基于试验对沥青混凝土水稳定性及耐久性的研究

周洁

摘要 为研究在延长沥青混凝土浸水时间下的水稳定性和不同水泥掺量对沥青混凝土耐久性的影响，通过试验的研究方法进行分析，研究结果表明：水泥填料有利于提高沥青混凝土水溶液的pH值；水泥填料的沥青混凝土试件随着浸水时间的延长，水稳定系数不断增大，有利于提高其水稳定性；在相同的压缩应力作用下，水泥填料试件的压缩应变较大，能提高试件的密实度。在相同的条件下，相比石粉，水泥填料能改善沥青混凝土的耐久性能，同时添加一定量的石粉，能改善水泥的水化作用，进一步增强沥青混凝土的耐久性能。

关键词 浸水时间；沥青混凝土；水稳定性；填料

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）24-0120-04

0 引言

随着我国经济的持续快速发展，水电建设得到了很好的发展机会[1]，沥青混凝土心墙坝因具有较为简单的结构、防渗的性能较好、施工方便简洁、适应性强等特点得到广泛应用，使得沥青混凝土也得到极大地发展，在沥青混凝土心墙坝相关的研究中有赵永利等[2]通过试验对不同浸水条件下的沥青混合料进行研究，研究表明浸水条件对沥青混合料残留稳定度的影响显著；吴礼任等[3-4]通过浸水马歇尔试验和劈裂试验研究了孔隙率对沥青混合料的影响，研究表明沥青混合料的水稳定性和残留强度与孔隙率的大小有关；另外在沥青混凝土耐久性方面的研究，有王民等[5-6]对比分析不同比例水泥代替矿粉后沥青胶浆的延度、软化点等性能，分析得到水泥代替矿粉后沥青混凝土的性能影响；张嘎吱等[7]通过研究发现，在潮湿的环境中掺入干水泥会阻碍水分子向集料-沥青界面的渗入；何建新等[8]通过研究发现，采用水泥作为填料能改善沥青混凝土的水稳定性能。

现有的研究已取得一定成果，但在浸水时间长短对沥青混凝土水稳定性能影响的研究，以及多种不同组合水泥掺量的沥青混凝土耐久性对比研究还存在不足，为此该文通过试验对原材料的基本性能进行检测，对试验方法进行介绍，对石粉填料沥青混凝土与水泥填料沥青混凝土在不同浸水时间的水稳定性能进行对比分析，希望该文的研究能促进行业的发展。

1 原材料性能试验

该次试验所采用的原料主要包括沥青、水泥、石粉、粗集料与细集料，该文对其基本性能进行试验检测，具体如下所述。

1.1 沥青

该次试验所采用的沥青为70#道路石油沥青，其基本性能如表1所示。

從表1中的试验检测结果可以看出，该次试验所采用的沥青符合要求。

1.2 水泥

该次试验所采用的水泥为42.5级的普通硅酸盐水泥，其基本性能如表2所示。

从表2中的试验检测结果可以看出，该次试验所采用的水泥符合要求。

1.3 粗集料

该次试验所采用的粗集料为天然砾石骨料，其粒径约为2.39～19 mm，其基本性能如表3所示。

从表3中的试验检测结果可以看出，该次试验所采用的粗集料符合要求。

1.4 细集料

该次试验所采用的细集料为天然沙，其粒径约为0.075～2.36 mm，其基本性能如表4所示。

从表4中的试验检测结果可以看出，该次试验所采用的细集料符合要求。

1.5 石粉

该次试验所采用的石粉，其基本性能如表5所示。

从表5中的试验检测结果可以看出，该次试验所采用的石粉符合要求。

2 浸水时间对沥青混凝土水稳定性能影响研究

2.1 试验方法

沥青混凝土水稳定试验的常用试验方法有水稳定试验、浸水马歇尔试验和劈裂试验三种试验方法，以下对这三种试验进行简要介绍。

水稳定性试验：对沥青混凝土进行水稳定试验主要是为了得到沥青混凝土在浸水后的抗压强度，通过浸水前和浸水后的抗压强度得到沥青混凝土的水稳定系数，从而评定其水稳定性能优劣。该试验过程中需要将试件进行分组，其中一组试件放置在环境温度为19～21 ℃中放置48 h；另外一组试件先放入温度为59～61 ℃的水中浸泡48 h，然后放置在环境温度为19～21 ℃中48 h，分别测试试件的抗压强度。

