氧化鎂膨脹劑對半柔性路面材料性能的影響

吳 博

(新疆路橋建設(shè)集團北疆公司 烏魯木齊市 830000)

0 前言

半柔性路面是指由剛性的水泥灌漿材料灌入到空隙率范圍在20%～28%的開級配基體瀝青混合料中，因此該路面的強度來自瀝青混合料中的骨料和高強度的水泥結(jié)晶體[1-3]，相比普通的瀝青混合料路面具有較高的抗變形能力，由于具有該特點，半柔性路面主要應(yīng)用于重載道路、機場道路、加油站、收費站以及公交車專用車道等位置。但水泥基灌漿材料具有低抗拉性和高溫縮性，在長久使用過程中，半柔性路面會存在溫縮開裂、疲勞開裂等病害[4]。針對該問題，相關(guān)道路科研工作者提出了不少改進方法，如長安大學(xué)郝培文[5]在普通的水泥膠漿中加入聚合物樹脂后作為灌漿料灌入到瀝青混合料中，半柔性瀝青路面混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)性可以得到明顯的改善。宋家楠[6]采用SBR膠乳(丁苯膠乳)和VEA 乳液(醋酸乙稀-乙烯共聚乳液)復(fù)合改性水泥基灌漿材料，由于高分子材料與水泥基材料之間的網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)，半柔性路面瀝青混合料仍具有較高的動穩(wěn)定度，同時低溫抗裂性得到明顯的提升。通過眾多研究[7-10]也可以看出目前多使用高分子材料來改善灌漿材料的性能以提升半柔性路面材料的性能，為研究膨脹劑對半柔性路面材料性能的影響，選擇氧化鎂膨脹劑來加入水泥灌漿料中，通過膨脹劑的體積補償作用來抑制半柔性路面內(nèi)部的收縮開裂，保持體積穩(wěn)定性，以改善半柔性路面的性能，為相關(guān)研究提供借鑒作用。

1 原材料

1.1 水泥灌漿材料

氧化鎂膨脹劑，1050℃下煅燒制得；普通硅酸鹽水泥，性能指標如表1所示；粉煤灰，化學(xué)成分見表2所示；標準砂；高性能聚羧酸減水劑。

表1 普通硅酸鹽水泥技術(shù)性質(zhì)

表2 粉煤灰化學(xué)組成(質(zhì)量比%)

1.2 基體瀝青混合料

本試驗采用的集料為玄武巖，瀝青為SBS改性瀝青，針入度51.0(0.1 mm)，軟化點75.0℃，5℃的延度32cm，采用SFAC-13型瀝青混合料，油石比為4.0%，設(shè)計空隙率為25%，級配如表3所示。

表3 瀝青混合料級配

2 試驗方案

(1)本試驗中水泥灌漿料的配制比例按照表4所示進行，氧化鎂膨脹劑摻量分別占水泥質(zhì)量的0%、2%、4%、6%、8%，采用較通用的流動錐法[11]測試各組試樣初始、30min流動度。將水泥灌漿料按照尺寸為40mm×40mm×160mm成型試件，24h后拆模，放入20±2℃、相對濕度95%的標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護3d、7d、28d，按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T 17671-1999測試水泥灌漿料試件的抗壓強度。

(2)半柔性瀝青路面材料按照制件、灌漿、振實、刮漿、養(yǎng)生等步驟進行制備，按照JTG E20-2011中規(guī)定的方法制作車轍試件，將各水泥灌漿料樣品灌注到成型的基體瀝青混合料車轍試件中，將試件置于溫度20℃±1℃、相對濕度大于90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護3d、28d后分別進行車轍、低溫彎曲試驗。將灌漿后的車轍試件切割成160mm×40mm×40mm的試件，參照《水泥膠砂試件干縮試驗方法》JC/T603-2004利用比長儀進行干縮測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 灌漿料性能

(1)流動性

水泥灌漿料具有較好的流動性是制備半柔性路面材料的關(guān)鍵條件，為研究氧化鎂膨脹劑摻量對灌漿料流動性的影響，選擇初始流動度和30min后的流動度作為測試指標以評價水泥灌漿料的灌入性能，試驗結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，灌漿料的初始流動性和30min流動性都逐漸增加，當(dāng)摻量超過4%時，流動性降低，且在30min時的流動性降低明顯，說明氧化鎂膨脹劑的摻量過高時，不利于整個灌漿過程。其主要原因是氧化鎂膨脹劑在水泥水化的過程中也需要水分，導(dǎo)致與水泥的需水之間存在競爭關(guān)系，造成水泥的需水量降低，整體灌漿料的水灰比降低，流動性降低。另外一方面，膨脹劑的存在也抵消了粉煤灰對流動度的改善作用，隨著反應(yīng)時間的增加，這種抑制作用也越來越明顯。

(2)強度

水泥灌漿料在基體瀝青混合料中的強度是決定半柔性路面是否具有高強度、高抗車轍能力的關(guān)鍵因素，對于灌漿料試件抗壓強度的分析也是關(guān)鍵因素，圖2為不同摻量氧化鎂膨脹劑下水泥灌漿料試件的抗壓強度變化趨勢圖。

