水泥摻量對瀝青混凝土性能影響的試驗研究①

雷小磊, 崔玉龍

(安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

目前，國內(nèi)外對水泥改性乳化瀝青、泡沫瀝青混合料等力學性能進行了一些研究。如馮新軍，熊銳，楊曉凱等[1-4]圍繞煤矸石粉瀝青混合料的路用性能開展了一系列的研究。如溫浩[5]通過試驗，得出隨著水泥摻量的增加可以增強乳化瀝青混凝土的力學性能，綜合強度、模量和經(jīng)濟性分析，確定最適宜的水泥摻量為2.5%。何德偉[6]通過對瀝青混凝土的馬歇爾穩(wěn)定度試驗，得出摻1.5%水泥改性瀝青混合料力學強度可提高11.0%～85.0%，建議冷再生混合料中水泥摻量為1.5%。

作者團隊[7]采用水泥與礦粉2種填料與瀝青質(zhì)量比例制備瀝青膠漿，對二者的路用性能進行了系列指標的測定，綜合評判水泥與礦粉對瀝青膠漿性能影響效果。通過研究，當mc/ma在0.4～0.6范圍時，選用水泥填料的瀝青膠漿比礦粉填料的瀝青膠漿在抗剪強度、耐高溫性能和抗車轍能力等方面均有較大幅度的提升。

選用水泥作為摻入料，以摻入料占混凝土配合比為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6種比例制備瀝青混凝土試件，對不同比例條件下的瀝青混凝土性能進行試驗測定，分析評判不同摻量水泥改性瀝青混凝土的合理摻入比例，研究成果為水泥作為填料改性瀝青混凝土路用性能的可行性提供了依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

(1)瀝青

瀝青選用A-10#基質(zhì)石油瀝青，主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 A-10#基質(zhì)石油瀝青的主要技術(shù)指標

(2)水泥與礦粉

水泥選用安徽舜岳水泥有限責任公司所生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8-10]，其相應主要技術(shù)性能指標和水泥的主要化學組成如表2所示。

表2 水泥(C)的主要技術(shù)指標

(3)集料

試驗用細骨料粒徑范圍為0～5mm的中粗河砂，細度模數(shù)為2.7。粗骨料粒徑范圍為10～20mm的碎石，飽和面干狀態(tài)，連續(xù)級配。

(4)拌合用水選用普通自來水。

1.2 瀝青混合料配合比

根據(jù)篩分試驗結(jié)果，確定 m(RAP)：m(10～20mm碎石)：m(0～5mm機制砂)75：15：10。

按照規(guī)范要求，選用重型擊實試驗確定水泥摻量為1.5%時的瀝青混凝土的最佳拌和用水量為5.6%，并充分考慮干、濕混合料狀態(tài)下的瀝青用量原則，試驗選取5.0%作為瀝青的用量。試驗中，水泥的摻入方式為外摻形式，摻量分別占混凝土配合比為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6種比例。

1.3 試驗方法

1.3.1 瀝青混合料制備

試驗選用水泥作為摻入料，以摻入料占混凝土配合比為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6種比例制備瀝青混凝土試件，具體制備施工技術(shù)工藝為：首先將水泥、潔凈集料分別置于100℃±5℃烘箱中烘干至恒重，確保材料中的水分被充分干燥蒸發(fā)。按照配合比設計要求，將集料置于瀝青攪拌器中預熱至80℃，加入5.6%的拌和用水，攪拌120s，再加入5.0%的瀝青材料并均勻攪拌120s，最后按照試驗設計的摻量0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%分別加入水泥后攪拌120s后制成混合料。按照試驗設計要求，制作各類試件，并在20℃保濕環(huán)境下養(yǎng)生24h后脫模，在養(yǎng)生7d內(nèi)進行各類試驗。

1.3.2 主要試驗設計

試驗選用萬能材料試驗機測定瀝青混凝土圓柱體試件的抗壓強度，標準試驗溫度為20℃，試件尺寸選擇為直徑100mm±2.0mm、高100mm±2.0mm的圓柱體，試件靜壓成型，制作完成后需要在50℃恒溫烘箱中養(yǎng)生5d后進行試驗。

