養(yǎng)生條件對(duì)瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

成豪杰，王紹全，郭耀龍，段祥磊，孫宇亮，張海濤

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

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養(yǎng)生條件對(duì)瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響

成豪杰，王紹全，郭耀龍，段祥磊，孫宇亮，張海濤*

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

本文對(duì)乳化瀝青改性水泥砂漿進(jìn)行研究，通過(guò)探究提高水泥砂漿剛性材料柔性的有效方法，以提高其抗裂性和耐久性。通過(guò)改變不同的瀝青用量和養(yǎng)生條件，按照一定的配合比制作乳化瀝青改性水泥砂漿試件，分別測(cè)試其抗折強(qiáng)度，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同養(yǎng)生條件對(duì)其抗折強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果對(duì)今后的柔性水泥砂漿設(shè)計(jì)與施工具有一定的參考價(jià)值，可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

道路工程；乳化瀝青水泥砂漿；瀝青用量；養(yǎng)生條件；抗折強(qiáng)度

0　引　言

水泥混凝土路面的特點(diǎn)是強(qiáng)度與剛度較大，水泥混凝土路面板的彈性模量一般在4×104～5×104MPa。這一特性使得水泥混凝土路面對(duì)基層的承載力要求很低。在我國(guó)的交通運(yùn)輸體系中，水泥混凝土路面常被用在穩(wěn)定基層上的大交通量和重載交通的高速公路、機(jī)場(chǎng)等道路上。但這一特性也使得水泥混凝土路面的行車(chē)舒適及振動(dòng)等條件較差[1-2]。更重要的是在潮濕多雨的濕熱條件下，由于較大溫差作用，水泥混凝土面層易發(fā)生較大的溫度翹曲應(yīng)力而發(fā)生變形，造成同基層頂面的脫空，在重載交通影響下，從而引起裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展[3]。斷裂力學(xué)指出裂縫尖端會(huì)出現(xiàn)巨大的應(yīng)力集中，裂紋擴(kuò)展會(huì)因?yàn)榱鸭y尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子超過(guò)其臨界值而不斷加劇[4]。這一點(diǎn)嚴(yán)重危害行車(chē)舒適與安全。

和水泥路面相比，瀝青路面較軟，有關(guān)專(zhuān)家得出結(jié)論：壓應(yīng)力在瀝青路面間傳遞時(shí)，到達(dá)土基頂部時(shí)已經(jīng)很小只有12MPa，因而面層最容易發(fā)生壓密變形[5]。實(shí)際體現(xiàn)為瀝青路面的破壞形式為車(chē)轍，這是在各種因素的影響下所產(chǎn)生的永久性變形，其因素包括高溫氣候條件、車(chē)輛荷載等[6]。同時(shí)，瀝青路面由于孔隙率較水泥路面高的特點(diǎn)，飽和瀝青面層在承受路面移動(dòng)交通荷載的過(guò)程中，孔隙水壓力和流動(dòng)的水都會(huì)形成[7]，從而造成水損害。除了車(chē)轍、水害兩種常見(jiàn)病害外，對(duì)于瀝青路面的砂土路肩，由于瀝青孔隙率稍高，使砂土路面容易被風(fēng)和車(chē)輛帶起，對(duì)瀝青路面的構(gòu)造深度造成影響[8]。

綜合瀝青材料的柔性?xún)?yōu)點(diǎn)和水泥材料的剛性?xún)?yōu)點(diǎn)，組成柔性瀝青水泥混凝土復(fù)合路面材料。半柔性路面就是在大空隙(空隙率達(dá)到20%以上)的瀝青混合料中灌入水泥砂漿形成水泥瀝青復(fù)合型材料，這種路面使瀝青和水泥兩者的優(yōu)點(diǎn)得以發(fā)揮[9]。這種路面在當(dāng)下公路路面中逐漸被采用，尤其在我國(guó)南方地區(qū)，由于溫度越高，半柔性路面內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)就越劇烈和強(qiáng)烈，加大了材料的強(qiáng)度[10]。但是這種復(fù)合路面材料會(huì)因?yàn)榛鶎拥酌鎻椥阅Ａ看髮?dǎo)致底面在荷載作用下產(chǎn)生半剛性基層開(kāi)裂，但通過(guò)水泥用量的控制可以大大減少此現(xiàn)象的出現(xiàn)[11-13]。本文利用瀝青柔性材料對(duì)水泥砂漿進(jìn)行柔性提高，形成柔性瀝青水泥混凝土復(fù)合路面材料，并對(duì)不同養(yǎng)生條件對(duì)抗折性能進(jìn)行重點(diǎn)研究。

