摻乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的路用性能

郭科

山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030006

0 引言

國內(nèi)高等級(jí)公路絕大部分采用半剛性材料基層及底基層，其中水泥穩(wěn)定碎石材料抗壓強(qiáng)度大，承載力強(qiáng)，穩(wěn)定性能好，應(yīng)用廣泛[1-2]。水泥穩(wěn)定碎石材料的路用性能良好，但存在早期開裂、耐久性不良等突出問題，容易造成瀝青路面開裂、坑槽等病害發(fā)生[3-4]。因此，研究改善水泥穩(wěn)定碎石材料性能及早期開裂等問題具有重要意義。

通過路況調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，造成水泥穩(wěn)定碎石基層開裂的主要原因是基層材料的收縮性能[5]。國內(nèi)外大量研究表明在水泥穩(wěn)定碎石材料中添加乳化瀝青可有效改善材料的相關(guān)性能，減少材料開裂的可能性[6-7]。國外對(duì)乳化瀝青與水泥組成的復(fù)合性材料研究較早，Terrel等[8]研究認(rèn)為乳化瀝青對(duì)半剛性基層的開裂有一定改善作用。Orucs等[9]研究發(fā)現(xiàn)加入乳化瀝青可在一定程度上提升密級(jí)配水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)性能和抵抗永久變形能力。國內(nèi)袁文豪等[10]研究分析了水泥乳化瀝青膠漿的路用性能，探討了摻加乳化瀝青后材料性能的變化規(guī)律。趙宏興[11]通過試驗(yàn)表明，摻乳化瀝青的水泥穩(wěn)定碎石材料的剛性降低，抗干縮開裂能力提高。王一琪等[12]通過電阻應(yīng)變片測(cè)定摻入乳化瀝青后水泥穩(wěn)定碎石試件，其抗溫縮性能得到了有效改善。周圓[13]研究認(rèn)為加入乳化瀝青可有效減少水泥穩(wěn)定碎石的干縮量，提高柔度、抗變形能力和抗凍性。目前，研究摻加乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料性能的控制指標(biāo)及施工應(yīng)用的研究較少，本文綜合分析摻加乳化瀝青的水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能，并通過材料和易性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期為施工應(yīng)用與工程研究提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青與礦料

試驗(yàn)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，礦料為閃長巖，由90#基質(zhì)瀝青生產(chǎn)得到的乳化瀝青，對(duì)原材料性能進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果滿足要求，如表1所示。

表1 乳化瀝青材料性能測(cè)試

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石材料級(jí)配范圍如表2所示。骨架密實(shí)型基層結(jié)構(gòu)的性能好，應(yīng)用廣泛。

表2 水泥穩(wěn)定碎石材料級(jí)配

根據(jù)工程施工條件，為便于分析試驗(yàn)中的影響因素，采用同時(shí)在石料中添加水泥、乳化瀝青2種材料的方式[14]，且試驗(yàn)中水泥、乳化瀝青2種材料的摻量均采用外摻法確定，并使用和易性能測(cè)試設(shè)備對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行充分拌和成型。

根據(jù)施工及已有研究成果[15]，擬采用水泥與石料的質(zhì)量比m分別為3%、5%進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，確定最佳含水率、最大干密度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在m為3%、5%條件下，水泥穩(wěn)定碎石材料最佳含水率分別為4.9%、5.2%，最大干密度為2.324、2.352 g/cm3。

2 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度分析

水泥水化作用和乳化瀝青破乳粘結(jié)是水泥穩(wěn)定碎石材料強(qiáng)度形成的基礎(chǔ)[16]，分析不同水泥與瀝青質(zhì)量比下，水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彎拉強(qiáng)度。

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是表征半剛性基層材料性能的重要指標(biāo)。按照文獻(xiàn)[17]對(duì)試件成型并養(yǎng)護(hù)7 d后，測(cè)試試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如表3所示(n為乳化瀝青與石料的質(zhì)量比)。

表3 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知：m相同的情況下，隨n的增大，水泥穩(wěn)定碎石材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)；在m=3%時(shí)，n=2%的乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比n=0時(shí)降低了14.29%；n=4%的乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比n=0降低了37.14%。

通常條件下，道路基層的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不低于2.5 MPa[18]。由表3可知：當(dāng)m=3%、n=4%時(shí)，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果不滿足基層材料應(yīng)用要求，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意乳化瀝青與石料質(zhì)量比的控制。

