水泥填料对心墙沥青混凝土长期水稳定性的影响

何建新,杨 武,杨耀辉,游光明

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)



水泥填料对心墙沥青混凝土长期水稳定性的影响

何建新,杨 武,杨耀辉,游光明

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐 830052)

以优选的心墙沥青混凝土配合比为基础,分别采用质量分数为12%的石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉、12%水泥作为填料配制沥青混凝土试件,研究水泥填料对采用天然砾石骨料的心墙沥青混凝土长期水稳定性的影响。试验结果表明:采用12%石灰石粉为填料的沥青混凝土水稳定系数随浸水时间的延长而不断减小,且在浸水75 h后水稳定系数降至0.88,已不满足心墙沥青混凝土水稳定系数大于或等于0.90的要求;采用12%水泥、6%水泥+6%石灰石粉为填料的沥青混凝土水稳定系数随浸水时间的延长先增大后减小,且在浸水375 h后达到最大,分别为1.02和0.98,在浸水1 500 h后水稳定系数仍然能够满足规范要求;用水泥替代部分石灰石粉作填料也可有效改善心墙沥青混凝土的长期水稳定性。

水泥填料;心墙;沥青混凝土;水稳定系数;长期水稳定性

随着沥青混凝土配制技术的发展,依靠克拉玛依高品质沥青[1]的资源优势,天然砾石骨料已逐渐应用到心墙沥青混凝土中。由于天然砾石骨料岩性复杂,与沥青的黏附性普遍低于碱性骨料,配制的沥青混凝土的水稳定性较差[2-3],会影响沥青混凝土心墙的防渗可靠性。工程中常采用添加抗剥落剂、消石灰或水泥等措施来提高沥青混凝土的水稳定性。胺类和非胺类抗剥离剂可有效增强骨料与沥青的黏附性[1,4],但存在热稳定性和长期性能差的问题且不经济[5];消石灰可有效提高沥青混凝土的水稳定性[6],其掺入量和掺入方式不同效果会不一样[7];张应波等[8]研究了采用砾石骨料配制心墙沥青混凝土,并以水泥作填料兼作提高骨料黏附性的措施;何建新等[9-10]定量评价了新疆某工程砾石骨料的酸碱性,试验表明水泥填料可有效改善砾石骨料与沥青的黏附性,提高沥青混凝土的水稳定性。然而,心墙沥青混凝土属富沥青混凝土,孔隙率小于3%,若按DL/T 5362—2006《水工沥青混凝土试验规程》方法进行心墙沥青混凝土的水稳定性试验,水损害行为在短时间内很难表现,水稳定性很容易就满足规范要求。但心墙沥青混凝土有长期的浸水作用,在此条件下水泥作填料对心墙沥青混凝土水稳定性的影响需进一步研究。本文借鉴前苏联提出的将沥青混凝土试件浸水温度由规范的60℃提高到80℃,建立的浸泡75 h相当于20℃水中浸泡1 a的定量关系[9],分别采用质量分数为12%的石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉、12%水泥配制沥青混凝土试件,进行沥青混凝土长期水稳定性试验,对比分析了用水泥替代石灰石粉作填料对心墙沥青混凝土长期水稳定性的影响。

1 试验方案

试验所用原材料为克拉玛依石化公司生产的70号(A级)道路石油沥青(技术性能见表1)、新疆屯河水泥厂生产的P·O42.5水泥、石灰石粉(CaCO3质量分数为87%,技术性能见表2)和新疆呼图壁河天然砾石骨料,经检测所有材料均满足规范要求。保持配合比参数(级配指数、填料用量、沥青用量)不变,填料分别采用12%石灰石粉、6%水泥+6%石灰石粉、12%水泥配制沥青混凝土试件。不同填料分别制备6组压缩试件,每组3个。第1组试件不浸水,置于20℃空气中48 h后,在自动控温万能试验机(UTM-5105型)上按DL/T 5362—2006《水工沥青混凝土试验规程》进行压缩试验,其余5组试件分别在80℃恒温水槽中依次浸泡75 h、225 h、375 h、750 h、1 500 h后,置于20℃水中恒温2 h后进行压缩试验。虽然沥青与填料混合后形成的胶浆的热稳定性显著提高,但考虑到心墙沥青混凝土的沥青用量比道路沥青混凝土大,为防止试件在80℃下长期浸水产生变形,采用带孔筛网将试件包裹,使试验能正常进行。

表1 沥青的技术性能

表2 填料的技术性能

2 试验结果及分析

2.1 材料压缩应力应变特征

3种填料的沥青混凝土试件在空气中和水中(不同浸水时间)的压缩试验结果见表3,沥青混凝土不同浸水时间压缩应力-应变曲线见图1。

表3 沥青混凝土压缩试验结果

图1 不同浸水时间的沥青混凝土压缩应力-应变曲线

图1可以看出,未浸水时3种填料的沥青混凝土压缩应力-应变曲线均表现为弹塑性材料的破坏特征,分为3个阶段,即线性上升阶段、非线性上升阶段和峰值点以后的缓慢下降阶段;峰值强度几乎相等,对应的应变均为8%左右,且随着水泥掺量的增加,线性特征明显增强。随着浸水时间的增长,12%石灰石粉为填料的沥青混凝土压缩应力-应变曲线直线段斜率有减小的趋势,且峰值强度不断下降,破坏时的应变不断增大;6%水泥+6%石灰石粉为填料的沥青混凝土压缩应力-应变曲线形状基本相近,各曲线峰值强度变化不明显,破坏时的应变略有增大,材料的压缩性能变化不明显;12%水泥为填料的沥青混凝土压缩应力-应变曲线的线性特征相对明显,各曲线峰值强度变化不大,破坏时的应变不断增大,材料适应变形能力也有所增大。

