基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料性能研究

2024-05-07牟俊杰

粘接 2024年3期

摘要：为合理循环利用返修沥青路面生成的沥青铣刨料，以沥青铣刨料为集料制备了公路面层用水泥基复合材料，并对其性能进行了测试表征，结果发现，沥青铣刨料并不会影响水泥基复合材料抗压强度;随着沥青铣刨料掺入量增加，水泥基复合材料抗折强度增大，初裂强度先快速下降再趋向于平缓，极限拉伸强度未明显变化，拉伸应力显著提高，基体断裂韧度有所降低;增稠剂对水泥基复合材料基体强度影响较小，但增稠剂掺入量需合理控制;沥青铣刨料粒径范围增大趋势下，水泥基复合材料抗压强度与抗折强度均明显提高，初裂强度整体下降，拉伸性能有所衰减。

关键词：沥青铣刨料;公路面层;水泥基复合材料;抗压强度;断裂韧度

中图分类号：TQ177.6+3

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0077-05

Research on the performance of cement based

composite materials for highway surface layer

based on asphalt milling materials

MU Junjie

（Yinchuan Branch of Ningxia Highway Management Center，Ningxia Yinchuan，750001

）

Abstract：In order to reasonably recycle the asphalt milling material generated from repairing asphalt pavement，cement-based composite materials for highway surface layer were prepared using asphalt milling material as aggregate，and their properties were tested and characterized.The results showed that asphalt milling material had no impact on the compressive strength of cement based composite materials.With the increase of asphalt milling material，the flexural strength of cement-based composites increased，the initial cracking strength first decreased rapidly and then became gentle，the ultimate tensile strength did not change significantly，the tensile stress increased significantly，and the fracture toughness of the matrix decreased.The thickener had little effect on the strength of the cement-based composite matrix，but the amount of thickener should be reasonably controlled.Under the trend of increasing the particle size range of asphalt milling materials，the compressive strength and flexural strength of cement based composite materials were significantly improved，while the initial crack strength decreased overall，and the tensile performance decreased to some extent.

Key words：asphalt milling material;highway surface layer;cement based composite materials;compressive strength;fracture toughness

瀝青路面基于交通载荷与自然环境多重作用，在使用既定年限之后，使用性能持续下降，甚至出现各种类型或者不同程度的病害，从而影响车辆稳定行驶与路面使用寿命。而沥青路面翻修势必会形成大量废旧沥青铣刨料，处理时需消耗大量人力物力财力，且会导致环境污染，引发资源浪费［1-2］。沥青路面翻修产生的沥青铣刨料中沥青由于长期使用与氧化作用，其中轻质油分含量少，胶质与沥青质多，性能已达到稳定状态，循环利用也不会变质，可有效发挥集料作用［3］。而水泥基复合材料以稳定应变硬化特质、拉伸延性、裂缝控制能力得以在公路安全性、耐久性强化中深受青睐［4］。沥青铣刨料回收利用的主要用途便是公路面层，以其为集料制备水泥基复合材料，不仅可避免资源浪费，还可提高公路耐久性［5-6］。据此，本文基于沥青铣刨料制备了公路面层用水泥基复合材料。

1 试验部分

1.1 试验材料

基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料制备材料包括：水泥（P·Ⅱ42.5R），西安市林亚水泥销售有限公司;粉煤灰（Ⅰ级），石家庄驰霖矿产品有限公司;河砂，河北汇顺矿业有限公司;沥青铣刨料（沥青含量约6.9%），河北汇顺矿业有限公司;减水剂（粉状聚羧酸类减水剂，减水率达20%），廊坊神齐节能科技有限公司;增稠剂（粉体多糖类纤维素增稠剂），河南元春化工有限公司;聚乙烯醇纤维，山东汇邦新材料科技有限公司;自来水。

1.2 试验仪器

基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料制备用设备包括：搅拌机（行星式），世赫智能设备有限公司;材料试验系统（MTS810），美国MTS Systems公司;液压伺服万能试验机（MTS810），美斯特工业系统有限公司。

