化。同時，將另3個中梁試件放置于同樣的試驗(yàn)環(huán)境中，定期檢測試件的失水率（設(shè)為2號組），30 d后試件千分表讀數(shù)與重量不再變化，結(jié)束試驗(yàn)[10]。最后將2號組的中梁試件完全烘干并稱重。

圖1 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石干縮試驗(yàn)Fig.1 Dry shrinkage test of emulsified asphalt cement stabilized macadam

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，對不同工況下中梁試件在30 d周期內(nèi)的累積干燥收縮變形與失水率進(jìn)行監(jiān)測，取3組平行試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，見表6。

表6 30 d干縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析Tab.6 Analysis of 30 d dry shrinkage test results

對比表6中工況2，3，4的試驗(yàn)結(jié)果，可知當(dāng)水泥摻量恒定為4%時，隨著乳化瀝青的摻入，混合料同期失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)均明顯降低：混合料中摻入2%乳化瀝青后，失水率降低了10.5%，干縮應(yīng)變降低了24.4%，干縮系數(shù)降低了15.5%；摻入4%乳化瀝青后，失水率降低了13.2%，干縮應(yīng)變降低了44.2%，干縮系數(shù)降低了35.7%。從以上結(jié)果可以看出，混合料中的乳化瀝青具有一定的保水功能，能夠有效減小水泥穩(wěn)定碎石基層的干縮系數(shù)，降低水泥穩(wěn)定碎石基層干縮開裂的可能性。

而對比工況1，3，5中的試驗(yàn)結(jié)果，可知乳化瀝青摻量恒為2%時，水泥摻量從3%增加為4%，失水率從2.9%增大為3.4%，而當(dāng)水泥摻量增大為5%時，失水率繼續(xù)增大為3.7%，表明混合料的失水情況主要受水泥摻量影響，隨著水泥摻量的增加，水泥在混合料中發(fā)生水化作用，使混合料在養(yǎng)生期間更容易失水。而隨著水泥摻量從3%增大為4%時，干縮應(yīng)變由127.5×10-6增大為162.5×10-6，增長率為27.5%，干縮系數(shù)由43.97×10-6變?yōu)?7.79×10-6，增長率為8.7%；當(dāng)水泥摻量增大為5%時，干縮應(yīng)變增大為187.5×10-6，增長率為47.1%，干縮系數(shù)為50.68×10-6，增長率為15.3%。對比可知，水泥摻量對混合料的干縮性能有很大影響，但隨著乳化瀝青的摻入，使得水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層具有一定的柔性特點(diǎn)，能有效控制不同水泥摻量下半剛性基層的干縮性能。

以上結(jié)果是基于中梁試件30 d的累積干縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的，而混合料的干縮受環(huán)境溫度和濕度的影響較大，累積干縮系數(shù)無法有效反映混合料的干縮性能[11]；因此，本文對不同觀測時間下混合料的干縮情況變化規(guī)律進(jìn)行了動態(tài)分析。

3.1 失水率與時間的關(guān)系

混合料的失水率隨時間變化的關(guān)系曲線見圖2。從圖中可以看出，試件的失水率在初期變化較大，而在5 d后增長速率逐漸趨于平緩，是因?yàn)樵嚰?4 h后為飽水狀態(tài)，大量孔隙中的自由水揮發(fā)較快，而當(dāng)表面自由水完全蒸發(fā)后，試件內(nèi)部的水損失相對較緩慢。從圖2（a）中可以看出，隨著乳化瀝青的摻入，混合料初期自由水損失速率不變，而后期失水率明顯降低，但乳化瀝青摻量為2%和4%的失水率近似相同，表明乳化瀝青摻量能在一定程度上減小混合料的水損失；而從圖2（b）中可以看出，水泥摻量對試件的失水率有明顯影響，隨著水泥摻量增大，混合料的失水率明顯增大。

圖2 失水率與時間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between water loss rate and time

3.2 干縮應(yīng)變與時間的關(guān)系

不同工況下試件的干縮應(yīng)變隨時間變化的關(guān)系曲線見圖3。從圖中可以看出，混合料的干縮應(yīng)變在0～15 d期間增長相對較快，15 d之后混合料的累積干縮應(yīng)變逐漸趨于平緩；而圖3（a）表明乳化瀝青的摻入對混合料的干縮應(yīng)變明顯有減小的作用，且隨著乳化瀝青摻量由2%增加至4%，混合料的干縮應(yīng)變從162.3×10-6減小為120.0×10-6，相比不摻乳化瀝青時混合料的干縮應(yīng)變215.0×10-6，分別降低了24.5%和44.2%，表明乳化瀝青能夠明顯減小水泥穩(wěn)定碎石的干縮應(yīng)變；而從圖3（b）可以看出，隨著乳化瀝青的摻入，水泥含量對混合料干縮應(yīng)變的影響程度相對減小，表明摻入乳化瀝青對不同水泥摻量的混合料干縮應(yīng)變均有明顯的改善作用。

