彩色水泥灌漿瀝青混合料的路用性能

郝培文，劉元烈，劉 濤，王 春

1. 長安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065 2. 陜西高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安 710065

0 引言

彩色水泥灌漿瀝青路面是將經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的彩色水泥膠漿灌入到多孔開級(jí)配瀝青混合料空隙之中而形成的路面。彩色水泥灌漿瀝青混合料作為彩色路面用材料的一種，除具有多彩的外觀外，其路用性能也很重要。本文主要研究該復(fù)合材料的路用性能。

1 原材料

瀝青采用埃索70#瀝青， 集料采用石灰?guī)r。水泥選用425普通硅酸鹽白色水泥，測(cè)定結(jié)果見表1。膠結(jié)料、砂、礦粉、水、外加劑和色粉等組成。

參照日本道路協(xié)會(huì)《ァスファルト鋪裝要綱》（平成四年修訂版），水泥灌漿瀝青路面用水泥膠漿的主要性能指標(biāo)如表2所示。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

砂選用福建產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)砂，為了能使水泥膠漿中的砂容易灌入瀝青混合料的空隙中，其0.6 mm篩孔的通過率要大于80%，最大粒徑不能超過1.18 mm。

色粉選用紅色、綠色、黃色等色粉。外加劑采用早強(qiáng)劑和減水劑。

2 彩色水泥膠漿的設(shè)計(jì)

作為彩色灌漿瀝青路面用水泥膠漿，它主要由水泥水泥膠漿的配比可以通過不同水平和影響因素經(jīng)大量試驗(yàn)確定，也可借鑒以往的經(jīng)驗(yàn)縮小范圍，經(jīng)少量試驗(yàn)確定。本文借鑒以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同配方的水泥膠漿進(jìn)行試驗(yàn)，確定早強(qiáng)型彩色水泥膠漿配比為：水灰比0.52，砂用量20%，礦粉用量10%，色粉用量4%，早強(qiáng)劑用量2%，減水劑用量0.1%（占水泥質(zhì)量的百分比）。1 d抗壓強(qiáng)度為5.40 MPa，達(dá)到開放交通要求。7 d抗折強(qiáng)度為4.13 MPa，抗壓強(qiáng)度為12.3 MPa ，可見該水泥膠漿性能完全達(dá)到要求。

表2 水泥膠漿性能指標(biāo)

為使水泥膠漿在施工時(shí)段內(nèi)仍然滿足流動(dòng)度的要求，測(cè)定其經(jīng)過不同時(shí)間的流動(dòng)度（室溫20 ℃），結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，水泥膠漿的流動(dòng)度隨時(shí)間的延長而增大。這與水化作用的增加以及水分的散失有關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果可知，該水泥膠漿70 min內(nèi)流動(dòng)度小于14 s，保證了施工期間內(nèi)流動(dòng)性滿足要求。

3 基體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 瀝青混合料級(jí)配

由于基體瀝青混合料設(shè)計(jì)的空隙率高達(dá)20%以上，其最終力學(xué)性能又依賴于填充的水泥膠漿，因此馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果不能使用現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。參照國外的研究，基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)空隙率要求在20%~28%，瀝青用量在3.0%~4.5%，具體指標(biāo)要求如表3所示。

選用具有大空隙率特性的瀝青混合料作為水泥灌漿瀝青路面用基體瀝青混合料, 由于中國還未有該種級(jí)配的推薦范圍，借鑒日本《ァスファルト鋪裝要綱》推薦的瀝青混合料級(jí)配，如表4所示。

選取設(shè)計(jì)空隙率為26%，參照以上級(jí)配范圍選定幾種級(jí)配，按3.4%的初試油石比成型試件，對(duì)比空隙率及灌漿情況（水泥漿是否能順利灌入，以及填充空隙情況），最后擬訂設(shè)計(jì)級(jí)配，如圖2所示，級(jí)配成型試件空隙率為26%。

3.2 確定最佳瀝青用量

本研究采用馬歇爾設(shè)計(jì)法確定瀝青用量，并只考慮密度、空隙率、穩(wěn)定度和流值幾個(gè)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3所示。

最后根據(jù)密度、設(shè)計(jì)空隙率、穩(wěn)定度和流值等參數(shù)，選取最佳瀝青用量（OAC）為3.5%，空隙率為26.5%，連通空隙率為24.3%。圖4為設(shè)計(jì)成型的多空隙基體瀝青混合料試件。

4 彩色水泥灌漿瀝青混合料的路用性能

根據(jù)擬訂的級(jí)配和最佳瀝青用量成型瀝青混合料試件，然后將提前拌好的彩色水泥膠漿灌入其中，養(yǎng)生7 d后進(jìn)行各項(xiàng)路用性能試驗(yàn)。本研究采用瀝青混合料的各種評(píng)價(jià)方法來評(píng)價(jià)該復(fù)合材料的性能，并于常用的AC-13瀝青混合料做對(duì)比。圖5即為幾種彩色水泥灌漿瀝青路面的表觀圖，圖6為剖面圖。