1.3 试样制备

将水泥、粉煤灰、沥青铣刨料、减水剂、增稠剂等干混料放置于搅拌机内以140 r/min速率持续搅拌2 min，直至混合均匀;添加自来水搅拌，直至干混料成为浆体形态，继续以280 r/min速率搅拌4 min，直至混合均匀;以140 r/min速率持續搅拌，并缓慢添加聚乙烯醇纤维，在完全添加之后，以280 r/min速率迅速搅拌4 min，以均匀分散纤维;浇筑时需要引导公路面层用水泥基复合材料新拌浆体由模具一侧逐渐流入模具另一侧，以确保纤维趋向于浇筑方向，试件成型之后表面覆盖保鲜膜养护1 d，以避免水分蒸发;试件脱模之后，基于温度20 ℃、湿度95%养护环境养护28 d后测试基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料性能［7-9］。

1.4 性能表征

1.4.1 抗折抗压强度

按照GB l7671—1999标准，将试样放置于抗压试验加载速率2.4 kN/s，各组6块；将试样放置于抗折试验加载速率50 N/s，各组3块，标准养护28 d后，各取其均值，以测试基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料的抗折抗压强度。

1.4.2 拉伸性能

按照《高性能纤维增强水泥基复合材料设计推荐标准》，将狗骨形状薄板试样标准养护28 d，利用材料试验系统，位移加载，以0.2 mm/min速率，对基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料进行单轴拉伸性能测试。

1.4.3 弯曲性能

按照ASTM—C1609标准，以液压伺服万能试验机，按照位移加载，以0.5 mm/min速率，通过线性位移传感器全过程记录纯弯路段跨中挠度，即基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料弯曲性能。

1.4.4 断裂韧度

按照《水工混凝土断裂试验规程》标准，于试样中央界面进行裂缝预制，缝高比0.4，表面贴切薄铝片，通过三点弯曲，下支座跨度150 mm，以50 N/s加载速度，对基于沥青铣刨料的公路面层用水泥基复合材料进行断裂韧度测试。

2 结果与分析

2.1 沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料性能影响

2.1.1 沥青铣刨料对水泥基复合材料配合比影响

沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料配合比影响，如表1所示（R-0为基准配合比，R-20为20%河砂以沥青铣刨料取代的材料配合比，R-60为60%河砂以沥青铣刨料取代的材料配合比，R-100为100%河砂以沥青铣刨料取代的材料配合比）。

2.1.2 沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料抗折抗压强度影响

沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料抗折抗压强度影响，如表2所示。

由表2可知，相比基准配合比的水泥基复合材料，由沥青铣刨料取代河砂的水泥基复合材料抗压强度整体未发生显著变化，说明沥青铣刨料的掺入并不会影响水泥基复合材料抗压强度，且抗压强度对于沥青铣刨料的取代并不抵触［10］;随着沥青铣刨料的掺入量增加，水泥基复合材料的抗折强度呈现出增大态势。

2.1.3 沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料单轴拉伸性能影响

沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料单轴拉伸性能影响，如表3所示。

由表3可知，在不同配合比下，基准配合比水泥基复合材料初裂强度最大。随着沥青铣刨料掺入量增加，水泥基复合材料初裂强度呈现为先快速下降再趋向于平缓，沥青铣刨料掺入量为20%时抗拉强

度变化最为显著。初裂强度与水泥基复合材料基体性能息息相关［11］，这表明沥青铣刨料的掺入在一定程度上推进了水泥基复合材料初裂强度的下降。随着沥青铣刨料掺入量增加，水泥基复合材料极限拉伸强度未明显变化，而拉伸应力显著提高，这主要取决于基体、纤维及其界面性质［12］。

2.1.4 沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料基体断裂韧度影响

沥青铣刨料掺入量对水泥基复合材料基体断裂韧度影响，如表4所示。

由表4可知，随着沥青铣刨料掺入量增加，水泥基复合材料基体的断裂韧度呈现下降趋势，与水泥基复合材料初裂强度下降态势相契合。基于表面自由能理论，优先破坏模式为沥青内聚破坏而非水泥与沥青界面粘接破坏或者界面过渡区域内聚破坏［13-14］。所以，沥青铣刨料表面的沥青薄膜强度较低，当裂缝在掺入沥青铣刨料的水泥基复合材料基体内扩展时，沥青膜自然会出现初始裂缝。

2.2 减水剂/增稠剂对水泥基复合材料性能影响

2.2.1 减水剂/增稠剂对水泥基复合材料配合比影响

减水剂/增稠剂对水泥基复合材料配合比影响，如表5所示。以水胶比0.3为前提，调节减水剂与增稠剂掺入量以转变新拌浆体状态，设定了2种不同模式，即固定增稠剂用量下不同减水剂用量（1.8、2.1、2.4、2.7、3.0 kg/m3）;固定减水剂用量下不同增稠剂用量（0.0、0.3、0.5、0.7、0.9 kg/m3）。