圖3 干縮應(yīng)變與時間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between dry shrinkage strain and time

3.3 干縮系數(shù)與時間的關(guān)系

干縮系數(shù)是反映混合料干縮應(yīng)變和失水率的綜合指標(biāo)，不同工況下試件的干縮系數(shù)隨時間變化的關(guān)系曲線見圖4。從圖4（a）可以看出，在試驗(yàn)初期0～5 d，由于試件的失水速度較快，此時干縮系數(shù)變化最快且數(shù)值較大，在5～15 d期間，混合料表面的自由水大部分損失，故隨著失水速度的降低，混合料的干縮系數(shù)也逐漸增大，且在15 d之后逐漸趨于穩(wěn)定；從圖4（b）中可以看出，摻入2%乳化瀝青后，隨著水泥摻量的增加，混合料的干縮系數(shù)略微增大，表明乳化瀝青的摻入可有效減小水泥對混合料干縮性能的影響。

圖4 干縮系數(shù)與時間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between dry shrinkage coefficient and time

3.4 干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系

乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石混合料的干縮系數(shù)與失水率存在一定的關(guān)系，不同工況下混合料的干縮系數(shù)隨失水率的變化規(guī)律見圖5。從圖5可以看出，隨著混合料的水分損失，干縮系數(shù)有一個先減小再增大的變化過程。從圖5（a）可以看出，隨著乳化瀝青的摻入，混合料的最大失水率減小，且最大干縮系數(shù)明顯降低；從圖5（b）中可以看出，在相同干縮系數(shù)下，高水泥摻量的混合料失水率更大，表明乳化瀝青在混合料中起到了一定的保水作用，而水泥則增加水分損耗；因此在施工中應(yīng)注意及時灑水養(yǎng)生。

圖5 干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between dry shrinkage coefficient and water loss rate

4 結(jié)論

通過室內(nèi)干縮試驗(yàn)研究了不同水泥和乳化瀝青摻量下混合料的干縮性能，得到以下結(jié)論：

1）摻入乳化瀝青能夠有效減小水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮系數(shù)與失水率，相比普通水泥穩(wěn)定碎石，摻入2%乳化瀝青后，混合料的干縮系數(shù)降低了15.5%，失水率降低了10.5%；摻入4%乳化瀝青后，混合料的干縮系數(shù)降低了13.2%，失水率降低了35.7%。

2）混合料中摻入一定的乳化瀝青時，隨著水泥摻量由3%增大為5%，混合料的干縮系數(shù)由43.97×10-6增大為50.68×10-6，增長了15.3%，表明水泥對混合料的干縮性能有很大影響。施工中應(yīng)保證混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，盡量減小水泥摻量。

3）乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石混合料在施工初期前15 d左右的失水率、干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)變化較大，養(yǎng)生條件對混合料的干縮性能至關(guān)重要，建議在乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石基層施工后兩周內(nèi)進(jìn)行濕法養(yǎng)生，避免混合料因失水率過大導(dǎo)致干縮應(yīng)變加劇，施工質(zhì)量難以得到保證。

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Dry Shrinkage Performance of Emulsified Asphalt Cement Stabilized Macadam

Huang Qinlong1，Yang Zhuang1，Li Min2
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University，Shanghai 201804,China；2.Shanxi Yuncheng Road and Bridge Co.,Ltd.，Yuncheng 044000，China）

Based on the test methods with dial gage and bracket，laboratory experiments were done to study the dry shrinkage performance of emulsified asphalt cement stabilized macadam,the water loss rate,dry shrinkage strain and coefficient of mixtures with different cement contents and emulsified asphalt contents were analyzed. The test results show that the incorporation of emulsified asphalt could make water loss rate,dry shrinkage strain and coefficient of cement stabilized macadam decrease significantly.The dry shrinkage coefficient of mixtures has great variation at early stage,so it is suggested that mixtures should have enough water contents in the period of two weeks after the construction of emulsified asphalt cement stabilized macadam base.

pavement engineering;cement stabilized macadam;emulsified asphalt;shrinkage performance

U416.214

：A

1005-0523（2017）01-0092-07

（責(zé)任編輯 劉棉玲）

2016－07－16

山西省交通運(yùn)輸廳科技計劃項(xiàng)目（2016－1－1）

黃琴龍（1970—），男，副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)榈缆放c機(jī)場工程。

楊壯（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆放c機(jī)場工程。