浸水马歇尔试验：通过试验得到的残留稳定度来评价沥青混凝土的水稳定性能，在试验的过程中将试件分为两组，一组试件在环境温度为60 ℃中放置30 min，随后测得试件稳定度值；另一组试件放入温度为60 ℃的水浴中放置48 h，取出测得试件的稳定度。对比二者的稳定度即可得到浸水残留稳定度值。

劈裂试验：该试验主要包括浸水劈裂试验、真空泡水劈裂试验和冻融劈裂试验三种，通过试验得到的劈裂强度比来评定沥青混凝土的水稳定性。

为研究浸水时间的长短对沥青混凝土水稳定的影响，因此采用水稳定性试验对石粉填料沥青混凝土和水泥填料沥青混凝土进行研究。试验的时间分为5组，分别为48 h、96 h、144 h、192 h和240 h。

2.2 试验结果分析

2.2.1 pH值对比分析

在保证水温不变的情况下，随着浸泡时间的延长对不同填料的沥青混凝土进行pH值的检测，具体结果如表6所示。

从表6中可以看出，水泥填料沥青混凝土和石粉填料沥青混凝土浸水后的pH值均比浸水前要大，水泥填料的沥青混凝土在浸水48 h后水溶液的pH值有明显的突变，随后水溶液的pH值趋于平缓下降趋势，主要是因为水泥的水化产物氢氧化钙在水中溶解，从而导致水溶液的pH值上升；石粉填料浸水48 h后水溶液的pH值变化不大，并且随浸水时间的延长水溶液的pH值基本保持不变，主要是因为浸水10 min的碳酸钙不会水化生成氢氧化钙。

2.2.2 水稳定性对比分析

在保证水温不变的情况下，随着浸泡时间的延长，对不同填料的沥青混凝土的密度、孔隙率、最大抗压强度和空气中的抗压强度及水稳定系数进行统计分析，具体结果如表7所示。

从表7中可以看出，石粉填料沥青混凝土试件的孔隙率在1.16%～1.36%，在空气中的抗压强度值约为1.34 MPa，随着试件浸水时间的延长，试件的抗压强度值逐渐减小，当浸水时间达到240 h时，试件的抗压强度为1.16 MPa，相比浸水48 h时的抗压强度减小约12.78%，并且此时的水稳定系数仅为0.85，小于0.9，不满足要求。主要是因为随着浸水时间的延长，水分子进入试件的开口孔隙中，沥青膜被水分子穿透导致沥青与矿料的界面存在较多的水分子，降低了沥青与骨料的黏附，从而降低了沥青混凝土的黏结力，导致抗压强度减小，随着浸水时间的延长，矿料沥青混凝土被水损坏的程度增大，水稳定性能下降；水泥填料沥青混凝土试件的孔隙率在1.07%～1.41%，在空气中的抗压强度值约为1.3 MPa，随着试件浸水时间的延长，试件的抗压强度值逐渐增大，水稳定系数也逐渐增大；当浸水时间达到240 h时，试件的抗压强度为1.48 MPa，相比浸水48 h时的抗压强度增大约11.27%，并且此时的水稳定系数为1.12，大于0.9，满足要求。主要是因为随着浸水时间的延长，水与水泥发生水化作用产生的水化物阻止水分的浸入，并且该水化产物能与呈酸性的沥青发生化学反应，增加骨料与沥青的黏附性，从而提高试件的抗压强度，使得水泥填料的水稳定系数不断增大，改善了沥青混凝土试件的水稳定性能。