試驗選用自動馬歇爾試驗儀測定瀝青混凝土時間的馬歇爾穩(wěn)定度指標。試件用擊實儀擊實成型，即將瀝青混合料裝入試模后，首先進行雙面擊實，兩面各擊實30次，靜置于50℃烘箱中24h后再進行雙面擊實，兩面各擊實20次，冷卻24h后進行馬歇爾穩(wěn)定度及浸水殘留穩(wěn)定度指標測定。

試驗選用自動劈裂強度試驗儀測定瀝青混凝土馬歇爾試件的劈裂強度，分別對馬歇爾穩(wěn)定度試件在20℃及～16℃進行浸水2h后進行試驗測定。即一組試件在20℃水中浸水2h后測定劈裂強度R1；另一組首先在20℃水中浸水2h，后在0.098 MPa浸水抽真空15min，再先后移至16℃冰箱中10h和50℃水浴中10h，最后置于20℃水中浸水2h后進行劈裂強度R2測定試驗，計算凍融劈裂強度比TSR=R2/R1，以評定瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

試驗選用自動車轍試驗儀測定動穩(wěn)定度用于評定瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)試驗試件制作規(guī)范要求，用輪碾儀將試件制作成300mm×300mm×50mm的試板，成型時瀝青混合料的碾壓溫度控制在140℃左右，混合料碾壓至與試板齊平為止。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單軸壓縮試驗測定結(jié)果及分析

由圖1可知，隨著水泥的摻入，混凝土試件的抗壓強度也相應增大，未摻入水泥的混凝土試件抗壓強度為3.914MPa。當水泥摻量為0.5%、1%、1.5%和2%時，混凝土試件的抗壓強度分別增大至4.471MPa、5.306MPa、5.539MPa和5.846MPa，提高了14.2%、35.6%、41.5%和49.4%，呈迅速遞增趨勢。而隨著水泥摻量的進一步加大至2.5%時，測得抗壓強度為5.913MPa，增幅為51.1%，增幅呈緩和趨勢。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試件的剪切變形變小，抗壓強度增大。當摻量在2%左右時，試件的抗壓強度增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土抗壓強度方面的優(yōu)勢。

圖1 不同水泥摻量混凝土試件單軸抗壓強度(MPa)

圖2 不同水泥摻量混凝土試件馬歇爾穩(wěn)定度(kN)

圖3 不同水泥摻量混凝土試件殘留穩(wěn)定度(%)

2.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗測定結(jié)果及分析

由圖2可知，隨著水泥的摻入，混凝土試件的馬歇爾早期穩(wěn)定度、后期穩(wěn)定度和后期浸水穩(wěn)定度也相應增大，未摻入水泥的混凝土試件馬歇爾早期穩(wěn)定度為8.7kN。當水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時，混凝土試件的馬歇爾早期穩(wěn)定度分別增大至10.6kN、13.4kN、14.1kN，提高了21.8%、54.0%、62.1%，呈迅速遞增趨勢。而隨著水泥摻量的進一步加大至2%和2.5%時，測得試件的馬歇爾早期穩(wěn)定度為14.3kN和14.5kN，增幅為64.4%和66.7%，增幅呈緩和趨勢。由于水泥摻量的進一步增大，試件硬度增大，馬歇爾后期穩(wěn)定度未能讀出數(shù)據(jù)。后期浸水穩(wěn)定度的數(shù)值為未浸水試件穩(wěn)定度的50.6%～79.3%，變化趨勢與其相同。

由圖3可知，隨著水泥的摻入，混凝土試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度也相應增大，未摻入水泥的混凝土試件馬歇爾殘留穩(wěn)定度為49.4%。當水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時，混凝土試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度分別增大至65.5%、77.3%、81.3%kN，呈迅速遞增趨勢。而隨著水泥摻量的進一步加大至2%和2.5%時，測得試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度為82.1%和83.4%，增幅呈緩和趨勢。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試件的馬歇爾穩(wěn)定度呈迅速增大趨勢。當摻量在2%左右時，試件的馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度以及殘留穩(wěn)定度的增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢。

