半柔性路面磷酸铵镁水泥灌浆料路用性能研究

蔡广楠,赵 佩,顾成鹏,魏唐中

(南京兴佑交通科技有限公司 南京市 210000)

随着我国交通量的不断增大,沥青路面的车辙现象尤为严重。目前改善车辙的方式主要包括提高沥青混合料的模量[1]、改善沥青混合料的级配[2]以及采用改性剂,诸如抗车辙剂[3]或温拌剂[4]等,但以上措施并不能显著提高沥青路面的抗车辙性能。半柔性路面是一种在开级配沥青混合料中灌注具有高流动度的水泥浆而形成的一种刚柔并济的复合路面形式,抗车辙性能普遍优于沥青路面[5-6]。文章旨在探究磷酸铵镁水泥作为灌浆材料制备的半柔性路面的路用性能,为类似工程实践提供参考。

1 水泥灌浆料配合比设计

1.1 原材料

水泥基灌浆材料的原材料包括:烧结氧化镁,磷酸二氢铵,消泡剂,减水剂,自来水。大空隙沥青混合料的原材料包括:最大公称粒径为13.2mm的玄武岩,石灰石矿粉,木质素纤维,SBS改性沥青。

1.2 半柔性沥青混合料配合比确定

我国现行规范[7]要求,半柔性路面所用灌浆料的7d抗压强度需大于15MPa,28d抗压强度需大于25MPa,而流动度需在10～14s之间。文章设计的磷酸铵镁水泥基灌浆料的配合比如表1所示。其中磷镁比表示磷酸二氢铵与烧结氧化镁的质量比,硼镁比为硼砂质量与烧结氧化镁的质量比,添加剂的掺量与水固比为与磷酸铵镁水泥的质量比。

表1 水泥基灌浆料配合比

依据体积设计法,设计不同空隙率(21%、23%、25%、27%)的沥青混合料,集料级配设计结果如图1所示,油石比为3.5%,木质素纤维掺量为0.2%。将灌注后的半柔性沥青混合料按空隙率从小到大分别命名为Mix-1、Mix-2、Mix-3、Mix-4。

图1 大空隙沥青混合料设计级配

2 半柔性沥青混合料路用性能评价

2.1 水稳定性

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[8](JTG E20—2011),对Mix-1～Mix-4进行马歇尔稳定度实验,采用在60℃的水浴环境下保温0.5h以及48h后测试得到的马歇尔稳定度以评价其水稳定性能。其中,残余稳定度为48h的马歇尔稳定度与0.5h的马歇尔稳定度的比值(图2)。在整个测试过程中采用6个平行试件进行测试,以消除测试过程中出现的偶然误差。

图2 马歇尔稳定度试验结果

从图2中可以看出,Mix-1～Mix-4的马歇尔稳定度均超过了10kN。残余稳定度均超过了90%,这表明Mix试件整体具有较为良好的水稳定性能。此外,随着空隙率的不断增大,Mix试件0.5h的马歇尔稳定度、48h的马歇尔稳定度以及残余稳定度均呈现上升的趋势。其中,Mix-4的0.5h马歇尔稳定度、48小时的马歇尔稳定度相对Mix-1提高了23.7%与30.6%,马歇尔残余稳定度从92.4%提高至97.5%。分析认为,由于磷酸铵镁水泥表现出刚性性质,代替了原有混合料中的空隙以及集料后,其整体刚度大大提升,相比于沥青混合料的柔性性质,半柔性路面抵抗外界变形的能力更佳。

2.2 低温小梁试验

采用低温弯曲小梁试验来评价Mix-1～Mix-4的低温性能。在测试前,将车辙板切割成250mm×30mm×35mm的小梁试件,在UTM-250的-10℃的环境箱中保温12h以上进行测试。采用破坏应变以及劲度模量两个指标综合评价Mix试件的低温性能。在整个测试过程中采用6个平行试件进行测试,以消除测试过程中出现的偶然误差,低温弯曲小梁试验结果如图3所示。

图3 低温弯曲小梁试验结果

从图3中可以看出,对于Mix试件而言,其破坏应变均小于2000με,可见其低温性能并没有表现出优异的特性。从整体来看,破坏应变随着空隙率的增大而减小,而劲度模量随着空隙率的增大而增大,这意味着磷酸铵镁水泥量的增加对于Mix试件的低温性能不利。Mix-4的破坏应变和劲度模量相较于Mix-1分别降低和增加了43.3%和64.2%。分析认为,由于水泥是刚性体,而沥青混合料是柔性体,在低温环境下,水泥本身容易出现冻融开裂,继而在外界荷载的作用下将微观裂纹发展成宏观裂纹。此外,在水泥浆以及沥青混合料间存在许多较为薄弱的过渡区域。由于这些薄弱的过渡区域本身存在许多微裂缝,在外界荷载的压力下极易出现裂纹。随着空隙率的增大,水泥浆的含量以及薄弱的过渡区域含量增多,从而更容易出现低温开裂。

2.3 车辙试验

采用60℃以及70℃条件下的车辙试验来评价Mix试件的高温抗车辙性能,结果如图4所示。

图4 不同温度下车辙试验结果

从图4中可以看出,无论在哪个温度下,Mix试件的动稳定度远远高于普通沥青混合料,这表明Mix试件具有良好的高温抗车辙性能。随着空隙率的增大,Mix试件的高温抗车辙性能也呈现增大的趋势。在60℃条件下,Mix-4的动稳定度为22581次/mm,而Mix-1的动稳定度为19868次/mm,相比之下提高了13.7%;而在70℃的条件下,Mix-4的动稳定度为21489次/mm,而Mix-1的动稳定度为17528次/mm,相比之下提高了22.6%。这是由于水泥基材料的模量相较于沥青混合料更高,在外界荷载的作用下不易变形。普通沥青混合料是柔性材料,在高温的条件下沥青组分容易软化,抗车辙效果不如刚性的水泥基材料。

3 结论

文章设计了磷酸铵镁水泥基灌浆材料以及依据体积设计法设计了不同空隙率的大空隙沥青混合料后,制备了半柔性沥青混合料(Mix-1～Mix-4),并对其水稳定性、低温性能以及高温抗车辙性能进行了研究,初步结论如下:

(1)空隙率的增大提高了半柔性路面的水稳定性。Mix-4的0.5h马歇尔稳定度、48h的马歇尔稳定度相对Mix-1分别提高了23.7%与30.6%,马歇尔残余稳定度从92.4%提高至97.5%。然而其整体的水稳定性优于普通沥青混合料。

(2)空隙率的增大降低了半柔性路面的低温抗裂性能,且整体的低温抗裂性能劣于普通沥青混合料。Mix-4的破坏应变和劲度模量相较于Mix-1分别降低和增加了43.3%和64.2%。

(3)随着空隙率增大,在60℃及70℃条件下Mix试件的高温抗车辙性能均更优。在70℃条件下,Mix-4的动稳定度为21489次/mm,而Mix-1的动稳定度为17528次/mm,相比之下提高了22.6%。