2.2.3 应力应变分析

为进一步分析不同填料对沥青混凝土性能的影响，该文采用万能试验机对浸水96 h试件的压缩应力与应变、浸水240 h试件的压缩应力与应变进行分析。

试验发现水泥填料的沥青混凝土试件应力比石粉填料的沥青混凝土试件要大，在浸水96 h后，水泥填料沥青混凝土试件的压缩应力随应变的增加增长较快，随后趋于稳定，而石粉填料沥青混凝土试件的压缩应力变化，呈现先减小后增大到再减小的过程，主要是因为随着浸水时间的延长，水与水泥的作用使得试件内部产生水泥石，从而使试件更加密实，而石粉与水不发生水化反应。随着浸水时间的延长，水分进入试件内部越多，试件被水损害的程度将会越大。

3 不同水泥掺量的沥青混凝土耐久性影响研究

3.1 试验配合比设计

为研究不同水泥掺量对沥青混凝土性能的影响，该文设置多组不同掺量配合比制作沥青混凝土试件，具体的配合比设计如表8所示。

3.2 试验准备

该次试验的试件通过标准马歇尔击实仪击实成型，试件的直径为100 mm，高度为100 mm，控制试验的温度，室内环境的温度为20 ℃，水浴恒温箱的水温分别为80 ℃和60 ℃，为测得试件的抗压强度采用万能试验机进行试验，加载的速率控制在1 mm/min。抗压强度的计算按公式（1）进行计算，压缩应变的计算按公式（2）进行计算。

抗压强度计算公式：

式中，P——试件受压时的最大荷载（N）；A——试件的受荷面积（mm2）；Rc——实际的抗压强度（MPa）。

压缩应变计算公式：

式中，ε——试件最大应力时的应变值；H——试件的高度（mm）；δ——实际的最大垂直变形（mm）。

3.3 试验过程

该次试验一共制作54个试件进行试验，将其分成6组，每组试件9个，试验时先将第一组试件放置在20 ℃的环境中，48 h后直接进行试验，测得试件在空气环境中的指标。另外5组试件，每组试验对应的浸水时间分别为75 h、225 h、375 h、750 h和1 500 h，水中的温度设置为80 ℃，待浸水时间完成后将试件取出，再放在水温为20 ℃的水中恒温2 h，最后将试件取出进行试验，测得试件的指标。

3.4 试验结果分析

3.4.1 水稳定系数分析

试验过程中发现，当试件在80 ℃的水中浸泡一段时间后，在水泥填料的试件组中可以发现有大量的白色悬浮物，并且随着浸水时间的延长，试件的表面会出现气泡。说明高温下水分子浸入到试件内部，待试验结束将试件取出，测得试验数据，按公式进行稳定系数的计算，具体结果如表9所示。

从表9中可以看出，当水泥的掺量为0%，石粉的掺量为12%时，在不同的浸水时间条件下，沥青混凝土的水稳定系数均小于0.9，不满足规范要求；当浸水时间达到1 500 h时，石粉沥青混凝土的水稳定系数仅有0.69，这是因为在高温的水浴环境中，水分子进入试件内部的速度较快，水分子与沥青混凝土中的骨料结合增多，使得粗细集料与沥青被剥离，从而导致试件受到水损害增强，水稳定性能下降；当水泥的掺量为12%，石粉的掺量为0%时，沥青混凝土的水稳定系数均大于0.9，在不同的浸水时间条件下，沥青混凝土的水稳定系数大于0.9，均满足规范的要求，其中当浸水的时间达到375 h时，试件的水稳定系数最高；在高温的水浴环境中，水分进入沥青混凝土内部的量增大，与水泥发生化学反应生成的水化物能增强骨料与沥青的黏附性，随着浸水时间的延长，试件的水稳定系数又出现下降的变化，试件内部的水泥被水化完；当水泥的掺量为6%，石粉的掺量也为6%时，在不同的浸水时间条件下，试件的水稳定系数出现先增大后减小的变化趋势，并且水稳定系数值均大于0.9，均能满足规范的要求；当浸水时间为达到375 h时，水稳性系数达到最大，约为1.01，该值比在水泥掺量为12%，石粉掺量为0%时要大，主要是因为石粉的加入能对试件内部的空隙进行填充，使沥青与骨料的黏附性得到增强。由此可见，水泥填料能改善沥青混凝土的耐久性，石粉的加入能改善水泥的水化作用，增加有效水化产物，使沥青混凝土具体更好的性能。

