水泥对沥青料性能影响的试验分析

施全敏

(河南中州路桥建设有限公司,河南 周口 466000)

0 引言

沥青是道路施工中常用的路面材料,为了增强沥青的稳定性,通常选择添加抗剥离材料。目前,市面上的抗剥离材料主要有碱性矿料及抗剥离剂两种。碱性矿料主要包括水泥、石灰、粉煤灰等,抗剥离剂主要有Berol胺、A型抗剥离剂、AST-3抗剥离剂等[1]。目前水泥掺量对沥青混合料性能影响的研究主要集中在水稳定性方面,对其他方面的影响研究还比较少,故此针对不同水泥掺量对沥青混合料力学性能、高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性等性能的影响展开试验,为在沥青路面施工中合理使用水泥积累经验。

1 原材料

1)水泥。试验用的水泥为P·O42.5水泥,各项性能指标测试如表1所示。

表1 P·O42.5水泥性能测试结果Tab.1 Results of P·O42.5 cement performance test

2)沥青。选用AC-13C型沥青混合料级配,具体技术指标如表2所示。石料选用石灰岩集料。粗集料的针片状颗粒含量为6.1%,压碎值为144.4%,细集料含泥量为0.5%,均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)中的技术要求。

表2 沥青技术指标Tab.2 Asphalt technical index

2 试验方案及试件制作

将P·O42.5水泥按0%、1%、2%、3%、4% 5种掺量与乳化沥青混合,制备出相应的试件。每种掺量的试件数量为5个,具体试件制作方法如下:根据实际工程经验,确定乳化沥青最佳掺量为7.3%,按5种水泥掺量进行混合,制备出5组不同的试件,对试件双面各击实50次,将其放入60 ℃烘箱中进行试模养生,试件养生应≥40 h并至恒重。待5组试件养生结束后,再对试件双面击实25次并侧放到地上,在室温环境下冷却12 h以上,脱模进行测试[2]。

3 试验过程及结果分析

3.1 15 ℃劈裂试验

开展15 ℃劈裂试验前需先把试件完全浸没到25 ℃水浴中,浸泡23 h,再将试件取出来浸泡到15 ℃的恒温水浴中1 h,将试件取出并马上对其做15 ℃劈裂试验[3]。不同水泥掺量下沥青混合料的15℃劈裂试验结果如表3所示,沥青混合料劈裂强度随水泥掺量变化的规律如图1所示。

图1 沥青混合料劈裂强度随水泥掺量变化的规律Fig.1 Law of asphalt mixture splitting strength changing with cement content

表3 不同水泥掺量下沥青混合料的15 ℃劈裂试验结果Tab.3 Results of 15 ℃ splitting test of asphalt mixture with different cement content

从图1可以看出,随着沥青混合料中掺加水泥量的不断增大,其劈裂强度也随之不断增加。水泥掺量低于2%时,沥青混合料劈裂强度增长幅度大,但沥青混合料的劈裂强度达不到规范中劈裂强度≥0.5的要求。而当水泥掺量超过2%之后,沥青混合料劈裂强度增幅减缓且强度提高并不明显。

3.2 车辙试验

图2 沥青混合料高温稳定性随水泥掺量变化的规律Fig.2 High temperature stability of asphalt mixture changes with cement content

表4 不同水泥掺量下沥青混合料的车辙试验结果Tab.4 Rutting test results of asphalt mixture with different cement content

动稳定度是判断沥青混合料高温稳定性的重要指标,动稳定越高,则沥青混合料高温稳定性越强,反之则越弱。综合表4和图2可以得出,随着沥青混合料中水泥掺量的增加,混合料的动稳定度不断增大,说明在沥青混合料中掺入水泥可有效增强其高温稳定性。但是在水泥掺量低于2%时,沥青混合料车辙试验结果不满足规范中有关改性沥青混合料车辙>2 400次/mm的要求,且当水泥掺量高于2%后,沥青混合料的动稳定度增幅减缓。

3.3 低温弯曲试验

低温弯曲试验中,将试件制作成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱形小梁试件,将试件置于-10 ℃恒温水槽中保温45 min,待试件达到试验温度后使用压力机对其施加荷载,直至试件破坏,记录弯拉应变值,以此来判断试件的低温抗裂性[5]。具体试验结果如表5所示,沥青混合料弯拉应变随水泥掺量变化的规律如图3所示。

图3 沥青混合料弯拉应变随水泥掺量变化的规律Fig.3 Bending tension strain of asphalt mixture changes with cement content

表5 低温弯曲试验结果Tab.5 Results of low temperature bending test

从表5和图3可以看出,随着沥青混合料中水泥掺量的增加,弯拉应变不断减小,且两者呈线性关系,这说明沥青混合料中掺入水泥会增大其脆性并减小沥青混合料的低温抗裂性。在水泥掺量超过2%之后,试件的弯拉应变值未达到规范中弯拉应变≥2 800 με的要求。

3.4 浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验

3.4.1 浸水马歇尔试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011) 、《沥青混合料马歇尔稳定度试验》(T0709—2011)等规范中的相关要求,制作标准马歇尔试件,并进行浸水马歇尔试验,获得不同水泥掺量下试件的标准稳定度及浸水稳定度,具体如表6所示。随水泥掺量的增加,试件稳定度的变化规律如图4所示。

图4 试件稳定度随水泥掺量变化的规律Fig.4 Stability of test piece varies with cement content

表6 浸水马歇尔测试结果Tab.6 Results of immersion Marshall test

综合图4和表6可知,试件的标准稳定度及浸水稳定度均随着水泥掺量的增加而增大,但是在水泥掺量超过2%之后,增幅减小。由此可知,随水泥掺量的增加,沥青混合料的水稳定性逐渐增强,但掺量超过2%后水稳定性增强不明显。

3.4.2 冻融劈裂试验

根据规程T0702方法,将试件制作成直径101.6 mm、高63.5 mm的圆柱形试件,装进塑料袋中并在袋中加10 mL的水,再放入恒温冰箱中,于温度-18 ℃冷冻16 h。冷冻结束后立即取出试件放到60 ℃恒温水槽中,取下塑料袋,保温24 h,按50 mm/min的速率进行加载。试验过程中要详细记录冻融前后的劈裂强度及强度比,具体结果如表7所示。冻融前后劈裂强度随水泥掺量变化的规律如图5所示。

图5 试件冻融前后劈裂强度随水泥掺量变化的规律Fig.5 Variation of the splitting strength of specimens with cement content before and after freeze-thaw

表7 冻融劈裂试验结果Tab.7 Results of freeze-thaw splitting test

综合图5和表7可知,随着水泥掺量的增加,试件冻融前后的劈裂强度均呈线性增长,但水泥掺量低于2%时,强度比不满足规范中强度比≥75%的要求,水泥掺量超过2%后,试件劈裂强度增幅不明显。

4 结论

在沥青混合料中掺入水泥,沥青混合料的力学性能、高温稳定性及水稳定性均会增强,但低温抗裂性会降低。水泥掺量小于2%时,沥青混合料的性能均达不到规范要求,而当水泥掺量超过2%后,沥青混合料性能满足规范要求,但性能增长不显著。为了确保沥青混合料的性能满足规范要求及施工经济性要求,建议水泥掺量控制在2%左右,同时可防止因水泥掺量过大而出现沥青收缩开裂的问题。