基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料性能研究

摘 要：為合理循環(huán)利用返修瀝青路面生成的瀝青銑刨料，以瀝青銑刨料為集料制備了公路面層用水泥基復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瀝青銑刨料并不會(huì)影響水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度;隨著瀝青銑刨料摻入量增加，水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度增大，初裂強(qiáng)度先快速下降再趨向于平緩，極限拉伸強(qiáng)度未明顯變化，拉伸應(yīng)力顯著提高，基體斷裂韌度有所降低;增稠劑對(duì)水泥基復(fù)合材料基體強(qiáng)度影響較小，但增稠劑摻入量需合理控制;瀝青銑刨料粒徑范圍增大趨勢(shì)下，水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均明顯提高，初裂強(qiáng)度整體下降，拉伸性能有所衰減。

關(guān)鍵詞：瀝青銑刨料;公路面層;水泥基復(fù)合材料;抗壓強(qiáng)度;斷裂韌度

中圖分類號(hào)：TQ177.6+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0077-05

Research on the performance of cement based

composite materials for highway surface layer

based on asphalt milling materials

MU Junjie

（Yinchuan Branch of Ningxia Highway Management Center，Ningxia Yinchuan，750001

）

Abstract：In order to reasonably recycle the asphalt milling material generated from repairing asphalt pavement，cement-based composite materials for highway surface layer were prepared using asphalt milling material as aggregate，and their properties were tested and characterized.The results showed that asphalt milling material had no impact on the compressive strength of cement based composite materials.With the increase of asphalt milling material，the flexural strength of cement-based composites increased，the initial cracking strength first decreased rapidly and then became gentle，the ultimate tensile strength did not change significantly，the tensile stress increased significantly，and the fracture toughness of the matrix decreased.The thickener had little effect on the strength of the cement-based composite matrix，but the amount of thickener should be reasonably controlled.Under the trend of increasing the particle size range of asphalt milling materials，the compressive strength and flexural strength of cement based composite materials were significantly improved，while the initial crack strength decreased overall，and the tensile performance decreased to some extent.

Key words：asphalt milling material;highway surface layer;cement based composite materials;compressive strength;fracture toughness

瀝青路面基于交通載荷與自然環(huán)境多重作用，在使用既定年限之后，使用性能持續(xù)下降，甚至出現(xiàn)各種類型或者不同程度的病害，從而影響車輛穩(wěn)定行駛與路面使用壽命。而瀝青路面翻修勢(shì)必會(huì)形成大量廢舊瀝青銑刨料，處理時(shí)需消耗大量人力物力財(cái)力，且會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，引發(fā)資源浪費(fèi)［1-2］。瀝青路面翻修產(chǎn)生的瀝青銑刨料中瀝青由于長(zhǎng)期使用與氧化作用，其中輕質(zhì)油分含量少，膠質(zhì)與瀝青質(zhì)多，性能已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，循環(huán)利用也不會(huì)變質(zhì)，可有效發(fā)揮集料作用［3］。而水泥基復(fù)合材料以穩(wěn)定應(yīng)變硬化特質(zhì)、拉伸延性、裂縫控制能力得以在公路安全性、耐久性強(qiáng)化中深受青睞［4］。瀝青銑刨料回收利用的主要用途便是公路面層，以其為集料制備水泥基復(fù)合材料，不僅可避免資源浪費(fèi)，還可提高公路耐久性［5-6］。據(jù)此，本文基于瀝青銑刨料制備了公路面層用水泥基復(fù)合材料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料制備材料包括：水泥（P·Ⅱ42.5R），西安市林亞水泥銷售有限公司;粉煤灰（Ⅰ級(jí)），石家莊馳霖礦產(chǎn)品有限公司;河砂，河北匯順礦業(yè)有限公司;瀝青銑刨料（瀝青含量約6.9%），河北匯順礦業(yè)有限公司;減水劑（粉狀聚羧酸類減水劑，減水率達(dá)20%），廊坊神齊節(jié)能科技有限公司;增稠劑（粉體多糖類纖維素增稠劑），河南元春化工有限公司;聚乙烯醇纖維，山東匯邦新材料科技有限公司;自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)儀器

基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料制備用設(shè)備包括：攪拌機(jī)（行星式），世赫智能設(shè)備有限公司;材料試驗(yàn)系統(tǒng)（MTS810），美國(guó)MTS Systems公司;液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（MTS810），美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司。

1.3 試樣制備

將水泥、粉煤灰、瀝青銑刨料、減水劑、增稠劑等干混料放置于攪拌機(jī)內(nèi)以140 r/min速率持續(xù)攪拌2 min，直至混合均勻;添加自來(lái)水?dāng)嚢?，直至干混料成為漿體形態(tài)，繼續(xù)以280 r/min速率攪拌4 min，直至混合均勻;以140 r/min速率持續(xù)攪拌，并緩慢添加聚乙烯醇纖維，在完全添加之后，以280 r/min速率迅速攪拌4 min，以均勻分散纖維;澆筑時(shí)需要引導(dǎo)公路面層用水泥基復(fù)合材料新拌漿體由模具一側(cè)逐漸流入模具另一側(cè)，以確保纖維趨向于澆筑方向，試件成型之后表面覆蓋保鮮膜養(yǎng)護(hù)1 d，以避免水分蒸發(fā);試件脫模之后，基于溫度20 ℃、濕度95%養(yǎng)護(hù)環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料性能［7-9］。