2.2.2 减水剂和增稠剂掺入量对水泥基复合材料单轴拉伸性能影响

减水剂掺入量对水泥基复合材料单轴拉伸性能影响如表6所示。

由表6可知，减水剂掺入量为1.8 kg/m3时水泥基复合材料初裂强度较低，这主要是由于减水剂掺入量过少，新拌浆体粘稠，内部气孔难以顺利排出，导致生成大量大体积空洞与缺陷［15-16］。

增稠剂掺入量对水泥基复合材料单轴拉伸性能影响如表7所示。

由表7可知，不同增稠剂掺入量的水泥基复合材料均在一定程度上实现了应变硬化。随着增稠剂掺入量增加，水泥基复合材料初裂强度呈现为先下降后上升的态势，整体变化偏小，说明增稠剂对水泥基复合材料基体强度影响较小;水泥基复合材料极限拉伸强度呈现先增大后缩小的趋势，掺入量为0.7 kg/m3时达到最高，说明增稠剂掺入量需合理控制，避免过多或者过少影响基体与纤维共同承担应力;水泥基复合材料极限拉伸应变呈现先增大后减小的状态，掺入量为0.7 kg/m3时达到最高，随后极速下降，说明增稠剂可有效提高拉伸延性，但是需有效控制，避免拉伸性能急剧恶化。

2.3 沥青铣刨料粒径对水泥基复合材料性能影响

2.3.1 沥青铣刨料粒径对水泥基复合材料配合比影响

以粒径0～0.60、0～1.00、0～1.43、0～2.00 mm沥青铣刨料制备水泥基复合材料。沥青铣刨料粒径对水泥基复合材料配合比影响，如表8所示。

2.3.2 沥青铣刨料粒径对水泥基复合材料抗折、抗压强度影响

沥青铣刨料粒径对公路面层用水泥基复合材料抗折、抗压强度影响，如表9所示。

由表9可知，在沥青铣刨料粒径范围增大趋势下，水泥基复合材料基体抗压强度整体有所降低，但并不明显，而抗折强度整体有所提高，但也不显著。水泥基复合材料抗压强度与抗折强度均相对更高，说明适度掺入纤维可在一定程度上增大水泥基复合材料抗压强度与抗折强度［17-19］。

2.3.3 沥青铣刨料粒径对水泥复合材料单轴拉伸性能影响

沥青铣刨料粒径对水泥基复合材料单轴拉伸性能影响，如表10所示。

由表10可知，在沥青铣刨料粒径范围逐渐增大的影响下，水泥基复合材料初裂强度整体下降，这与基体性质密切相关［20］，而且粒径范围增大時水泥基复合材料基体的抗压强度也有所降低，且整体呈现出下降趋势。极限拉伸强度与初裂强度变化规律类似，说明水泥基复合材料基体初裂强度比较低时，极限拉伸强度也会深受影响从而降低。由极限拉伸强度与拉伸应变而言，粒径为0～1.43 mm时，基于沥青铣刨料的水泥基复合材料拉伸性能有所衰减，性价比最佳，不仅可以有效利用沥青铣刨料资源为集料，还可确保水泥基复合材料满足性能要求。

3 结语

相比基准配合比的水泥基复合材料，由沥青铣刨料取代河砂的水泥基复合材料抗压强度整体未发生显著变化;随着沥青铣刨料的掺入量增加，水泥基复合材料的抗折强度呈现出增大态势，初裂强度呈现为先快速下降再趋向于平缓，极限拉伸强度未明显变化，而拉伸应力显著提高，断裂韧度呈现下降趋势;不同增稠剂掺入量的水泥基复合材料均在一定程度上实现了应变硬化;随着增稠剂掺入量增加，水泥基复合材料初裂强度呈现为先下降后上升的态势，整体变化偏小，极限拉伸应变呈现为先增大后减小的状态，增稠剂可有效提高拉伸延性，但是需有效控制;沥青铣刨料粒径范围增大趋势下，水泥基复合材料抗压强度与抗折强度均相对更高，而初裂强度整体下降，抗压强度也有所降低;极限拉伸强度与拉伸应变视角下粒径范围为0～1.43 mm时，拉伸性能有所衰减，性价比最佳。

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