掺乳化沥青水泥稳定碎石材料的路用性能

2022-08-04郭科

山东交通学院学报 2022年4期

郭科

山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030006

0 引言

国内高等级公路绝大部分采用半刚性材料基层及底基层，其中水泥稳定碎石材料抗压强度大，承载力强，稳定性能好，应用广泛[1-2]。水泥稳定碎石材料的路用性能良好，但存在早期开裂、耐久性不良等突出问题，容易造成沥青路面开裂、坑槽等病害发生[3-4]。因此，研究改善水泥稳定碎石材料性能及早期开裂等问题具有重要意义。

通过路况调查和分析发现，造成水泥稳定碎石基层开裂的主要原因是基层材料的收缩性能[5]。国内外大量研究表明在水泥稳定碎石材料中添加乳化沥青可有效改善材料的相关性能，减少材料开裂的可能性[6-7]。国外对乳化沥青与水泥组成的复合性材料研究较早，Terrel等[8]研究认为乳化沥青对半刚性基层的开裂有一定改善作用。Orucs等[9]研究发现加入乳化沥青可在一定程度上提升密级配水泥稳定碎石材料力学性能和抵抗永久变形能力。国内袁文豪等[10]研究分析了水泥乳化沥青胶浆的路用性能，探讨了掺加乳化沥青后材料性能的变化规律。赵宏兴[11]通过试验表明，掺乳化沥青的水泥稳定碎石材料的刚性降低，抗干缩开裂能力提高。王一琪等[12]通过电阻应变片测定掺入乳化沥青后水泥稳定碎石试件，其抗温缩性能得到了有效改善。周圆[13]研究认为加入乳化沥青可有效减少水泥稳定碎石的干缩量，提高柔度、抗变形能力和抗冻性。目前，研究掺加乳化沥青水泥稳定碎石材料性能的控制指标及施工应用的研究较少，本文综合分析掺加乳化沥青的水泥稳定碎石材料的力学性能，并通过材料和易性能进行验证，以期为施工应用与工程研究提供参考。

1 原材料

1.1 沥青与矿料

试验采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，矿料为闪长岩，由90#基质沥青生产得到的乳化沥青，对原材料性能进行检测，测试结果满足要求，如表1所示。

表1 乳化沥青材料性能测试

1.2 级配设计

骨架密实型水泥稳定碎石材料级配范围如表2所示。骨架密实型基层结构的性能好，应用广泛。

表2 水泥稳定碎石材料级配

根据工程施工条件，为便于分析试验中的影响因素，采用同时在石料中添加水泥、乳化沥青2种材料的方式[14]，且试验中水泥、乳化沥青2种材料的掺量均采用外掺法确定，并使用和易性能测试设备对水泥稳定碎石材料进行充分拌和成型。

根据施工及已有研究成果[15]，拟采用水泥与石料的质量比m分别为3%、5%进行重型击实试验，确定最佳含水率、最大干密度。根据试验结果，在m为3%、5%条件下，水泥稳定碎石材料最佳含水率分别为4.9%、5.2%，最大干密度为2.324、2.352 g/cm3。

2 乳化沥青水泥稳定碎石强度分析

水泥水化作用和乳化沥青破乳粘结是水泥稳定碎石材料强度形成的基础[16]，分析不同水泥与沥青质量比下，水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度与弯拉强度。

2.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是表征半刚性基层材料性能的重要指标。按照文献[17]对试件成型并养护7 d后，测试试件的无侧限抗压强度，如表3所示(n为乳化沥青与石料的质量比)。

表3 乳化沥青水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度试验结果

由表3可知：m相同的情况下，随n的增大，水泥稳定碎石材料无侧限抗压强度呈下降趋势；在m=3%时，n=2%的乳化沥青水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度比n=0时降低了14.29%；n=4%的乳化沥青水泥稳定碎石材料的无侧限抗压强度比n=0降低了37.14%。

通常条件下，道路基层的7 d无侧限抗压强度应不低于2.5 MPa[18]。由表3可知：当m=3%、n=4%时，7 d无侧限抗压强度测试结果不满足基层材料应用要求，因此在实际应用中应注意乳化沥青与石料质量比的控制。

试验结果表明n对水泥稳定碎石材料的抗压强度有一定影响，乳化沥青掺入水泥稳定碎石材料后，虽然可填充水泥稳定碎石材料的大量孔隙，使骨架更密实，但乳化沥青包裹在水泥水化晶体表面，阻碍了水泥的进一步水化反应，降低了水泥稳定碎石材料的整体抗压强度[19]。

2.2 弯拉强度

采用标准条件养护28 d后的梁式试件，在试验机上采用三分点应变加载模式测试弯拉强度指标，记录试件破坏时的弯拉强度与极限变形量，如表4所示。弯拉强度测试过程与结果能较好反映道路基层在车轮荷载作用下的工作性能及特点[20]。