1　實(shí)驗(yàn)原材料

1.1水泥

水泥為亞泰集團(tuán)生產(chǎn)的P.O.42.5水泥，其性質(zhì)按公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程(JTG E30-2005)的有關(guān)方法進(jìn)行檢驗(yàn)[14]，水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。所檢項(xiàng)目各項(xiàng)指標(biāo)均符合通用硅酸鹽水泥(GB175-2007)中的技術(shù)要求。

表1　水泥性能指標(biāo)

1.2砂

砂為普通河砂，其性質(zhì)按公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E42-2005)的有關(guān)方法進(jìn)行檢測(cè)[15]，砂各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2。所檢項(xiàng)目各項(xiàng)指標(biāo)均符合公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T F50-2011)中的技術(shù)要求。

表2　砂性能指標(biāo)

1.3乳化瀝青

測(cè)試使用的乳化瀝青的瀝青含量為48.9%，其技術(shù)性質(zhì)參照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20-2011)的方法進(jìn)行檢測(cè)[16]，乳化瀝青各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3　乳化瀝青性能指標(biāo)

1.4水

本試驗(yàn)所用水為自來(lái)水。

2　試驗(yàn)方案

2.1水泥砂漿與瀝青水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)

水泥砂漿配合比按砌筑水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程(JTG/T 98-2010)設(shè)計(jì)。

水泥砂漿的試配強(qiáng)度按下式計(jì)算：

fm,o=kf2。

式中：fm，o為水泥砂漿的試配強(qiáng)度；f2為水泥砂漿抗壓強(qiáng)度平均值；k為系數(shù)，一般施工水平取1.20。

水泥砂漿強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ及k值，見(jiàn)表4。

表4　水泥砂漿強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ及k值

實(shí)驗(yàn)按照M30水泥砂漿進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定水泥砂漿配合比為：水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5。因此，瀝青水泥砂漿配合比為：水泥∶瀝青∶砂∶水=1∶X∶3∶0.5，瀝青用量X分別為0，0.50，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30。乳化瀝青的瀝青含量為48.9%，可以計(jì)算得到乳化瀝青的用量，乳化瀝青中的水計(jì)入水泥砂漿配合比中的水量。

2.2瀝青水泥砂漿成型工藝[17-18]

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制作瀝青水泥砂漿試件(160 mm×40 mm×40 mm)，每個(gè)試件需要水泥500 g，砂1 500 g，水250 g，根據(jù)不同用量的瀝青質(zhì)量，計(jì)算所需的乳化瀝青溶液用量(乳化瀝青所含的水計(jì)入250 g水中)。將水和乳化瀝青加入水泥砂漿攪拌機(jī)中，然后加入水泥攪拌。在拌合瀝青水泥砂漿時(shí)，當(dāng)瀝青用量在0～15%范圍內(nèi)時(shí)，拌合都比較容易；但是當(dāng)瀝青用量大于15%時(shí)，水分在拌合時(shí)有一定的減少，拌合有些困難，但不至于影響拌合。

2.3養(yǎng)生條件

不同瀝青用量的瀝青水泥砂漿試件如圖1所示。

圖1　不同瀝青用量(5%，10%，15%，20%)的瀝青水泥砂漿試件Fig.1 The specimen of asphalt-cement mortar with different asphalt content(5%，10%，15%，20%)

瀝青水泥砂漿試件的濕養(yǎng)環(huán)境參數(shù)為溫度20±2℃，相對(duì)濕度90%以上；室內(nèi)養(yǎng)生環(huán)境參數(shù)為溫度20℃左右，相對(duì)濕度50%左右。不同養(yǎng)生條件的示意圖如圖2所示。

圖2　不同養(yǎng)生條件的示意圖Fig.2 The different curing conditions

2.4測(cè)試指標(biāo)與方法[19]

根據(jù)公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程(JTG E30-2005)中的水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)定方法，對(duì)達(dá)到預(yù)定養(yǎng)生時(shí)間的試件測(cè)定抗折強(qiáng)度，測(cè)定試驗(yàn)的加載速度為50±10 N/s。

3　試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

不同養(yǎng)生條件的瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5　養(yǎng)生7 d的試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表6　養(yǎng)生28 d的試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

