水泥和乳化瀝青穩(wěn)定碎石半柔性基層路用性能試驗(yàn)研究

呂達(dá)仁

（邯鄲市交通運(yùn)輸局，河北邯鄲 056000）

0 引言

道路建設(shè)中大多采用半剛性基層材料，進(jìn)而導(dǎo)致早期瀝青路面會(huì)出現(xiàn)許多比較嚴(yán)重的問題，一些新建成兩三年的道路路面就出現(xiàn)反射裂縫、車轍等問題，使用壽命受到很大的影響[1]。另外，部分單位把精力主要放在建設(shè)上，把公路的養(yǎng)護(hù)工作放在次要位置，對(duì)道路的養(yǎng)護(hù)工作不夠重視，影響了道路的使用壽命。

于偉[2]以乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石以及泡沫瀝青-水泥穩(wěn)定碎石兩種半柔性基層材料，通過對(duì)材料路用性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，總結(jié)出了半柔性基層材料滿足現(xiàn)行規(guī)范的最佳集料級(jí)配、最佳結(jié)合料計(jì)量以及混合料設(shè)計(jì)方法等。唐建超[3]采用不同含量的乳化瀝青和泡沫瀝青為研究樣本，對(duì)路用性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出加入適量乳化瀝青可以有效防止單路出現(xiàn)早期病害問題。王偉明[4]通過礦料主骨料空隙體積填充法、謝倫堡析漏以及肯塔堡飛散試驗(yàn)的方法，制備出基體空隙率不同的半柔性路面材料，然后采用馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂、小梁彎曲以及疲勞等室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其路用性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究得出半柔性路面材料高溫穩(wěn)定性較好，抗疲勞能力較強(qiáng)，但在低溫抗裂方面略顯不足。郝培文[5]通過車轍試驗(yàn)對(duì)半柔性基層的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以劈裂試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)疲勞和低溫穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，半柔性基層混合料有較好的低溫、高溫穩(wěn)定性以及耐疲勞性，適用于道路建設(shè)，符合道路基層材料的使用要求。本文針對(duì)新建設(shè)的道路的使用壽命與設(shè)計(jì)要求不符的問題，對(duì)半柔性基層混合材料進(jìn)行研究，以有效防止或避免瀝青路面早期病害出現(xiàn)等問題。

1 原材料性能

1.1 乳化瀝青

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[6]，采用的乳化瀝青為慢裂陽離子，通過破乳速度試驗(yàn)對(duì)乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果為：慢裂，瀝青微粒離子電荷為+，固含量為62%，黏附性合格，針入度為82，軟化點(diǎn)為48.4，延度大于100，與粗細(xì)集料拌和試驗(yàn)結(jié)果均勻，符合試驗(yàn)指標(biāo)要求。

1.2 水泥

試驗(yàn)采用P·O 32.5水泥，細(xì)度為3.4%，比重為3%，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為3h和6h，3d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為20.4MPa、4.9MPa。

1.3 集料

集料選取石灰?guī)r，集料級(jí)配根據(jù)AC-25型級(jí)配中值進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，集料指標(biāo)性能測(cè)試結(jié)果為：石料壓碎值為21.8%，洛杉磯磨損損失23%，視密度2 800kg/m3，吸水率1.8%，堅(jiān)固性8.7%，針片狀顆粒含量15.6%，對(duì)瀝青的黏附性為4.5。

2 試驗(yàn)方案

為提高高速公路的建設(shè)質(zhì)量，充分發(fā)揮半柔性基層材料的價(jià)值，需對(duì)半柔性基層材料性能指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制[8]。本試驗(yàn)配合比擬定水泥摻量為2%，乳化瀝青摻量為3%、4%、5%、6%，集料級(jí)配根據(jù)AC-25型級(jí)配中值進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過擊實(shí)試驗(yàn)確定各配比下混合料的最優(yōu)含水量和最大干密度，分析4種摻量的乳化瀝青對(duì)混合料進(jìn)行劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、溫縮特性等路用性能的影響。參考《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]，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)基層混合料采用靜力壓實(shí)成型制備的φ150×150mm的圓柱體試件，儀器采用WDW3100電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為1mm/min?？箟夯貜椖Ａ吭囼?yàn)基層混合料采用φ150×150mm的圓柱形試件，設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)NYL2000D型壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為25℃，以3mm/min的加載速率進(jìn)行加載。溫縮試驗(yàn)采用尺寸為150mm×150mcm×550mm的試件，利用平臥式試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)基層混合料采用靜力壓實(shí)成型制備的φ150×150mm的圓柱體試件，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。水泥穩(wěn)定碎石、乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石和乳化瀝青穩(wěn)定碎石各一組5個(gè)試件，擬定乳化瀝青含量為2.5%，水泥含量為2.0%，研究7d、28d養(yǎng)生齡期下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律。四種試驗(yàn)均采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方法進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生溫度為20±2℃，濕度在95%以上。