3.4.2 抗压强度分析

在保证水温不变的情况下，随着浸泡时间的延长对不同水泥掺量沥青混凝土的抗压强度进行统计分析，具体结果如表10所示。

从表10可以看出，当水泥的掺量为0%，石粉的掺量为12%时，试件的抗压强度随着浸水时间的延长而逐渐减小；当水泥的掺量为12%，石粉的掺量为0%时，试件的抗压强度随着浸水时间的延长呈现出先增大后减小的变化，并且在浸水375 h时达到最大；当水泥的掺量为6%，石粉的掺量为6%时，试件的抗压强度随着浸水时间的延长呈现出先增大后减小的变化，并且在浸水375 h时达到最大。相比这三种掺量情况，当水泥摻量为6%时试件的抗压强度最大，主要是因为水泥与水的水化产物能与石粉中小直径的颗粒发生反应，产生具有一定强度的水化产物，能填充沥青混凝土的孔隙，降低沥青混凝土的孔隙率，从而提高沥青混凝土的抗压强度。

3.4.3 应力应变分析

为进一步分析不同水泥掺量对沥青混凝土性能的影响，该文采用万能试验机对未浸水试件的压缩应力与应变和浸水1 500 h试件的压缩应力与应变进行分析。

试验发现，未浸水且水泥掺量为12%，石灰掺量为0%时，试件的压缩应力-应变曲线的斜率最大；水泥掺量为0%，石粉掺量为12%时，试件的压缩应力-应变曲线斜率第二；水泥掺量为6%，石粉掺量为6%时，试件的压缩应力-应变曲线最小。这主要是因为水泥和石灰同时掺入沥青混合料中能改变沥青混凝土试件的柔和性；并发现随着浸水时间的增加，不同水泥掺量的试件其压缩应力-应变曲线斜率较为接近，主要是因为在长期的浸水作用下，试件内部的水分不断增大，在受压过程中，水分被压出。但相比三者不同的水泥掺量，可以发现当水泥的掺量为6%时试件的压缩应力-应变曲线最大，说明在水泥和石粉填料都存在的情形下，能提高沥青混凝土的耐久性能。

4 结论

该文通过对不同填料沥青混凝土的水稳定性能进行研究，研究结果表明：水泥填料的沥青混凝土水溶液pH值可以达到12，而石粉填料的沥青混凝土水溶液pH值仅为9左右；石粉填料的沥青混凝土试件在浸水240 h后水稳定系数不能满足要求，而采用水泥填料的沥青混凝土试件随着浸水时间的延长水稳定系数不断增大；相比水泥填料与石粉填料的沥青混凝土试件，在相同的压缩应力作用下，水泥填料试件的压缩应变较大，能提高试件的密实度。在相同的条件下，相比石粉，水泥填料能改善沥青混凝土的耐久性能，同時添加一定量的石粉，能改善水泥的水化作用，进一步增强沥青混凝土的耐久性能。

参考文献

[1]林宝玉， 丁建彤. 水工材料的发展前景展望[J]. 中国水利， 2006（20）： 61-63.

[2]赵永利， 吴震， 黄晓明. 沥青混合料水稳定性的试验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版）， 2001（3）： 99-102.

[3]吴礼任. 沥青混合料水稳定性评价方法的研究[J]. 科学之友， 2007（10）： 11-12.

[4]江涛， 况小根. 沥青混合料水稳定性评价方法研究[J]. 华东公路， 2006（3）： 72-74.

[5]王民， 朱梦良， 王英俊， 等. 水泥代替矿粉对沥青混合料性能的影响分析[J]. 重庆建筑大学学报， 2007（6）： 121-125.

[6]彭勇登. 水泥替代矿粉对沥青胶浆性能的影响[J]. 中外公路， 2006（1）： 147-150.

[7]张嘎吱， 王永强. 掺干水泥的沥青混合料水稳性研究[J]. 公路， 2004（6）： 131-134.

[8]何建新， 朱西超， 杨海华， 等. 采用砾石骨料的心墙沥青混凝土水稳定性能试验研究[J]. 中国农村水利水电， 2014（11）： 109-112.