2.3 車轍試驗測定結(jié)果及分析

由圖4可知，隨著水泥的摻入，混凝土試板的動穩(wěn)定度也相應增大，未摻入水泥的混凝土試板的動穩(wěn)定度為1106次/mm。當水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時，混凝土試板的動穩(wěn)定度分別增大至1367次/mm、1586次/mm、1721次/mm，提高了23.6%、43.4%、55.6%，呈迅速遞增趨勢。而隨著水泥摻量的進一步加大至2%和2.5%時，測得試板的動穩(wěn)定度為1799次/mm和1803次/mm，增幅為62.7%和63%，增幅呈緩和趨勢。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試板的動穩(wěn)定度增大。當摻量在1.5%～2%時，試板的動穩(wěn)定度增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢。

2.4 凍融劈裂試驗測定結(jié)果及分析

由圖5可知，隨著水泥的摻入，干(R1)、濕(R2)兩種狀態(tài)下的混凝土馬歇爾試件的劈裂強度也相應增大，未摻入水泥的混凝土馬歇爾試件干、濕兩種狀態(tài)下的劈裂強度為0.61MPa、0.41 MPa。當水泥摻量為0.5%、1%、1.5%、2%時，混凝土馬歇爾試件干、濕兩種狀態(tài)下的劈裂強度分別增大至0.64MPa、0.72MPa、0.76MPa、0.79MPa和0.43MPa、0.48MPa、0.52MPa、0.65MPa，提高幅度分別為了4.9%～29.5%和4.9%～58.5%，呈迅速遞增趨勢。而隨著水泥摻量的進一步加大至2.5%時，測得干、濕兩種狀態(tài)下的劈裂強度為0.81MPa和0.61MPa，呈小幅上升和下降趨勢。

圖4 不同水泥摻量混凝土試件動穩(wěn)定度(次/mm)

圖5 不同水泥摻量混凝土試件劈裂強度(MPa)

圖6 不同水泥摻量混凝土試件凍融劈裂強度比TSR

采用上述實驗數(shù)據(jù)計算凍融劈裂強度比TSR=R2/R1，可得出圖6。未摻入水泥的混凝土馬歇爾試件的TSR值為67.2%。當水泥摻量為0.5%、1%、1.5%時，混凝土馬歇爾試件的TSR值在67.2%～68.4%之間，變化不大。而隨著水泥摻量的進一步加大至2%時，混凝土馬歇爾試件的TSR值為82.3%，達到實驗組內(nèi)試件最高，同時滿足規(guī)范設計要求。繼續(xù)增大水泥摻量，混凝土馬歇爾試件的TSR值呈緩慢下降趨勢。

上述分析結(jié)果表明，隨著水泥的摻入，瀝青混凝土試件的劈裂強度增大，凍融劈裂強度比TSR值也逐漸增大。當摻量在2%時，試件的劈裂強度和TSR值增加幅度最為明顯，體現(xiàn)了水泥改性瀝青混凝土低溫抗裂性能方面的優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

通過一系類試驗得出，隨著水泥摻量從0.5%～2%的不斷增加，試驗測得瀝青混凝土試件的抗壓強度、馬歇爾穩(wěn)定度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、車轍動穩(wěn)定度及干濕兩種狀態(tài)下的劈裂強度和凍融劈裂強度比TSR值均能成正比增大，這體現(xiàn)了水泥在一定摻量下改善瀝青混凝土抗壓強度、水穩(wěn)定性、高低溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性等方面表現(xiàn)較好。綜合對水泥不同摻量下改性瀝青混凝土性能試驗，研究得出瀝青混凝土中水泥的摻量為1.5%～2.0%時較為合理，同時在工程實際應用中，也需要結(jié)合設計道路的等級、環(huán)境和經(jīng)濟社會效益等，適當調(diào)整摻量占比，會更利于發(fā)揮水泥對瀝青混凝土性能改善的目的。