試驗(yàn)結(jié)果表明n對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的抗壓強(qiáng)度有一定影響，乳化瀝青摻入水泥穩(wěn)定碎石材料后，雖然可填充水泥穩(wěn)定碎石材料的大量孔隙，使骨架更密實(shí)，但乳化瀝青包裹在水泥水化晶體表面，阻礙了水泥的進(jìn)一步水化反應(yīng)，降低了水泥穩(wěn)定碎石材料的整體抗壓強(qiáng)度[19]。

2.2 彎拉強(qiáng)度

采用標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d后的梁式試件，在試驗(yàn)機(jī)上采用三分點(diǎn)應(yīng)變加載模式測(cè)試彎拉強(qiáng)度指標(biāo)，記錄試件破壞時(shí)的彎拉強(qiáng)度與極限變形量，如表4所示。彎拉強(qiáng)度測(cè)試過程與結(jié)果能較好反映道路基層在車輪荷載作用下的工作性能及特點(diǎn)[20]。

表4 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料彎拉強(qiáng)度及極限變形量試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：m相同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強(qiáng)度隨n的增大呈下降趨勢(shì)；當(dāng)m=3%時(shí)，n=2%的水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強(qiáng)度比n=0時(shí)約降低6.87%，極限變形量約增大45.16%；當(dāng)m=3%時(shí)，n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強(qiáng)度比n=0時(shí)約降低12.21%，極限變形量約增大100.00%；n相同時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強(qiáng)度隨m的增大而增大，極限變形量隨m的增大而減小。

n對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的抗彎拉性能有一定影響。瀝青柔性好、延度大，摻入乳化瀝青后，水泥穩(wěn)定碎石材料的柔韌性能得以改善[21-22]，抗彎拉變形能力有了明顯提高。

3 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石路用性能

3.1 凍融試驗(yàn)

采用凍融試驗(yàn)評(píng)價(jià)半剛性基層的抗凍性能，測(cè)試經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的成型試件的飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，與凍前飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。殘留抗壓強(qiáng)度比為試件經(jīng)過5次凍融循環(huán)后的飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍前飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比，如表5所示。

表5 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料殘留抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果 %

由表5可知：m相同時(shí)，隨n的增大，水泥穩(wěn)定碎石材料的殘留抗壓強(qiáng)度比增大；當(dāng)m=3%，n=2%時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石材料的殘留抗壓強(qiáng)度比比n=0時(shí)約增大5.18%；當(dāng)m=3%，n=4%時(shí),水泥穩(wěn)定碎石材料的殘留抗壓強(qiáng)度比比n=0時(shí)約增大11.74%；在n相同時(shí)，殘留抗壓強(qiáng)度比隨m的增大而降低。

n對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料的抗凍性能有一定影響，乳化瀝青摻入水泥穩(wěn)定碎石材料后，可填充大量孔隙，水泥穩(wěn)定碎石材料整體更為密實(shí)[23]，減小水進(jìn)入孔隙的可能，乳化瀝青包裹在水泥表面，減弱了后期水對(duì)水泥及水泥穩(wěn)定碎石材料的整體影響。

3.2 干縮性能

采用半剛性基層的干縮性能評(píng)價(jià)材料由于水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化而引起的體積收縮現(xiàn)象。測(cè)試成型試件按標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)護(hù)7 d后的干縮系數(shù)α，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的α試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：m相同時(shí)，隨n的增大，水泥穩(wěn)定碎石材料的α減??；在m=3%時(shí)，n=2%的水泥穩(wěn)定碎石材料的α比n=0時(shí)降低15.26%，n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的α降低比n=0時(shí)33.47%；n相同時(shí)，α隨m的增大而增大。

摻入乳化瀝青后，水泥穩(wěn)定碎石材料的α減小，基層抗低溫開裂性能提高，道路整體的耐久性能提高。

3.3 溫縮性能

溫縮性能是溫度降低導(dǎo)致材料體積整體發(fā)生的收縮現(xiàn)象。通常在半剛性基層施工后，材料的收縮是因含水率變化而導(dǎo)致的干燥收縮與溫度變化導(dǎo)致的溫度收縮共同作用形成[24]。按標(biāo)準(zhǔn)方法成型試件后，采用儀表法進(jìn)行溫縮系數(shù)γ測(cè)定，試驗(yàn)中測(cè)試溫度設(shè)定為30、20、10、0、-10、-20 ℃，結(jié)果如表7所示。

表7 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的γ試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知：m相同時(shí)，隨n的增大，水泥穩(wěn)定碎石材料的γ減小；在m=3%時(shí)，n=2%的水泥穩(wěn)定碎石材料的γ比n=0時(shí)約降低8.63%，n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的γ比n=0時(shí)約降低19.98%；在n相同時(shí)，γ隨m的增大而增大。