不同養(yǎng)生條件的瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的變化關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出，圖中呈現(xiàn)的整體趨勢(shì)是隨著瀝青用量的增加，瀝青水泥砂漿的抗折強(qiáng)度逐漸減少。這說(shuō)明瀝青水泥砂漿的柔性在不斷提高，也就是俗話(huà)說(shuō)的瀝青的摻入讓試件變得更“軟”了，瀝青改性水泥砂漿達(dá)到了預(yù)期的增柔效果。圖3反映出：對(duì)于養(yǎng)生期限為7 d的瀝青水泥砂漿試件，在相同的瀝青用量條件下，當(dāng)瀝青用量≤5%時(shí)，瀝青水泥砂漿的抗折強(qiáng)度隨著濕養(yǎng)天數(shù)的增加而降低；當(dāng)10%≤瀝青用量≤20%時(shí)，其抗折強(qiáng)度隨濕養(yǎng)天數(shù)的增加呈現(xiàn)擺動(dòng)，說(shuō)明抗折強(qiáng)度的變化不明顯。具體的瀝青用量表現(xiàn)為：當(dāng)瀝青用量為10%時(shí)，抗折強(qiáng)度隨濕養(yǎng)天數(shù)增加而增加，當(dāng)瀝青用量為15%時(shí)，抗折強(qiáng)度隨濕養(yǎng)天數(shù)的增加而減小，當(dāng)瀝青用量為20%時(shí)，抗折強(qiáng)度又隨著濕養(yǎng)天數(shù)的增加而增加，當(dāng)瀝青用量≥25%時(shí)，抗折強(qiáng)度隨著濕養(yǎng)天數(shù)的增加而增加。 對(duì)于養(yǎng)生期限為28 d的瀝青水泥砂漿試件，可以發(fā)現(xiàn)3 d濕養(yǎng)加25 d室內(nèi)養(yǎng)生的試件和28 d全部濕養(yǎng)的試件，在瀝青用量10%～15%發(fā)生了瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的提升；除了該區(qū)間以外，在同等養(yǎng)生條件下，其它區(qū)間的瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度都隨著瀝青用量的增加而減小。

圖3　不同養(yǎng)生條件的瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.3 The relationships of bending strength under different curing conditions

4　結(jié)　論

(1)養(yǎng)生期7 d與28 d全部濕養(yǎng)的瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度，從瀝青用量0～5%區(qū)間內(nèi)有明顯提升，然后有明顯的減少，因此，瀝青用量為5%時(shí)有較好的改性效果。

(2)研究認(rèn)為，乳化瀝青對(duì)水泥砂漿有一定的減水作用。在較干燥環(huán)境下，乳化瀝青的摻入使水泥砂漿的抗折強(qiáng)度升高，且隨瀝青用量的增加而增大，但當(dāng)瀝青用量超過(guò)5%后開(kāi)始降低。

(3)對(duì)比兩種不同養(yǎng)生期限的全濕養(yǎng)試件可以得出以下結(jié)論，并不是濕養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng)抗折強(qiáng)度就越大。當(dāng)瀝青用量從0增加到15%的過(guò)程中，在相同的瀝青用量條件下，瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度隨著濕養(yǎng)時(shí)間的增大而減小，且減小率越來(lái)越??；而當(dāng)瀝青用量從20%增加到30%的過(guò)程中，其抗折強(qiáng)度雖然也隨著濕養(yǎng)時(shí)間的增大而減小，但變化率都特別小。因此，并不是濕養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)越有利。

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The Influence of Curing Conditions on BendingStrength of Asphalt-Cement Mortar

Cheng Haojie，Wang Shaoquan，Guo Yaolong，Duan Xianglei，Sun Yuliang，Zhang Haitao*

(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper studied the emulsified asphalt-cement mortar and investigated the effective method to increase the flexibility of the cement mortar and improve the durability and crack-resistance through the modified cement mortar performance by using the emulsified asphalt.Specimens of the emulsified-asphalt modified cement mortar were made by changing the different asphalt content and curing conditions according to a certain mixing ratio.The bending strength of specimens were tested respectively and the influences of the curing conditions on the bending strength have been analyzed based on the test data.The results of this study can provide some reference value for future design and construction of the cement mortar to obtain the more economic and social benefits.

road engineering；emulsified asphalt-cement mortar；asphalt content；curing conditions；bending strength

2016-03-08

大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(530-60202010)

成豪杰，本科生。研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料。

張海濤，博士，教授。研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料。E-mail：zht6781@163.com

成豪杰，王紹全，郭耀龍，等.養(yǎng)生條件對(duì)瀝青水泥砂漿抗折強(qiáng)度的影響[J].森林工程，2016，32(5)：92-96.

U 416

A

1001-005X(2016)05-0092-05