乳化沥青碾压贫混凝土路面基层材料研究

2014-03-25康卫

盐城工学院学报（自然科学版） 2014年1期

康卫

(大丰市恒昌交通建设工程有限公司,江苏大丰 224100)

贫混凝土(Lean Concrete，简称LC)与水泥稳定碎石、二灰稳定碎石等常用半刚性基层材料相比，具有较高的强度、刚度和良好的抗冲刷、抗冻、抗疲劳性能[1]，英国、美国、德国等国家的高速公路路面有很多采用贫混凝土基层[2]。国内长安大学等单位对贫混凝土基层路面开展了深入研究，并成功修筑了试验路[3,4]。

贫混凝土基层按施工方式不同大致可分为振捣贫混凝土基层和碾压贫混凝土基层，碾压式贫混凝土相对振捣式具有较高的强度和弯拉模量[5]，但作为刚性材料，仍面临抗裂问题。诸多学者研究了水泥对乳化沥青混合料的改性作用[6-8]，但乳化沥青的掺用影响贫混凝土性能的研究相对较少，本文通过实验探讨乳化沥青贫混凝土的路用性能及作为沥青路面基层的可行性。

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

实验采用海螺32.5级普通硅酸盐水泥，其技术指标见表1，满足道路水泥的缓凝要求。乳化沥青为阳离子慢裂型(BC-1)，实测蒸发残留物含量为63%，蒸发残留物25 ℃针入度为60(0.01 mm)，15 ℃延度为68 cm，与水泥拌合均匀。集料采用产于镇江的石灰岩，砂为天然河砂，细度模数为2.77，相关技术指标见表2。

表1水泥技术指标
Table1Technicalindexesofcement

标准稠度用水量/%初凝时间/min终凝时间/min安定性/mm3 d抗压强度/MPa3 d抗折强度/MPa28.0205322216.63.7

表2集料技术指标
Table2Technicalindexesofaggregate

技术指标碎石/1^3 cm碎石/0.5^1 cm石屑河砂粗集料含泥量/%0.210.67--针片状含量/%4.228.12---自然堆积密度/(g·cm-3)1.4371.4001.5311.607捣实密度/(g·cm-3)1.6961.5861.8161.730表观密度/(g·cm-3)2.7312.7042.5442.593空隙率/%37.941.328.633.3压碎值/%9.30---

1.2 配合比设计

参考文献[9]中探讨的填充包裹法，以改进的维勃稠度仪测定VC值，确定碾压贫混凝土的配合比(见表3)。考虑乳化沥青中的含水量，维持W/C不变，设计2%、4%、6%3种乳化沥青用量(A/C)。

表3贫混凝土配合比
Table3Mixtureratioofleanconcrete

KpKmW/C碎石1^3 cm/(kg·cm-3)碎石0.5^1 cm/(kg·cm-3)石屑/(kg·cm-3)河砂/(kg·cm-3)水泥/(kg·cm-3)VC/s1.31.50.42465870150600215.032

注：Kp为砂浆富余系数，Km为水泥浆富余系数。

1.3 实验方法

混凝土采用强制式搅拌机搅拌，加料顺序为先预拌细集料、水泥、粗集料，再加入水拌合均匀，最后倒入乳化剂拌合均匀。

为模拟施工现场振动压路机的碾压工艺，并与水泥稳定碎石基层材料进行对比，采用JTG E51-2009 规定的T0842方法，利用LCX-4型振动压实成型机制备试件，经预拌预压控制试件尺寸为φ150 mm×(150±2)mm，当压头四周冒浆即停止振动压实。试件成型24 h后脱模，立即放入标准养护室养生，根据JTG E51-2009规定的实验方法[11]，养生7 d测试无侧限抗压强度、养生28 d进行劈裂试验、劈裂回弹模量试验，并利用TDR-28型快速冻融机进行5次冻融实验。力学实验均在WEW-1000型微机控制万能试验机上进行。最后将破坏试件断面取样，运用扫描电镜(SEM)进行乳化沥青水泥胶浆的微观结构分析。

2 工作性能

混凝土拌合后用维勃稠度法测定VC值，同时装模成型试件，记录振动压实时间。脱模后即称重，量取试件实际尺寸，计算密度值，相同配比的试件取平均值，测试结果见表4。

表4乳化沥青贫混凝土工作性能
Table4Workingperformancesofleanconcreteintroducedemulsifiedasphalt

(A/C)/%VC/s振实时间/s密度/(g·cm-3)压实度/%031692.43198.8236862.42198.44451212.41498.76571372.41199.1