2.2 水稳定系数变化规律

通过测定沥青混凝土浸水前后的抗压强度,评价沥青混凝土的长期水稳定性,计算方法参考DL/T 5362—2006《水工沥青混凝土试验规程》：

(1)

式中:KW为水稳定系数;R1为不浸水试件抗压强度平均值,MPa;R2为不同浸水时间下试件抗压强度平均值,MPa。水稳定系数计算结果见表4。

表4 沥青混凝土的水稳定系数计算结果

由表4可以看出，随着浸水时间的延长,采用12%石灰石粉为填料的沥青混凝土水稳定系数逐渐减小,且水稳定性系数均小于0.90,已不能满足规范KW≥0.90的要求。由于沥青混凝土长期在80℃高温环境下,加快了水介质进入试件内部,沥青的极性小于水分子,水分子与沥青混凝土中骨料的极性分子结合,使得沥青与骨料的黏附性减小,导致沥青与骨料快速剥离,沥青混凝土的水稳定系数不断减小。

采用6%水泥+6%石灰石粉和12%水泥为填料的沥青混凝土水稳定性系数均大于0.90；随着浸水时间的增长，沥青混凝土水稳定性系数均呈先增大后减小的规律,在80℃水中浸泡375 h后(相当于20℃水中浸泡5 a)水稳定性系数均达到最大,分别为0.98和1.02,在80℃水中浸泡1 500 h后(相当于20℃水中浸泡20 a)水稳定系数仍然满足规范要求。由于沥青混凝土试件长期处于80℃高温条件下，加快了水分子、沥青、矿料之间的物理化学作用。一方面水更容易进入沥青混凝土内部,使部分水泥填料与水加速发生水化反应,水溶液呈现碱性,再与酸性的沥青发生化学反应,增强了沥青与骨料的黏附性;另一方面随着一些难溶于水的水化产物的增多而填充孔隙,使得沥青混凝土更加密实。水分进入试件内部的多少直接影响水化的速率与程度,随着浸水时间的增加,试件内部的水泥不断水化,以水泥为填料的沥青混凝土的水稳定系数有所增大;随着时间继续增加,水泥水化作用也逐渐越弱,同时水损害作用逐渐增强,水稳定系数又开始缓慢减小。可以看出,以水泥为填料对沥青混凝土的水稳定性有较好的改善作用。

从表4还可以看出:6%水泥+6%石灰石粉为填料的沥青混凝土试件的水稳定系数最大。由于石灰石粉后期具有较高的水化活性,加之80℃的水热条件,石灰石粉中的CaCO3与水泥中的C3A继续发生反应,即:CaCO3+3CaO·Al2O3+12H2O=4CaO·Al2O3·CO2·12H2O,生成的水化碳铝酸钙与其他水化产物相互搭接,结构更加密实,这样也改变了沥青混凝土的内部结构,促使沥青混凝土水稳定性提高。以水泥和石灰石粉混合作为沥青混凝土的填料更有利于心墙沥青混凝土的长期水稳定性。

3 结 论

a. 以水泥为填料的沥青混凝土压缩应力-应变来看,长时间浸水后试件的抗压强度下降不明显,且水泥水化产物也没有增强沥青混凝土的脆性,相反,沥青混凝土的柔性有所增强。

b. 水泥填料可明显改善心墙沥青混凝土的长期水稳定性,使得天然砾石骨料与沥青之间的黏附作用明显增强,所配制的心墙沥青混凝土的长期水稳定性可以满足规范的要求。

c. 用水泥替代部分石灰石粉作填料能很好地保证心墙沥青混凝土的长期水稳定性,关键是选择合适的替代量,这样做也可节约工程成本。

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Influence of cement filler on long-term water stability of core wall asphalt concrete

HE Jianxin, YANG Wu, YANG Yaohui, YOU Guangming

(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Based on the optimized mixture ratio of core wall asphalt concrete, asphalt concrete specimens were prepared using 12% limestone powder, 6% cement and 6% limestone powder, and 12% cement, respectively. The effect of cement fillers on long-term water stability of core wall asphalt concrete with the natural gravel aggregate was studied. The results show that the water stability coefficient of the specimen with 12% limestone powder decreases with the increase of the immersion time, and the water stability coefficient decreases to 0.88 when the immersion time is 75 h, indicating that it does not meet the requirement that the water stability coefficient of core wall asphalt concrete be greater than or equal to 0.90. The water stability coefficients of the specimens with 12% cement or 6% cement and 6% limestone powder first increase and then decrease with the increase of the immersion time, and reach their maximum values of 1.02 and 0.98, respectively, when the immersion time is 375 h. The water stability factor can still meet the specification requirements when the immersion time is 1 500 h. It can effectively improve the long-term water stability of core wall asphalt concrete to use cement to replace limestone powder.

cement filler; core wall; asphalt concrete; coefficient of water stability; long-term water stability

新疆维吾尔自治区高校科研计划(XJEDU2014I016)

何建新(1973—),男,副教授,硕士,主要从事水利水电工程研究。E-mail:604690896@qq.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.03.011

TV431.5

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1006-7647(2017)04-0059-04

2016-07-27 编辑：骆超)