水泥對(duì)瀝青混凝土路用性能的影響

劉 飛,張旭龍

(湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430071)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展離不開(kāi)交通運(yùn)輸行業(yè)的巨大貢獻(xiàn),尤其道路運(yùn)輸起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)交通運(yùn)輸部最新發(fā)布的《2022年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,截至2022年末,我國(guó)公路密度達(dá)到55.78公里/百平方公里,公路總里程達(dá)到了535.03萬(wàn)公里。但隨著交通量的不斷增加以及路面服役時(shí)間的延長(zhǎng),路面可能會(huì)逐漸出現(xiàn)車(chē)轍、開(kāi)裂、水損害等問(wèn)題[1-3]。因此,瀝青混凝土在設(shè)計(jì)之初就需具備非常優(yōu)異的性能。采用高等級(jí)瀝青或者優(yōu)質(zhì)填料來(lái)增強(qiáng)瀝青膠漿與集料骨架之間的粘結(jié)是改善瀝青混凝土性能的常用途徑之一。相較于高等級(jí)的瀝青,采用優(yōu)質(zhì)填料調(diào)節(jié)瀝青膠漿的組成從而改善瀝青混凝土路用性能的方式更加經(jīng)濟(jì)[4],因而該方式吸引了眾多研究人員的關(guān)注。

瀝青混凝土中常用的填料為采用石灰石磨制的礦粉,高等級(jí)填料則主要指一些堿性較強(qiáng)的粉體材料,例如水泥、消石灰等。采用水泥替代礦粉制備瀝青混凝土的研究已經(jīng)有了不少,且在我國(guó)也有一些將水泥在實(shí)際瀝青路面工程中利用的案例。劉敬東[5]研究了水泥對(duì)片麻巖瀝青混凝土水穩(wěn)定性的改善效果,結(jié)果表明,采用水泥替代50%的普通礦粉,可將片麻巖瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強(qiáng)度比分別提高23%和11.9%,水泥顯著改善了片麻巖瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。李少麗[6]針對(duì)花崗巖瀝青混凝土開(kāi)展的研究獲得了類(lèi)似的結(jié)論,水泥可顯著提高花崗巖瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強(qiáng)度比。張忠明[7]研究了水泥在橡膠改性瀝青混凝土中的適用性,結(jié)果同樣表明水泥能有效改善橡膠改性瀝青混凝土的水穩(wěn)定性,推薦采用30%～60%的水泥替代礦粉?？梢?jiàn),目前開(kāi)展的工作主要是研究水泥對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響,對(duì)瀝青混凝土其他路用性能的關(guān)注則相對(duì)要少一些。

綜上,為綜合反映水泥對(duì)瀝青混凝土路用性能的影響,在分析水泥化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,除了采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)分析水泥對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響外,還通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)分析了水泥對(duì)瀝青混凝土高溫性能和低溫性能的影響,旨在促進(jìn)水泥在瀝青混凝土中的應(yīng)用。

1 原材料

粗集料選用玄武巖;細(xì)集料選用石灰?guī)r;填料選用石灰?guī)r礦粉和標(biāo)號(hào)為42.5的普通硅酸鹽水泥,礦粉作為對(duì)照組使用;瀝青選用AH-70基質(zhì)瀝青。按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定了集料、填料和瀝青的基本性能指標(biāo),測(cè)試結(jié)果如表1～表4所示。由結(jié)果可見(jiàn),所用原材料的基本性能指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)規(guī)范的要求。

表1 粗集料基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 細(xì)集料基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表3 填料基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表4 瀝青基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2 試驗(yàn)方法

采用XRF分析水泥與礦粉的化學(xué)成分;將水泥替代礦粉的比例分別設(shè)置為0、20%、40%、60%、80%和100%,按照馬歇爾設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的6種AC-13級(jí)配瀝青混凝土,合成級(jí)配曲線(xiàn)如圖1所示;按照各試驗(yàn)要求制備相應(yīng)尺寸的瀝青混凝土試件,開(kāi)展車(chē)轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)成分

