水泥掺量对沥青混凝土性能影响的试验研究①

雷小磊, 崔玉龙

(安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

目前，国内外对水泥改性乳化沥青、泡沫沥青混合料等力学性能进行了一些研究。如冯新军，熊锐，杨晓凯等[1-4]围绕煤矸石粉沥青混合料的路用性能开展了一系列的研究。如温浩[5]通过试验，得出随着水泥掺量的增加可以增强乳化沥青混凝土的力学性能，综合强度、模量和经济性分析，确定最适宜的水泥掺量为2.5%。何德伟[6]通过对沥青混凝土的马歇尔稳定度试验，得出掺1.5%水泥改性沥青混合料力学强度可提高11.0%～85.0%，建议冷再生混合料中水泥掺量为1.5%。

作者团队[7]采用水泥与矿粉2种填料与沥青质量比例制备沥青胶浆，对二者的路用性能进行了系列指标的测定，综合评判水泥与矿粉对沥青胶浆性能影响效果。通过研究，当mc/ma在0.4～0.6范围时，选用水泥填料的沥青胶浆比矿粉填料的沥青胶浆在抗剪强度、耐高温性能和抗车辙能力等方面均有较大幅度的提升。

选用水泥作为掺入料，以掺入料占混凝土配合比为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6种比例制备沥青混凝土试件，对不同比例条件下的沥青混凝土性能进行试验测定，分析评判不同掺量水泥改性沥青混凝土的合理掺入比例，研究成果为水泥作为填料改性沥青混凝土路用性能的可行性提供了依据。

1 试 验

1.1 试验材料

(1)沥青

沥青选用A-10#基质石油沥青，主要技术指标如表1所示。

表1 A-10#基质石油沥青的主要技术指标

(2)水泥与矿粉

水泥选用安徽舜岳水泥有限责任公司所生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，根据相关规范[8-10]，其相应主要技术性能指标和水泥的主要化学组成如表2所示。

表2 水泥(C)的主要技术指标

(3)集料

试验用细骨料粒径范围为0～5mm的中粗河砂，细度模数为2.7。粗骨料粒径范围为10～20mm的碎石，饱和面干状态，连续级配。

(4)拌合用水选用普通自来水。

1.2 沥青混合料配合比

根据筛分试验结果，确定 m(RAP)：m(10～20mm碎石)：m(0～5mm机制砂)75：15：10。

按照规范要求，选用重型击实试验确定水泥掺量为1.5%时的沥青混凝土的最佳拌和用水量为5.6%，并充分考虑干、湿混合料状态下的沥青用量原则，试验选取5.0%作为沥青的用量。试验中，水泥的掺入方式为外掺形式，掺量分别占混凝土配合比为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6种比例。

1.3 试验方法

1.3.1 沥青混合料制备

试验选用水泥作为掺入料，以掺入料占混凝土配合比为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%等6种比例制备沥青混凝土试件，具体制备施工技术工艺为：首先将水泥、洁净集料分别置于100℃±5℃烘箱中烘干至恒重，确保材料中的水分被充分干燥蒸发。按照配合比设计要求，将集料置于沥青搅拌器中预热至80℃，加入5.6%的拌和用水，搅拌120s，再加入5.0%的沥青材料并均匀搅拌120s，最后按照试验设计的掺量0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%分别加入水泥后搅拌120s后制成混合料。按照试验设计要求，制作各类试件，并在20℃保湿环境下养生24h后脱模，在养生7d内进行各类试验。

1.3.2 主要试验设计

试验选用万能材料试验机测定沥青混凝土圆柱体试件的抗压强度，标准试验温度为20℃，试件尺寸选择为直径100mm±2.0mm、高100mm±2.0mm的圆柱体，试件静压成型，制作完成后需要在50℃恒温烘箱中养生5d后进行试验。