4.1 高溫穩(wěn)定性

彩色水泥灌漿瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

現(xiàn)行規(guī)范采用動(dòng)穩(wěn)定度作為瀝青混合料的高溫性能技術(shù)指標(biāo)，認(rèn)為動(dòng)穩(wěn)定度越大，其高溫性能越好，經(jīng)過多年實(shí)踐已證明了該評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性。現(xiàn)行瀝青混合料技術(shù)規(guī)范給出了七月份平均氣溫大于30 ℃時(shí)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度要求，見表5。

彩色水泥灌漿瀝青路面的動(dòng)穩(wěn)定度為12 660.7次·mm－1，是普通瀝青混合料AC-13C的9.8倍，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范對(duì)于上述各種瀝青混合料的要求，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

由圖7還可看出，該種復(fù)合材料的車轍相對(duì)變形也很小，在60 min時(shí)還不到2%，這也證明了該材料的優(yōu)良高溫性能。圖8為經(jīng)過車轍試驗(yàn)后的試件，可以發(fā)現(xiàn)表面幾乎看不出車轍痕跡。

不論從動(dòng)穩(wěn)定度還是從車轍相對(duì)變形來看，都可以看出彩色水泥灌漿瀝青路面復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性非常好。

4.2 彩色水泥灌漿瀝青混合料水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

根據(jù)中國氣候分區(qū)特征，現(xiàn)行規(guī)范給出了瀝青混合料水穩(wěn)定性的技術(shù)要求，如表6所示。

由圖9可以看出，彩色水泥灌漿瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別比普通的AC-13C瀝青混合料大21.5%和20.7%，這說明其抗水侵害能力比普通瀝青混合料強(qiáng)；其浸水48 h殘留穩(wěn)定度達(dá)到108.7%，也遠(yuǎn)大于對(duì)表6中各混合料的要求，適用于潮濕地區(qū)，而且凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度比TSR也可達(dá)77.5%，可以達(dá)到普通瀝青混合料在潮濕地區(qū)的要求，證明其有良好的水穩(wěn)定性。

4.3 低溫抗裂性能

小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

由圖10可以看出以下幾點(diǎn)。

（1）從-10 ℃抗彎拉強(qiáng)度來看，彩色水泥灌漿瀝青混合料比AC-13C型瀝青混合料小，這說明低溫下該復(fù)合材料承受荷載的能力比AC-13C型瀝青混合料略小。

（2）從破壞彎拉應(yīng)變來看，該復(fù)合材料的低溫破壞彎拉應(yīng)變要大于AC-13C瀝青混合料，是其1.7倍多，這又說明復(fù)合材料破壞時(shí)的低溫延展性比該瀝青混合料強(qiáng)。

（3）該復(fù)合材料的彎曲勁度模量比AC-13C瀝青混合料小得多，差不多為AC-13C混合料的1/3，勁度模量越大說明脆性越強(qiáng)，低溫性能越不好，從這點(diǎn)上可以看出水泥灌漿瀝青混合料的低溫抗裂性好。

（4）從低溫應(yīng)變能來看，彩色水泥灌漿瀝青混合料比瀝青混合料大16.7%，說明在受低溫破壞時(shí)水泥灌漿瀝青混合料比AC-13C瀝青混合料稍大，低溫抗裂性強(qiáng)。

綜合以上分析認(rèn)為，彩色水泥灌漿瀝青混合料的低溫性能與普通AC型密級(jí)配瀝青混合料相當(dāng)。

4.4 疲勞性能

不同混合料的疲勞方程圖如圖11所示。

由圖11可見，彩色水泥灌漿瀝青混合料的疲勞方程曲線位于AC-13C瀝青混合料的上側(cè)，疲勞曲線越靠上，說明其疲勞性能越好，故該復(fù)合材料的疲勞性能要優(yōu)于普通瀝青混合料。

5 結(jié)語

本文研究了彩色水泥灌漿瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，包括彩色水泥膠漿的配比和基體瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)其復(fù)合材料進(jìn)行了高溫穩(wěn)定性、抗水損害性能、低溫抗裂性和疲勞特性的檢驗(yàn)。可以得出以下結(jié)論。

（1）彩色水泥灌漿瀝青路面具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，在高溫地區(qū)使用效果良好。

（2）彩色水泥灌漿瀝青路面抗水損害性能較強(qiáng)，適用于多雨潮濕的地區(qū)。

（3）彩色水泥灌漿瀝青復(fù)合材料的低溫性能與普通密級(jí)配瀝青混合料相當(dāng)，但要用于低溫嚴(yán)酷的地區(qū)仍需進(jìn)一步研究，以采取一定措施提高其低溫性能。

（4）彩色水泥灌漿瀝青復(fù)合材料的疲勞性能優(yōu)于AC型密級(jí)配瀝青混合料。

（5）基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)要注重其空隙率?？障堵赎P(guān)系到水泥膠漿灌入的多少和能否順利灌入，從而影響到復(fù)合材料的性能。一般來說，母體瀝青混合料空隙率越大，水泥膠砂所占比例就會(huì)越大，剛性越強(qiáng)，高溫性能就越好；空隙率越小，就越偏于柔性，低溫性能就越好。