养生条件对沥青水泥砂浆抗折强度的影响

成豪杰，王绍全，郭耀龙，段祥磊，孙宇亮，张海涛

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)



养生条件对沥青水泥砂浆抗折强度的影响

成豪杰，王绍全，郭耀龙，段祥磊，孙宇亮，张海涛*

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

本文对乳化沥青改性水泥砂浆进行研究，通过探究提高水泥砂浆刚性材料柔性的有效方法，以提高其抗裂性和耐久性。通过改变不同的沥青用量和养生条件，按照一定的配合比制作乳化沥青改性水泥砂浆试件，分别测试其抗折强度，通过试验数据分析不同养生条件对其抗折强度的影响。研究结果对今后的柔性水泥砂浆设计与施工具有一定的参考价值，可以取得较好的经济效益和社会效益。

道路工程；乳化沥青水泥砂浆；沥青用量；养生条件；抗折强度

0　引　言

水泥混凝土路面的特点是强度与刚度较大，水泥混凝土路面板的弹性模量一般在4×104～5×104MPa。这一特性使得水泥混凝土路面对基层的承载力要求很低。在我国的交通运输体系中，水泥混凝土路面常被用在稳定基层上的大交通量和重载交通的高速公路、机场等道路上。但这一特性也使得水泥混凝土路面的行车舒适及振动等条件较差[1-2]。更重要的是在潮湿多雨的湿热条件下，由于较大温差作用，水泥混凝土面层易发生较大的温度翘曲应力而发生变形，造成同基层顶面的脱空，在重载交通影响下，从而引起裂缝的产生与发展[3]。断裂力学指出裂缝尖端会出现巨大的应力集中，裂纹扩展会因为裂纹尖端应力强度因子超过其临界值而不断加剧[4]。这一点严重危害行车舒适与安全。

和水泥路面相比，沥青路面较软，有关专家得出结论：压应力在沥青路面间传递时，到达土基顶部时已经很小只有12MPa，因而面层最容易发生压密变形[5]。实际体现为沥青路面的破坏形式为车辙，这是在各种因素的影响下所产生的永久性变形，其因素包括高温气候条件、车辆荷载等[6]。同时，沥青路面由于孔隙率较水泥路面高的特点，饱和沥青面层在承受路面移动交通荷载的过程中，孔隙水压力和流动的水都会形成[7]，从而造成水损害。除了车辙、水害两种常见病害外，对于沥青路面的砂土路肩，由于沥青孔隙率稍高，使砂土路面容易被风和车辆带起，对沥青路面的构造深度造成影响[8]。

综合沥青材料的柔性优点和水泥材料的刚性优点，组成柔性沥青水泥混凝土复合路面材料。半柔性路面就是在大空隙(空隙率达到20%以上)的沥青混合料中灌入水泥砂浆形成水泥沥青复合型材料，这种路面使沥青和水泥两者的优点得以发挥[9]。这种路面在当下公路路面中逐渐被采用，尤其在我国南方地区，由于温度越高，半柔性路面内部化学反应就越剧烈和强烈，加大了材料的强度[10]。但是这种复合路面材料会因为基层底面弹性模量大导致底面在荷载作用下产生半刚性基层开裂，但通过水泥用量的控制可以大大减少此现象的出现[11-13]。本文利用沥青柔性材料对水泥砂浆进行柔性提高，形成柔性沥青水泥混凝土复合路面材料，并对不同养生条件对抗折性能进行重点研究。

1　实验原材料

1.1水泥

水泥为亚泰集团生产的P.O.42.5水泥，其性质按公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTG E30-2005)的有关方法进行检验[14]，水泥各项性能指标见表1。所检项目各项指标均符合通用硅酸盐水泥(GB175-2007)中的技术要求。

表1　水泥性能指标

1.2砂

砂为普通河砂，其性质按公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)的有关方法进行检测[15]，砂各项指标见表2。所检项目各项指标均符合公路桥涵施工技术规范(JTG/T F50-2011)中的技术要求。

表2　砂性能指标

1.3乳化沥青

测试使用的乳化沥青的沥青含量为48.9%，其技术性质参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)的方法进行检测[16]，乳化沥青各项指标见表3。

表3　乳化沥青性能指标

1.4水

本试验所用水为自来水。

2　试验方案

2.1水泥砂浆与沥青水泥砂浆配合比设计

水泥砂浆配合比按砌筑水泥砂浆配合比设计规程(JTG/T 98-2010)设计。

水泥砂浆的试配强度按下式计算：

fm,o=kf2。

式中：fm，o为水泥砂浆的试配强度；f2为水泥砂浆抗压强度平均值；k为系数，一般施工水平取1.20。

水泥砂浆强度标准差σ及k值，见表4。

表4　水泥砂浆强度标准差σ及k值

实验按照M30水泥砂浆进行配合比设计，确定水泥砂浆配合比为：水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5。因此，沥青水泥砂浆配合比为：水泥∶沥青∶砂∶水=1∶X∶3∶0.5，沥青用量X分别为0，0.50，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30。乳化沥青的沥青含量为48.9%，可以计算得到乳化沥青的用量，乳化沥青中的水计入水泥砂浆配合比中的水量。

2.2沥青水泥砂浆成型工艺[17-18]