1.4 性能表征

1.4.1 抗折抗壓強(qiáng)度

按照GB l7671—1999標(biāo)準(zhǔn)，將試樣放置于抗壓試驗(yàn)加載速率2.4 kN/s，各組6塊；將試樣放置于抗折試驗(yàn)加載速率50 N/s，各組3塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，各取其均值，以測(cè)試基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料的抗折抗壓強(qiáng)度。

1.4.2 拉伸性能

按照《高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料設(shè)計(jì)推薦標(biāo)準(zhǔn)》，將狗骨形狀薄板試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，利用材料試驗(yàn)系統(tǒng)，位移加載，以0.2 mm/min速率，對(duì)基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料進(jìn)行單軸拉伸性能測(cè)試。

1.4.3 彎曲性能

按照ASTM—C1609標(biāo)準(zhǔn)，以液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照位移加載，以0.5 mm/min速率，通過(guò)線性位移傳感器全過(guò)程記錄純彎路段跨中撓度，即基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料彎曲性能。

1.4.4 斷裂韌度

按照《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，于試樣中央界面進(jìn)行裂縫預(yù)制，縫高比0.4，表面貼切薄鋁片，通過(guò)三點(diǎn)彎曲，下支座跨度150 mm，以50 N/s加載速度，對(duì)基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料進(jìn)行斷裂韌度測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料性能影響

2.1.1 瀝青銑刨料對(duì)水泥基復(fù)合材料配合比影響

瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料配合比影響，如表1所示（R-0為基準(zhǔn)配合比，R-20為20%河砂以瀝青銑刨料取代的材料配合比，R-60為60%河砂以瀝青銑刨料取代的材料配合比，R-100為100%河砂以瀝青銑刨料取代的材料配合比）。

2.1.2 瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折抗壓強(qiáng)度影響

瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折抗壓強(qiáng)度影響，如表2所示。

由表2可知，相比基準(zhǔn)配合比的水泥基復(fù)合材料，由瀝青銑刨料取代河砂的水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度整體未發(fā)生顯著變化，說(shuō)明瀝青銑刨料的摻入并不會(huì)影響水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度對(duì)于瀝青銑刨料的取代并不抵觸［10］;隨著瀝青銑刨料的摻入量增加，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大態(tài)勢(shì)。

2.1.3 瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能影響

瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能影響，如表3所示。

由表3可知，在不同配合比下，基準(zhǔn)配合比水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度最大。隨著瀝青銑刨料摻入量增加，水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度呈現(xiàn)為先快速下降再趨向于平緩，瀝青銑刨料摻入量為20%時(shí)抗拉強(qiáng)

度變化最為顯著。初裂強(qiáng)度與水泥基復(fù)合材料基體性能息息相關(guān)［11］，這表明瀝青銑刨料的摻入在一定程度上推進(jìn)了水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度的下降。隨著瀝青銑刨料摻入量增加，水泥基復(fù)合材料極限拉伸強(qiáng)度未明顯變化，而拉伸應(yīng)力顯著提高，這主要取決于基體、纖維及其界面性質(zhì)［12］。

2.1.4 瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料基體斷裂韌度影響

瀝青銑刨料摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料基體斷裂韌度影響，如表4所示。

由表4可知，隨著瀝青銑刨料摻入量增加，水泥基復(fù)合材料基體的斷裂韌度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度下降態(tài)勢(shì)相契合?；诒砻孀杂赡芾碚?，優(yōu)先破壞模式為瀝青內(nèi)聚破壞而非水泥與瀝青界面粘接破壞或者界面過(guò)渡區(qū)域內(nèi)聚破壞［13-14］。所以，瀝青銑刨料表面的瀝青薄膜強(qiáng)度較低，當(dāng)裂縫在摻入瀝青銑刨料的水泥基復(fù)合材料基體內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，瀝青膜自然會(huì)出現(xiàn)初始裂縫。

2.2 減水劑/增稠劑對(duì)水泥基復(fù)合材料性能影響

2.2.1 減水劑/增稠劑對(duì)水泥基復(fù)合材料配合比影響

減水劑/增稠劑對(duì)水泥基復(fù)合材料配合比影響，如表5所示。以水膠比0.3為前提，調(diào)節(jié)減水劑與增稠劑摻入量以轉(zhuǎn)變新拌漿體狀態(tài)，設(shè)定了2種不同模式，即固定增稠劑用量下不同減水劑用量（1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 kg/m3）;固定減水劑用量下不同增稠劑用量（0.0、0.3、0.5、0.7、0.9 kg/m3）。