表4 乳化沥青水泥稳定碎石材料弯拉强度及极限变形量试验结果

由表4可知：m相同时，水泥稳定碎石材料的弯拉强度随n的增大呈下降趋势；当m=3%时，n=2%的水泥稳定碎石材料的弯拉强度比n=0时约降低6.87%，极限变形量约增大45.16%；当m=3%时，n=4%的水泥稳定碎石材料的弯拉强度比n=0时约降低12.21%，极限变形量约增大100.00%；n相同时，水泥稳定碎石材料的弯拉强度随m的增大而增大，极限变形量随m的增大而减小。

n对水泥稳定碎石材料的抗弯拉性能有一定影响。沥青柔性好、延度大，掺入乳化沥青后，水泥稳定碎石材料的柔韧性能得以改善[21-22]，抗弯拉变形能力有了明显提高。

3 乳化沥青水泥稳定碎石路用性能

3.1 冻融试验

采用冻融试验评价半刚性基层的抗冻性能，测试经过5次冻融循环后的成型试件的饱水无侧限抗压强度，与冻前饱水无侧限抗压强度进行对比。残留抗压强度比为试件经过5次冻融循环后的饱水无侧限抗压强度与冻前饱水无侧限抗压强度之比，如表5所示。

表5 乳化沥青水泥稳定碎石材料残留抗压强度比试验结果 %

由表5可知：m相同时，随n的增大，水泥稳定碎石材料的残留抗压强度比增大；当m=3%，n=2%时，水泥稳定碎石材料的残留抗压强度比比n=0时约增大5.18%；当m=3%，n=4%时,水泥稳定碎石材料的残留抗压强度比比n=0时约增大11.74%；在n相同时，残留抗压强度比随m的增大而降低。

n对水泥稳定碎石材料的抗冻性能有一定影响，乳化沥青掺入水泥稳定碎石材料后，可填充大量孔隙，水泥稳定碎石材料整体更为密实[23]，减小水进入孔隙的可能，乳化沥青包裹在水泥表面，减弱了后期水对水泥及水泥稳定碎石材料的整体影响。

3.2 干缩性能

采用半刚性基层的干缩性能评价材料由于水的质量分数变化而引起的体积收缩现象。测试成型试件按标准方法养护7 d后的干缩系数α，试验结果如表6所示。

表6 乳化沥青水泥稳定碎石材料的α试验结果

由表6可知：m相同时，随n的增大，水泥稳定碎石材料的α减小；在m=3%时，n=2%的水泥稳定碎石材料的α比n=0时降低15.26%，n=4%的水泥稳定碎石材料的α降低比n=0时33.47%；n相同时，α随m的增大而增大。

掺入乳化沥青后，水泥稳定碎石材料的α减小，基层抗低温开裂性能提高，道路整体的耐久性能提高。

3.3 温缩性能

温缩性能是温度降低导致材料体积整体发生的收缩现象。通常在半刚性基层施工后，材料的收缩是因含水率变化而导致的干燥收缩与温度变化导致的温度收缩共同作用形成[24]。按标准方法成型试件后，采用仪表法进行温缩系数γ测定，试验中测试温度设定为30、20、10、0、-10、-20 ℃，结果如表7所示。

表7 乳化沥青水泥稳定碎石材料的γ试验结果

由表7可知：m相同时，随n的增大，水泥稳定碎石材料的γ减小；在m=3%时，n=2%的水泥稳定碎石材料的γ比n=0时约降低8.63%，n=4%的水泥稳定碎石材料的γ比n=0时约降低19.98%；在n相同时，γ随m的增大而增大。

在水泥稳定碎石中掺入一定量的乳化沥青，材料的γ降低，温缩性能明显提高，水泥稳定碎石材料整体的抗收缩性得到改善。

4 乳化沥青水泥稳定碎石施工性能

采用和易性试验分析乳化沥青水泥稳定碎石材料的施工性能。和易性试验可分析与表征材料的工作性能，以碎石材料在拌和过程中产生的稳定扭矩为指标，判断与评价在特定条件下水泥稳定碎石材料是否适合摊铺与碾压[25]。测试水泥稳定碎石材料在拌和过程中形成的稳定扭矩，扭矩相同时即认为材料的工作性能相近，排除矿料级配类型、水泥用量等因素影响，认为在该条件下水泥稳定碎石材料的施工特性相似，施工中摊铺与碾压的难易程度相似[26]。

试验中测试设备的搅拌频率为35 Hz，水泥稳定碎石材料质量为20 kg。试验时每个拌和时间测试5组，m=3%，稳定扭矩结果取平均值，如表8所示。

表8 水泥稳定碎石材料和易性能试验稳定扭矩结果

根据文献[27]，水泥稳定碎石材料采用集中厂拌法施工时，延迟时间不应超过120 min。结合实际施工条件，将未掺乳化沥青水泥稳定碎石在拌和时间为120 min时的扭矩作为施工中适合材料摊铺时的扭矩。由表8可知：适合摊铺的水泥稳定碎石材料扭矩为2.846 N·m。m不同时，对掺入乳化沥青后的水泥稳定碎石材料进行和易性能测试，试验中水泥稳定碎石材料的拌和后养护时间均为60 min，测试结果如表9所示。