3 路用性能結(jié)果分析

3.1 劈裂強(qiáng)度

通過上述試驗(yàn)方案，劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果詳情見表1。

表1 劈裂強(qiáng)度在不同乳化瀝青含量下試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，隨著乳化瀝青摻量的增加劈裂強(qiáng)度呈先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)，基層混合料干劈裂強(qiáng)度主要位于0.45～0.6MPa，最佳乳化瀝青含量為4%，在水的不利條件影響下飽水劈裂強(qiáng)度位于0.3～0.45MPa，表明半柔性基層混合料變形能力、應(yīng)力松弛能力與強(qiáng)度較好，適用于道路建設(shè)。通過對(duì)飽水劈裂強(qiáng)度與干劈裂強(qiáng)度進(jìn)行殘留強(qiáng)度比表明，各乳化瀝青摻量下，經(jīng)過飽水后的劈裂強(qiáng)度均能達(dá)到干劈裂強(qiáng)度的64%以上，飽水情況下的劈裂強(qiáng)度與半剛性基層材料的劈裂強(qiáng)度相當(dāng)，表明摻入部分乳化瀝青后形成的水泥-乳化瀝青穩(wěn)定碎石半柔性基層混合料的水穩(wěn)性表現(xiàn)優(yōu)異。

3.2 抗壓回彈模量

通過上述試驗(yàn)方法，對(duì)28d時(shí)與60d養(yǎng)生齡期的水泥和乳化瀝青穩(wěn)定碎石半柔性基層混合料進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

從表2可知，各乳化瀝青摻量下半柔性基層混合料的抗壓回彈模量隨著養(yǎng)生齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，各養(yǎng)生齡期條件下抗壓回彈模量隨著乳化瀝青摻量的增加而降低。28d抗壓回彈模量主要位于700～1 000MPa，60d的抗壓回彈模量主要位于800～1 200MPa，達(dá)到半剛性基層混合料抗壓回彈模量的50%左右，由此表明，摻入部分乳化瀝青后形成的基層混合料具有一定柔性。

表2 抗壓回彈模量在不同乳化瀝青含量下試驗(yàn)結(jié)果

3.3 溫縮特性

通過上述試驗(yàn)方法，溫縮試驗(yàn)結(jié)果詳情見表3。

表3 溫縮系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，基層混合料溫縮系數(shù)隨著乳化瀝青摻量的增加呈一定增長(zhǎng)趨勢(shì)，一般情況下水泥混凝土的溫縮系數(shù)在10×10-6左右，由此可以看出摻入一定乳化瀝青后制備的水泥和乳化瀝青穩(wěn)定碎石半柔性基層混合料的抗溫縮變形能力更加優(yōu)異，能夠滿足高等級(jí)道路基層的使用要求。

3.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

通過上述試驗(yàn)方案，7d、28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果由表4、5可知，隨著養(yǎng)生齡期的增加乳化瀝青—水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，28d養(yǎng)生齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大約是7d養(yǎng)生齡期的1.6倍。同時(shí)通過試驗(yàn)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石、乳化瀝青—水泥穩(wěn)定碎石和乳化瀝青穩(wěn)定碎石三種基層混合材料在7d、28d養(yǎng)生齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果如表6所示，其中R28/R7為7d與28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比值。

通過表6和圖1可以得出，在相同養(yǎng)生齡期的條件下，水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)值最高，其次為乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料，乳化瀝青穩(wěn)定碎石混合料抗壓值最低。且7d養(yǎng)生齡期水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值是乳化瀝青穩(wěn)定碎石混合料的5.6倍，28d時(shí)為2.69倍，由此可以表明無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值在形成時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石比乳化瀝青穩(wěn)定碎石要更早；隨著養(yǎng)生齡期的增加，三種不同的混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從7d與28d養(yǎng)生齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比可以得出，乳化瀝青碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增幅最大，達(dá)到了54%，其次為乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料和水泥穩(wěn)定碎石混合料，分別為49%、28%。

表4 7d乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表5 28d乳化瀝青-水泥穩(wěn)定碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表6 不同材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1 不同材料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文通過大量試驗(yàn)，分別測(cè)定了劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、溫縮特性在不同乳化瀝青含量作用下的路用性能，以及三種不同材料在7d與28d養(yǎng)生齡期下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比，得到三種材料的力學(xué)性能增長(zhǎng)規(guī)律。綜上，可以得出以下結(jié)論：

（1）半柔性基層混合材料的劈裂強(qiáng)度在0.45～0.6MPa，而且最佳乳化瀝青含量為4%，飽水后的劈裂強(qiáng)度均能達(dá)到干劈裂強(qiáng)度的64%以上，與半剛性基層混合料相近，表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和水穩(wěn)性，滿足高等級(jí)道路基層的使用要求，將其應(yīng)用于道路基層中可以有效減少早期道路出現(xiàn)的病害問題。

（2）半柔性基層混合料抗壓回彈模量隨著乳化瀝青摻量的增加而減小，60d的抗壓回彈模量主要位于800～1 200MPa，達(dá)到半剛性基層的50%左右，表明摻入一定乳化瀝青后基層混合料在具備相當(dāng)強(qiáng)度的同時(shí)又具有較好的柔性。

（3）半柔性基層混合料溫縮系數(shù)隨乳化瀝青摻量的增加呈一定增長(zhǎng)趨勢(shì)，與水泥混凝土相比表現(xiàn)出的抗溫縮變形能力更加優(yōu)異，可以有效減少早期出現(xiàn)裂縫的問題，能夠滿足高等級(jí)道路基層的使用要求。

（4）隨著養(yǎng)生齡期的增加，三種不同的混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，最快的為乳化瀝青碎石，其次為乳化瀝青—水泥穩(wěn)定碎石，在水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層中摻入部分乳化瀝青符合道路基層材料的使用要求，適用于道路建設(shè)。