试验选用自动马歇尔试验仪测定沥青混凝土时间的马歇尔稳定度指标。试件用击实仪击实成型，即将沥青混合料装入试模后，首先进行双面击实，两面各击实30次，静置于50℃烘箱中24h后再进行双面击实，两面各击实20次，冷却24h后进行马歇尔稳定度及浸水残留稳定度指标测定。

试验选用自动劈裂强度试验仪测定沥青混凝土马歇尔试件的劈裂强度，分别对马歇尔稳定度试件在20℃及～16℃进行浸水2h后进行试验测定。即一组试件在20℃水中浸水2h后测定劈裂强度R1；另一组首先在20℃水中浸水2h，后在0.098 MPa浸水抽真空15min，再先后移至16℃冰箱中10h和50℃水浴中10h，最后置于20℃水中浸水2h后进行劈裂强度R2测定试验，计算冻融劈裂强度比TSR=R2/R1，以评定沥青混合料的水稳定性。

试验选用自动车辙试验仪测定动稳定度用于评定沥青混凝土的高温稳定性。根据试验试件制作规范要求，用轮碾仪将试件制作成300mm×300mm×50mm的试板，成型时沥青混合料的碾压温度控制在140℃左右，混合料碾压至与试板齐平为止。

2 试验结果分析

2.1 单轴压缩试验测定结果及分析

由图1可知，随着水泥的掺入，混凝土试件的抗压强度也相应增大，未掺入水泥的混凝土试件抗压强度为3.914MPa。当水泥掺量为0.5%、1%、1.5%和2%时，混凝土试件的抗压强度分别增大至4.471MPa、5.306MPa、5.539MPa和5.846MPa，提高了14.2%、35.6%、41.5%和49.4%，呈迅速递增趋势。而随着水泥掺量的进一步加大至2.5%时，测得抗压强度为5.913MPa，增幅为51.1%，增幅呈缓和趋势。

上述分析结果表明，随着水泥的掺入，沥青混凝土试件的剪切变形变小，抗压强度增大。当掺量在2%左右时，试件的抗压强度增加幅度最为明显，体现了水泥改性沥青混凝土抗压强度方面的优势。

图1 不同水泥掺量混凝土试件单轴抗压强度(MPa)

图2 不同水泥掺量混凝土试件马歇尔稳定度(kN)

图3 不同水泥掺量混凝土试件残留稳定度(%)

2.2 马歇尔稳定度试验测定结果及分析

由图2可知，随着水泥的掺入，混凝土试件的马歇尔早期稳定度、后期稳定度和后期浸水稳定度也相应增大，未掺入水泥的混凝土试件马歇尔早期稳定度为8.7kN。当水泥掺量为0.5%、1%、1.5%时，混凝土试件的马歇尔早期稳定度分别增大至10.6kN、13.4kN、14.1kN，提高了21.8%、54.0%、62.1%，呈迅速递增趋势。而随着水泥掺量的进一步加大至2%和2.5%时，测得试件的马歇尔早期稳定度为14.3kN和14.5kN，增幅为64.4%和66.7%，增幅呈缓和趋势。由于水泥掺量的进一步增大，试件硬度增大，马歇尔后期稳定度未能读出数据。后期浸水稳定度的数值为未浸水试件稳定度的50.6%～79.3%，变化趋势与其相同。

由图3可知，随着水泥的掺入，混凝土试件的马歇尔残留稳定度也相应增大，未掺入水泥的混凝土试件马歇尔残留稳定度为49.4%。当水泥掺量为0.5%、1%、1.5%时，混凝土试件的马歇尔残留稳定度分别增大至65.5%、77.3%、81.3%kN，呈迅速递增趋势。而随着水泥掺量的进一步加大至2%和2.5%时，测得试件的马歇尔残留稳定度为82.1%和83.4%，增幅呈缓和趋势。