2.2.2 減水劑和增稠劑摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能影響

減水劑摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能影響如表6所示。

由表6可知，減水劑摻入量為1.8 kg/m3時(shí)水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度較低，這主要是由于減水劑摻入量過(guò)少，新拌漿體粘稠，內(nèi)部氣孔難以順利排出，導(dǎo)致生成大量大體積空洞與缺陷［15-16］。

增稠劑摻入量對(duì)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能影響如表7所示。

由表7可知，不同增稠劑摻入量的水泥基復(fù)合材料均在一定程度上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變硬化。隨著增稠劑摻入量增加，水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度呈現(xiàn)為先下降后上升的態(tài)勢(shì)，整體變化偏小，說(shuō)明增稠劑對(duì)水泥基復(fù)合材料基體強(qiáng)度影響較小;水泥基復(fù)合材料極限拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后縮小的趨勢(shì)，摻入量為0.7 kg/m3時(shí)達(dá)到最高，說(shuō)明增稠劑摻入量需合理控制，避免過(guò)多或者過(guò)少影響基體與纖維共同承擔(dān)應(yīng)力;水泥基復(fù)合材料極限拉伸應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的狀態(tài)，摻入量為0.7 kg/m3時(shí)達(dá)到最高，隨后極速下降，說(shuō)明增稠劑可有效提高拉伸延性，但是需有效控制，避免拉伸性能急劇惡化。

2.3 瀝青銑刨料粒徑對(duì)水泥基復(fù)合材料性能影響

2.3.1 瀝青銑刨料粒徑對(duì)水泥基復(fù)合材料配合比影響

以粒徑0～0.60、0～1.00、0～1.43、0～2.00 mm瀝青銑刨料制備水泥基復(fù)合材料。瀝青銑刨料粒徑對(duì)水泥基復(fù)合材料配合比影響，如表8所示。

2.3.2 瀝青銑刨料粒徑對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度影響

瀝青銑刨料粒徑對(duì)公路面層用水泥基復(fù)合材料抗折、抗壓強(qiáng)度影響，如表9所示。

由表9可知，在瀝青銑刨料粒徑范圍增大趨勢(shì)下，水泥基復(fù)合材料基體抗壓強(qiáng)度整體有所降低，但并不明顯，而抗折強(qiáng)度整體有所提高，但也不顯著。水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均相對(duì)更高，說(shuō)明適度摻入纖維可在一定程度上增大水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度［17-19］。

2.3.3 瀝青銑刨料粒徑對(duì)水泥復(fù)合材料單軸拉伸性能影響

瀝青銑刨料粒徑對(duì)水泥基復(fù)合材料單軸拉伸性能影響，如表10所示。

由表10可知，在瀝青銑刨料粒徑范圍逐漸增大的影響下，水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度整體下降，這與基體性質(zhì)密切相關(guān)［20］，而且粒徑范圍增大時(shí)水泥基復(fù)合材料基體的抗壓強(qiáng)度也有所降低，且整體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。極限拉伸強(qiáng)度與初裂強(qiáng)度變化規(guī)律類似，說(shuō)明水泥基復(fù)合材料基體初裂強(qiáng)度比較低時(shí)，極限拉伸強(qiáng)度也會(huì)深受影響從而降低。由極限拉伸強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變而言，粒徑為0～1.43 mm時(shí)，基于瀝青銑刨料的水泥基復(fù)合材料拉伸性能有所衰減，性價(jià)比最佳，不僅可以有效利用瀝青銑刨料資源為集料，還可確保水泥基復(fù)合材料滿足性能要求。

3 結(jié)語(yǔ)

相比基準(zhǔn)配合比的水泥基復(fù)合材料，由瀝青銑刨料取代河砂的水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度整體未發(fā)生顯著變化;隨著瀝青銑刨料的摻入量增加，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出增大態(tài)勢(shì)，初裂強(qiáng)度呈現(xiàn)為先快速下降再趨向于平緩，極限拉伸強(qiáng)度未明顯變化，而拉伸應(yīng)力顯著提高，斷裂韌度呈現(xiàn)下降趨勢(shì);不同增稠劑摻入量的水泥基復(fù)合材料均在一定程度上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變硬化;隨著增稠劑摻入量增加，水泥基復(fù)合材料初裂強(qiáng)度呈現(xiàn)為先下降后上升的態(tài)勢(shì)，整體變化偏小，極限拉伸應(yīng)變呈現(xiàn)為先增大后減小的狀態(tài)，增稠劑可有效提高拉伸延性，但是需有效控制;瀝青銑刨料粒徑范圍增大趨勢(shì)下，水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均相對(duì)更高，而初裂強(qiáng)度整體下降，抗壓強(qiáng)度也有所降低;極限拉伸強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變視角下粒徑范圍為0～1.43 mm時(shí)，拉伸性能有所衰減，性價(jià)比最佳。

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收稿日期：2023-10-21;修回日期：2024-01-04

作者簡(jiǎn)介：牟俊杰（1971-），男，高級(jí)工程師，主要從事公路工程，公路養(yǎng)護(hù)與管理研究;E-mail：b1002856671@163.com。

引文格式：牟俊杰.基于瀝青銑刨料的公路面層用水泥基復(fù)合材料性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：77-81.