從圖2中可以看出，隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，灌漿料試件的3d、7d、28d齡期的抗壓強度均逐漸降低，當(dāng)摻量超過4%時，28d齡期強度降低的幅度比3d齡期強度降低幅度明顯。其主要原因是少量的氧化鎂與水反應(yīng)生成的氫氧化鎂晶體能填充漿體，從而使強度保持穩(wěn)定，但是如果氧化鎂摻量過大，膨脹劑的水化產(chǎn)物在灌漿料中產(chǎn)生聚集作用，使灌漿料內(nèi)部應(yīng)力過大產(chǎn)生微膨脹而導(dǎo)致開裂[12]，使灌漿料試件的抗壓強度值降低，且隨著時間的增加，反應(yīng)的進行，這種降低效果越明顯。

3.2 半柔性路面材料性能

(1)高溫性能

半柔性路面相比普通的瀝青混合料路面具有較高的抗變形、抗車轍能力，而車轍試驗是評價高溫性能最直觀有效的方法，對摻氧化鎂膨脹劑后半柔性路面的車轍試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，試件28d的動穩(wěn)定值明顯高于3d的動穩(wěn)定度值，其主要原因是隨著水化反應(yīng)的進行，灌漿料的強度逐漸增加，半柔性路面瀝青混合料內(nèi)部的“剛性”也加強，因此表現(xiàn)為后期抗車轍能力明顯高于早期。但是隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，半柔性路面瀝青混合料的3d和28d的動穩(wěn)定先增加后降低，其主要原因是由于半柔性混合料內(nèi)部膨脹劑的水化產(chǎn)物在灌漿料中產(chǎn)生聚集作用以及微膨脹作用，降低了半柔性路面內(nèi)部受力的均勻性，在宏觀上表現(xiàn)出半柔性路面混合料的抗車轍能力降低。

(2)低溫性能

半柔性路面內(nèi)部材料存在差異，在低溫時會由于收縮性不同，半柔性路面內(nèi)部易出現(xiàn)低溫開裂，而瀝青混合料低溫彎曲試驗是評價瀝青混合料低溫抗裂性能的重要指標，本文研究的低溫彎曲應(yīng)變結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，半柔性瀝青路面混合料養(yǎng)護3d和28d齡期的低溫彎曲破壞應(yīng)變逐漸增加，其主要原因是由于灌漿料中添加氧化鎂膨脹劑可以提升膠凝材料的抗裂性，提升了路面的抗外力彎拉性能，氧化鎂膨脹劑的加入使灌漿材料的體積微膨脹，更好地填充基體瀝青混合料的內(nèi)部空隙，使半柔性路面的低溫性能得到提升，且隨著養(yǎng)護時間的增加，填充的效果越好，瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變也會得到增加。

(3)干縮性

干縮是導(dǎo)致水泥基材料產(chǎn)生裂縫的主要原因，而水泥灌漿料占據(jù)半柔性路面 20%以上的體積，因此，半柔性路面瀝青混合料的干縮特性是評價半柔性路面穩(wěn)定性的重要指標，對不摻氧化鎂膨脹劑和摻4%氧化鎂膨脹劑的兩組瀝青混合料試件進行3d、7d、14d、21d、28d、45d、60d、90d干燥收縮率試驗，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著養(yǎng)護時間的增加，2組試件的收縮率都在不斷的增加，但在相同的齡期，收縮率的大小明顯表現(xiàn)為摻4%氧化鎂膨脹劑組小于不摻氧化鎂膨脹劑組，且在齡期為60d和90d時，摻入氧化鎂膨脹劑后，收縮率降低了24.3%、25.8%，試驗結(jié)果說明，摻入氧化鎂膨脹劑后，半柔性瀝青路面具有較好的體積穩(wěn)定性。其主要原因是氧化鎂膨脹劑在早期的水泥水化反應(yīng)過程中對水泥基材料的干燥收縮具有一定的抑制作用，同時氧化鎂膨脹劑在后期又具有后期微膨脹性，在試件的較長齡期養(yǎng)護過程中對水泥基材料的干燥收縮具有補償作用[13]，達到了對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的補償，使半柔性路面瀝青混合料的體積保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，灌漿料的初始和30min的流動性都逐漸增加，但摻量超過4%時，流動性降低，且30min時的流動性降低比較明顯；隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，灌漿料試件的3d、7d、28d的抗壓強度均逐漸降低，且摻量超過4%時，后期強度降低幅度比早期強度降低幅度明顯。

(2)隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，半柔性路面瀝青混合料的3d和28d動穩(wěn)定度先增加后降低，28d的動穩(wěn)定度結(jié)果明顯高于3d的動穩(wěn)定度；隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，半柔性瀝青路面混合料養(yǎng)護3d和28d的低溫彎曲破壞應(yīng)變逐漸增加；隨著養(yǎng)護時間的增加，半柔性路面試件的收縮率都在不斷的增加，但在相同的齡期，摻4%氧化鎂膨脹劑的試件收縮率明顯小于不摻氧化鎂膨脹劑試件的收縮率。