根据设计结果制作沥青水泥砂浆试件(160 mm×40 mm×40 mm)，每个试件需要水泥500 g，砂1 500 g，水250 g，根据不同用量的沥青质量，计算所需的乳化沥青溶液用量(乳化沥青所含的水计入250 g水中)。将水和乳化沥青加入水泥砂浆搅拌机中，然后加入水泥搅拌。在拌合沥青水泥砂浆时，当沥青用量在0～15%范围内时，拌合都比较容易；但是当沥青用量大于15%时，水分在拌合时有一定的减少，拌合有些困难，但不至于影响拌合。

2.3养生条件

不同沥青用量的沥青水泥砂浆试件如图1所示。

图1　不同沥青用量(5%，10%，15%，20%)的沥青水泥砂浆试件Fig.1 The specimen of asphalt-cement mortar with different asphalt content(5%，10%，15%，20%)

沥青水泥砂浆试件的湿养环境参数为温度20±2℃，相对湿度90%以上；室内养生环境参数为温度20℃左右，相对湿度50%左右。不同养生条件的示意图如图2所示。

图2　不同养生条件的示意图Fig.2 The different curing conditions

2.4测试指标与方法[19]

根据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTG E30-2005)中的水泥胶砂强度测定方法，对达到预定养生时间的试件测定抗折强度，测定试验的加载速度为50±10 N/s。

3　试验结果与数据处理

不同养生条件的沥青水泥砂浆抗折强度试验结果见表5和表6。

表5　养生7 d的试件抗折强度试验结果

表6　养生28 d的试件抗折强度试验结果

不同养生条件的沥青水泥砂浆抗折强度的变化关系如图3所示。

从图3中可以看出，图中呈现的整体趋势是随着沥青用量的增加，沥青水泥砂浆的抗折强度逐渐减少。这说明沥青水泥砂浆的柔性在不断提高，也就是俗话说的沥青的掺入让试件变得更“软”了，沥青改性水泥砂浆达到了预期的增柔效果。图3反映出：对于养生期限为7 d的沥青水泥砂浆试件，在相同的沥青用量条件下，当沥青用量≤5%时，沥青水泥砂浆的抗折强度随着湿养天数的增加而降低；当10%≤沥青用量≤20%时，其抗折强度随湿养天数的增加呈现摆动，说明抗折强度的变化不明显。具体的沥青用量表现为：当沥青用量为10%时，抗折强度随湿养天数增加而增加，当沥青用量为15%时，抗折强度随湿养天数的增加而减小，当沥青用量为20%时，抗折强度又随着湿养天数的增加而增加，当沥青用量≥25%时，抗折强度随着湿养天数的增加而增加。 对于养生期限为28 d的沥青水泥砂浆试件，可以发现3 d湿养加25 d室内养生的试件和28 d全部湿养的试件，在沥青用量10%～15%发生了沥青水泥砂浆抗折强度的提升；除了该区间以外，在同等养生条件下，其它区间的沥青水泥砂浆抗折强度都随着沥青用量的增加而减小。

图3　不同养生条件的沥青水泥砂浆抗折强度的变化关系Fig.3 The relationships of bending strength under different curing conditions

4　结　论

(1)养生期7 d与28 d全部湿养的沥青水泥砂浆抗折强度，从沥青用量0～5%区间内有明显提升，然后有明显的减少，因此，沥青用量为5%时有较好的改性效果。

(2)研究认为，乳化沥青对水泥砂浆有一定的减水作用。在较干燥环境下，乳化沥青的掺入使水泥砂浆的抗折强度升高，且随沥青用量的增加而增大，但当沥青用量超过5%后开始降低。

(3)对比两种不同养生期限的全湿养试件可以得出以下结论，并不是湿养时间越长抗折强度就越大。当沥青用量从0增加到15%的过程中，在相同的沥青用量条件下，沥青水泥砂浆抗折强度随着湿养时间的增大而减小，且减小率越来越小；而当沥青用量从20%增加到30%的过程中，其抗折强度虽然也随着湿养时间的增大而减小，但变化率都特别小。因此，并不是湿养时间越长对沥青水泥砂浆抗折强度的增长越有利。

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The Influence of Curing Conditions on BendingStrength of Asphalt-Cement Mortar

Cheng Haojie，Wang Shaoquan，Guo Yaolong，Duan Xianglei，Sun Yuliang，Zhang Haitao*

(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper studied the emulsified asphalt-cement mortar and investigated the effective method to increase the flexibility of the cement mortar and improve the durability and crack-resistance through the modified cement mortar performance by using the emulsified asphalt.Specimens of the emulsified-asphalt modified cement mortar were made by changing the different asphalt content and curing conditions according to a certain mixing ratio.The bending strength of specimens were tested respectively and the influences of the curing conditions on the bending strength have been analyzed based on the test data.The results of this study can provide some reference value for future design and construction of the cement mortar to obtain the more economic and social benefits.

road engineering；emulsified asphalt-cement mortar；asphalt content；curing conditions；bending strength

2016-03-08

大学生创新项目(530-60202010)

成豪杰，本科生。研究方向：路面结构与材料。

张海涛，博士，教授。研究方向：路面结构与材料。E-mail：zht6781@163.com

成豪杰，王绍全，郭耀龙，等.养生条件对沥青水泥砂浆抗折强度的影响[J].森林工程，2016，32(5)：92-96.

U 416

A

1001-005X(2016)05-0092-05