表中数据表明，随乳化沥青用量的增大，维勃稠度测试和振实成型时间均明显延迟，尤其是6%乳化沥青掺量的混凝土振实时间延长近1倍。由于配合比设计中乳化沥青中的水分计入W/C，而乳化剂分子指向水分子的一端为极性亲水基团，在拌合后不长的时间内，水泥和集料与乳化沥青抢夺水分尚不强烈。因此，成型初期，乳化沥青掺量越多，其维持的水分越多，相对而言，保证混凝土和易性的水分就越少。由于沥青自身不与水泥反应[6]，在破乳分裂后部分沥青微粒相互黏聚，占据了混凝土内部空间，因沥青密度偏小，使得掺用乳化沥青越多，混凝土密度越低。而按材料密度计算的试件压实度均值表明，乳化沥青掺量变化对试件振动压实度影响不明显，且均达到98%以上。

3 力学性能

为考察乳化沥青掺用对贫混凝土强度和抗裂性能的影响，按JTG E51-2009规定的龄期和实验方法测试标准养生试件的强度和劈裂回弹模量，结果见图1和表5。随乳化沥青掺量增大，无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度和回弹模量均逐渐降低，掺量为6%时的降幅分别达44.6%、50.0%和25.6%，其变化的拟合曲线特征尚需批量的正交实验予以验证。测试数据的偏差系数表明，提高乳化沥青掺量会增大混凝土力学性能的离散性，6%的乳化沥青掺量带来的偏差系数相对较大。

由破碎试件的断面可见，均匀拌入混合料的乳化沥青破乳后能自聚成细小微粒，少量沥青黏聚成膜，部分沥青膜包裹着水泥颗粒和水泥水化产物，阻碍了部分水泥的水化进程，这是乳化沥青掺量增大引起混凝土强度降低的主要原因。

图1 乳化沥青掺量对贫混凝土力学性能的影响Fig.1 Effect of emulsified asphalt content on mechanical properties of lean concrete

力学性能指标试件数量数据类别0246无侧限抗压强度13个平均值R/MPa标准差S/MPa偏差系数Cv/%代表值RC/MPa17.50.814.6316.215.20.956.2513.613.50.866.3712.110.20.767.458.9间接抗拉强度13个平均值R/MPa标准差S/MPa偏差系数Cv/%代表值RI/MPa3.670.215.723.323.180.154.722.932.730.248.792.341.860.126.451.66劈裂回弹模量13个平均值E/MPa标准差S/MPa偏差系数Cv/%代表值EI/MPa1 76960.813.441 6691 65870.954.281 5411 543114.867.441 3541 490150.7610.121 242

观察试件外观，振实成型的上表面因激振力作用，加速了表层的乳化沥青破乳分裂，产生少量局部黏聚的沥青膜；而乳化沥青分散不均匀，以及掺量的增大，可能带来沥青黏聚微粒的增多和增大，由此，加大了贫混凝土强度的离散性。

各个国家对用于道路工程的贫混凝土的强度要求差别较大。澳大利亚和美国加利福尼亚州要求的碾压贫混凝土7 d龄期无侧限抗压强度分别为5 MPa和5.4 MPa，有些国家则要求贫混凝土强度大于10 MPa[1]。我国目前常用的水泥稳定碎石7 d无侧限强度要求为3.0 MPa～5.0 MPa，表5实验结果表明，6%乳化沥青掺量的贫混凝土强度满足我国半刚性路面基层设计强度的要求。

4 水稳定性

按照JTG E51-2009规定的T0858冻融试验方法验证乳化沥青贫混凝土的水稳定性。测试5次冻融循环后，乳化沥青贫混凝土的抗冻性指标BRD和试件的质量变化率Wn见表6。实验数据表明，随乳化沥青掺量增大，贫混凝土后期强度增涨幅度略有降低，抗冻性指标略有提高，而质量损失与乳化沥青用量无明显关系。

表6乳化沥青贫混凝土冻融实验结果
Table6Freeze-thawexperimentalresultsofleanconcreteintroducedemulsifiedasphalt

乳化沥青掺量28 d无侧限强度/MPa(7 d强度/28d强度)/%冻融后强度均值/MPa标准差S/MPa偏差系数Cv(%)BRD/%Wn/%019.383.814.60.714.8675.60.2217.677.515.10.573.7785.80.4414.384.511.70.837.0981.80.1610.486.19.30.717.6389.40.2

5 乳化沥青水泥浆体微观结构分析

图2为不同掺量的乳化沥青水泥浆体结构。对比图a和图b，乳化沥青掺量增加，混凝土中微小毛细孔明显增多，有些是未相互黏聚的沥青微粒；图c为沥青包裹水泥水化产物界面，由于水泥水化反应促进了乳化沥青破乳，水泥水化与沥青自聚相辅相成，水化物与沥青膜相互独立又相互渗透，交织成网状结构。其他学者的研究亦指出，乳化沥青使得混凝土胶浆-集料界面结构由平面转为立体，界面结构与性能得到改善[6,12]。