上述分析结果表明，随着水泥的掺入，沥青混凝土试件的马歇尔稳定度呈迅速增大趋势。当掺量在2%左右时，试件的马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度以及残留稳定度的增加幅度最为明显，体现了水泥改性沥青混凝土高温稳定性和水稳定性方面的优势。

2.3 车辙试验测定结果及分析

由图4可知，随着水泥的掺入，混凝土试板的动稳定度也相应增大，未掺入水泥的混凝土试板的动稳定度为1106次/mm。当水泥掺量为0.5%、1%、1.5%时，混凝土试板的动稳定度分别增大至1367次/mm、1586次/mm、1721次/mm，提高了23.6%、43.4%、55.6%，呈迅速递增趋势。而随着水泥掺量的进一步加大至2%和2.5%时，测得试板的动稳定度为1799次/mm和1803次/mm，增幅为62.7%和63%，增幅呈缓和趋势。

上述分析结果表明，随着水泥的掺入，沥青混凝土试板的动稳定度增大。当掺量在1.5%～2%时，试板的动稳定度增加幅度最为明显，体现了水泥改性沥青混凝土高温稳定性方面的优势。

2.4 冻融劈裂试验测定结果及分析

由图5可知，随着水泥的掺入，干(R1)、湿(R2)两种状态下的混凝土马歇尔试件的劈裂强度也相应增大，未掺入水泥的混凝土马歇尔试件干、湿两种状态下的劈裂强度为0.61MPa、0.41 MPa。当水泥掺量为0.5%、1%、1.5%、2%时，混凝土马歇尔试件干、湿两种状态下的劈裂强度分别增大至0.64MPa、0.72MPa、0.76MPa、0.79MPa和0.43MPa、0.48MPa、0.52MPa、0.65MPa，提高幅度分别为了4.9%～29.5%和4.9%～58.5%，呈迅速递增趋势。而随着水泥掺量的进一步加大至2.5%时，测得干、湿两种状态下的劈裂强度为0.81MPa和0.61MPa，呈小幅上升和下降趋势。

图4 不同水泥掺量混凝土试件动稳定度(次/mm)

图5 不同水泥掺量混凝土试件劈裂强度(MPa)

图6 不同水泥掺量混凝土试件冻融劈裂强度比TSR

采用上述实验数据计算冻融劈裂强度比TSR=R2/R1，可得出图6。未掺入水泥的混凝土马歇尔试件的TSR值为67.2%。当水泥掺量为0.5%、1%、1.5%时，混凝土马歇尔试件的TSR值在67.2%～68.4%之间，变化不大。而随着水泥掺量的进一步加大至2%时，混凝土马歇尔试件的TSR值为82.3%，达到实验组内试件最高，同时满足规范设计要求。继续增大水泥掺量，混凝土马歇尔试件的TSR值呈缓慢下降趋势。

上述分析结果表明，随着水泥的掺入，沥青混凝土试件的劈裂强度增大，冻融劈裂强度比TSR值也逐渐增大。当掺量在2%时，试件的劈裂强度和TSR值增加幅度最为明显，体现了水泥改性沥青混凝土低温抗裂性能方面的优势。

3 结 论

通过一系类试验得出，随着水泥掺量从0.5%～2%的不断增加，试验测得沥青混凝土试件的抗压强度、马歇尔稳定度、浸水马歇尔稳定度、残留稳定度、车辙动稳定度及干湿两种状态下的劈裂强度和冻融劈裂强度比TSR值均能成正比增大，这体现了水泥在一定掺量下改善沥青混凝土抗压强度、水稳定性、高低温稳定性及低温抗裂性等方面表现较好。综合对水泥不同掺量下改性沥青混凝土性能试验，研究得出沥青混凝土中水泥的掺量为1.5%～2.0%时较为合理，同时在工程实际应用中，也需要结合设计道路的等级、环境和经济社会效益等，适当调整掺量占比，会更利于发挥水泥对沥青混凝土性能改善的目的。