水泥摻量對半開級超薄罩面水穩(wěn)定性影響試驗

張慶國

(宿松縣交通局路橋公司，安徽 宿松 246500)

1 概述

近年來，超薄罩面作為道路養(yǎng)護領(lǐng)域中較早的一種預防性養(yǎng)護技術(shù)發(fā)展迅速，厚度越來越薄，最薄能夠做到0.8 cm～1.5 cm，同時兼顧降噪、排水等功能[1-2]。綜合考慮耐久與功能性需求，多數(shù)超薄罩面瀝青混合料設計為半開級配，且要求瀝青膠結(jié)料為高黏瀝青或在混合料中摻入高黏改性劑[3-5]。對于開級配排水瀝青混合料，已有相關(guān)研究表明高黏瀝青或摻入高黏改性劑對混合料的力學性能均有顯著提升，但在浸水條件下，其力學性能下降幅度改善效果有限[6]。水泥常被用于替代礦粉來改善瀝青和石料的黏附性，從而提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但相關(guān)研究與工程應用均是針對密級配瀝青混合料[7-8]。本文將通過一些室內(nèi)試驗評估水泥對半開級配功能性超薄罩面水穩(wěn)定性的影響，為工程應用提供參考。

2 原材料

瀝青采用國產(chǎn)重交70號瀝青，3 mm～5 mm檔集料采用玄武巖，0 mm～3 mm檔集料為機制砂，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，各原材相關(guān)性能均滿足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定。水泥為海螺牌425普通硅酸鹽水泥。高黏改性劑采用交通部公路科學研究院研制的HVA。

3 配合比設計

參考大空隙OGFC混合料設計方法[9-10]，以12%為目標空隙率，進行配合比設計實驗?？紤]到HVA高黏改性劑是直投摻入，馬歇爾試件拌制過程控制如下：

集料加熱保溫溫度為190 ℃～200 ℃，瀝青加熱保溫溫度為145 ℃～155 ℃。

集料先與HVA高黏改性劑干拌30 s，之后加入瀝青濕拌15 s，最后加入礦粉繼續(xù)濕拌45 s。拌合后的混合料放入烘箱175 ℃保溫2 h。

馬歇爾試件擊實成型溫度170 ℃～175 ℃，擊實次數(shù)雙面各50次。

最終級配如表1所示，油石比為5.5%，HVA高黏改性劑摻量為瀝青質(zhì)量的10%，瀝青混合料性能如表2所示。

表1 母體瀝青混合料級配

表2 母體瀝青混合料實測性能

4 試驗方案與試驗方法

采用水泥分別替代0%，1%，2%，3%，4%的礦粉，按以上配合比和試件成型控制要求成型5組馬歇爾試件，分別按JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程進行浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度試驗、凍融劈裂試驗和浸水前后飛散試驗。

浸水馬歇爾試驗方法為：將成型好的標準馬歇爾試件分成2組，一組在60 ℃恒溫水槽中保溫30 min～40 min后測其馬歇爾穩(wěn)定度MS；另一組在60 ℃恒溫水槽中保溫48 h后測其馬歇爾穩(wěn)定度MS1。由式(1)計算浸水殘留穩(wěn)定度MS0。

MS0=(MS1/MS)×100

(1)

其中，MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%；MS為試件的穩(wěn)定度，kN；MS1為試件浸水48 h后的穩(wěn)定度，kN。

凍融劈裂試驗方法是將成型好的標準馬歇爾試件分成2組，一組在25 ℃恒溫水槽中浸水不少于2 h后測其最大破壞荷載PT1；另一組在97.3 kPa～98.7 kPa真空條件下飽水15 min，然后恢復常壓，試件在水中放置0.5 h，再在一18 ℃冰箱中冷凍16 h，然后放到60 ℃恒溫水槽中浸水24 h，再放入25 ℃恒溫水槽中不少于2 h后測其最大破壞荷載PT2，由式(2)和式(3)計算劈裂抗拉強度。

RT1=0.006 287PT1/h1

(2)

RT2=0.006 287PT2/h2

(3)

其中，RT1，RT2分別為未進行凍融循環(huán)第1組試件和經(jīng)受凍融循環(huán)第2組試件的劈裂抗拉強度，MPa;PT1，PT2分別為第1組試件和第2組試件的最大破壞荷載，kN；h1，h2分別為第1組試件和第2組試件的高度，mm。

凍融劈裂抗拉強度比按式(4)計算。

TSR=RT1/RT2×100

(4)

其中，TSR為凍融劈裂試驗強度比，%。

(5)

(6)

浸水飛散損失比按式(7)計算。

ΔSR=ΔS2/ΔS1

(7)

其中，ΔSR為浸水飛散損失比。

5 試驗結(jié)果分析

5.1 浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果分析

不同水泥摻量的混合料標準馬歇爾穩(wěn)定度與浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如表3和圖1所示。

表3 標準馬歇爾穩(wěn)定度與浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

由圖1可知，隨著水泥摻量的增加，標準馬歇爾穩(wěn)定度先上升后基本保持平穩(wěn)，浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度持續(xù)保持上升，但水泥摻量超過3%后，浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度上升幅度變小。

5.2 凍融劈裂試驗結(jié)果分析

不同水泥摻量的混合料未進行凍融循環(huán)與進行凍融循環(huán)劈裂強度試驗結(jié)果如表4和圖2所示。

表4 未凍融劈裂強度與凍融劈裂強度試驗結(jié)果

由圖2可知，隨著水泥摻量的增加，未凍融劈裂強度與劈裂強度先上升后基本保持平穩(wěn)，凍融劈裂強度比先上升后略有下降。水泥摻量超過2%后對劈裂強度指標改善不明顯。

5.3 浸水前后飛散試驗結(jié)果分析

不同水泥摻量的混合料標準飛散試驗與浸水飛散試驗結(jié)果如表5和圖3所示。參考殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比指標，采用浸水飛散損失與標準飛散損失的比值評價混合料的水穩(wěn)定性。

表5 標準飛散試驗與浸水飛散試驗結(jié)果

由圖3可知，隨著水泥摻量的增加，標準飛散損失、浸水飛散損失和飛散損失比三項指標均逐漸下降后保持平穩(wěn)，水泥摻量超過2%后，浸水飛散損失與標準飛散損失基本相等，飛散損失比接近1。

6 結(jié)語

針對半開級配超薄罩面瀝青混合料開展了不同水泥摻量條件下的浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度試驗，凍融前后劈裂強度試驗，浸水前后飛散試驗，隨著水泥摻量的增加，有如下變化趨勢：

1)馬歇爾穩(wěn)定度先上升后基本保持平穩(wěn)，浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度持續(xù)保持上升，但水泥摻量超過3%后，浸水馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度上升幅度變小。

2)未凍融劈裂強度與劈裂強度先上升后基本保持平穩(wěn)，凍融劈裂強度比先上升后略有下降。水泥摻量超過2%后對劈裂強度指標改善不明顯。

3)標準飛散損失、浸水飛散損失和飛散損失比三項指標均逐漸下降后保持平穩(wěn)，水泥摻量超過2%后，浸水飛散損失與標準飛散損失基本相等，飛散損失比接近1。

綜合殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比與飛散損失比三項指標來看，采用水泥替代部分礦粉，能夠明顯提升半開級配超薄罩面瀝青混合料的水穩(wěn)定性，建議半開級配超薄罩面水泥替代礦粉的摻量為礦料總質(zhì)量的2%～3%。