在水泥穩(wěn)定碎石中摻入一定量的乳化瀝青，材料的γ降低，溫縮性能明顯提高，水泥穩(wěn)定碎石材料整體的抗收縮性得到改善。

4 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石施工性能

采用和易性試驗(yàn)分析乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的施工性能。和易性試驗(yàn)可分析與表征材料的工作性能，以碎石材料在拌和過程中產(chǎn)生的穩(wěn)定扭矩為指標(biāo)，判斷與評(píng)價(jià)在特定條件下水泥穩(wěn)定碎石材料是否適合攤鋪與碾壓[25]。測(cè)試水泥穩(wěn)定碎石材料在拌和過程中形成的穩(wěn)定扭矩，扭矩相同時(shí)即認(rèn)為材料的工作性能相近，排除礦料級(jí)配類型、水泥用量等因素影響，認(rèn)為在該條件下水泥穩(wěn)定碎石材料的施工特性相似，施工中攤鋪與碾壓的難易程度相似[26]。

試驗(yàn)中測(cè)試設(shè)備的攪拌頻率為35 Hz，水泥穩(wěn)定碎石材料質(zhì)量為20 kg。試驗(yàn)時(shí)每個(gè)拌和時(shí)間測(cè)試5組，m=3%，穩(wěn)定扭矩結(jié)果取平均值，如表8所示。

表8 水泥穩(wěn)定碎石材料和易性能試驗(yàn)穩(wěn)定扭矩結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[27]，水泥穩(wěn)定碎石材料采用集中廠拌法施工時(shí)，延遲時(shí)間不應(yīng)超過120 min。結(jié)合實(shí)際施工條件，將未摻乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石在拌和時(shí)間為120 min時(shí)的扭矩作為施工中適合材料攤鋪時(shí)的扭矩。由表8可知：適合攤鋪的水泥穩(wěn)定碎石材料扭矩為2.846 N·m。m不同時(shí)，對(duì)摻入乳化瀝青后的水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行和易性能測(cè)試，試驗(yàn)中水泥穩(wěn)定碎石材料的拌和后養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為60 min，測(cè)試結(jié)果如表9所示。

表9 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料和易性能試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知：m相同時(shí)，隨n的增大，水泥穩(wěn)定碎石材料的穩(wěn)定扭矩逐漸增大；在m=3%時(shí)，n=2%的材料穩(wěn)定扭矩比n=0時(shí)約增大9.27%，n=4%的水泥穩(wěn)定碎石材料穩(wěn)定扭矩比n=0時(shí)約增大14.15%；n相同時(shí)，穩(wěn)定扭矩隨m的增大而增大。

摻入乳化瀝青后水泥穩(wěn)定碎石材料的扭矩增大，表明乳化瀝青破乳后材料的黏稠程度增大，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料和易性能有明顯影響。通過試驗(yàn)確定摻入乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的攤鋪時(shí)間應(yīng)控制在60 min內(nèi)，以保證施工質(zhì)量。

5 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)性能綜合分析

分析摻入乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的綜合路用性能，當(dāng)m=3%時(shí)，與n=0時(shí)相比，n分別為2%、4%的水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)性能指標(biāo)變化率如表10所示。

表10 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料力學(xué)性能測(cè)試指標(biāo)變化率 %

由表10可知：隨n的增大，水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、施工和易性能降低，抗彎拉性能、抗凍性能、干縮與溫縮性能得以改善，可認(rèn)為摻加乳化瀝青后水泥穩(wěn)定碎石的總體路用性能優(yōu)于未摻加乳化瀝青，適用于低溫、溫差變化較大、中輕交通等區(qū)域的道路基層與底基層。

隨n增大，水泥穩(wěn)定碎石材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，變化較為敏感，可將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為指標(biāo)，控制n及水泥穩(wěn)定碎石材料的性能。

6 結(jié)論

1)摻入乳化瀝青后，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，實(shí)際工程中可將無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)用于優(yōu)選并控制乳化瀝青與石料的質(zhì)量比。

2)在水泥穩(wěn)定碎石中摻入乳化瀝青可改善抗彎拉、干縮、溫縮性能，提高材料整體的密實(shí)性，有效提高材料整體的抗裂性和抗凍性能，可適用于低溫、溫差變化較大、中輕交通等地區(qū)的道路基層與底基層。

3)摻入乳化瀝青后，水泥穩(wěn)定碎石材料的和易性能受到影響，在施工前應(yīng)進(jìn)行材料和易性試驗(yàn)，在摻加與石料的質(zhì)量比為2%的乳化瀝青時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石材料攤鋪的最大延遲時(shí)間應(yīng)控制在60 min左右。