基于XRF分析確定的物質(zhì)化學(xué)成分一般是以氧化物的形式表示,表5為水泥與礦粉化學(xué)成分分析結(jié)果。從表5中可以看出,礦粉的主要化學(xué)成分為CaO,同時(shí)礦粉的燒失量也很高,超過(guò)了40%,這和石灰石的礦物成分有關(guān)。石灰石主要含有方解石(CaCO3),在XRF分析中,CaCO3分解變成CaO和氣體,因而XRF分析結(jié)果顯示CaO和燒失量均很高。表5同時(shí)表明,水泥的CaO含量也很高,但除了CaO,還含有相當(dāng)數(shù)量的SiO2。水泥的礦物類(lèi)型同樣可以解釋這一點(diǎn),硅酸二鈣和硅酸三鈣(C2S、C3S)為硅酸鹽水泥的兩種礦物類(lèi)型,CaO和SiO2的數(shù)量多,意味著硅酸二鈣和硅酸三鈣含量比較豐富,硅酸鹽礦物賦予水泥較好的堿性。瀝青因含有瀝青酸、瀝青酸酐等成分而具有較好的活性,當(dāng)采用水泥作為填料時(shí),其可在集料表面形成堿性位點(diǎn),因而理論上可增強(qiáng)瀝青與集料間的粘結(jié);同時(shí),相較于礦粉,水泥更細(xì)、比表面積更大,其對(duì)自由瀝青的吸附和吸收量更高,因而水泥膠漿的稠度增加,這些特點(diǎn)理論上可改善含水泥瀝青混凝土的水穩(wěn)定性、高溫性能等。

表5 填料化學(xué)成分分析結(jié)果 w/%

3.2 高溫性能

采用車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)試瀝青混凝土的高溫性能,主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為動(dòng)穩(wěn)定度。不同水泥摻量瀝青混凝土試件的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn),隨著水泥摻量的增加,瀝青混凝土試件的動(dòng)穩(wěn)定度快速增加;在水泥摻量為40%時(shí)達(dá)到最大,之后隨著水泥摻量的進(jìn)一步提高而逐漸下降。具體來(lái)看,未摻入水泥時(shí),瀝青混凝土試件的動(dòng)穩(wěn)定度為3 046次/mm,當(dāng)水泥以20%、40%、60%、80%和100%的比例替代礦粉時(shí),瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了40.0%、50.7%、45.0%、35.4%和28.1%?？梢?jiàn)摻入水泥能夠明顯提升瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。但水泥對(duì)高溫穩(wěn)定性的改善效果受其摻量影響,摻量過(guò)低或者過(guò)高均會(huì)降低其對(duì)瀝青混凝土高溫性能的改善效果。摻量過(guò)低時(shí),有可能未充分發(fā)揮出水泥的作用;而摻量過(guò)高時(shí),有可能水泥對(duì)瀝青的吸附和吸收效應(yīng)過(guò)強(qiáng),瀝青膠漿干澀,骨架之間的粘結(jié)變?nèi)?。因而就瀝青混凝土的動(dòng)穩(wěn)定度和制備成本而言,建議采用水泥取代40%的礦粉。

3.3 水穩(wěn)定性

開(kāi)展浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的主要目的是獲取瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比,不同水泥摻量瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出,隨著水泥摻量的增加,瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比都逐漸增大,當(dāng)水泥摻量為80%時(shí)兩者達(dá)到最大值,之后隨著水泥摻量的進(jìn)一步提高則呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。具體來(lái)看,未摻入水泥時(shí),瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比分別為84.5%和80.3%,雖然分別滿(mǎn)足規(guī)范中不低于80%和75%的規(guī)定,但優(yōu)勢(shì)不明顯。當(dāng)摻入水泥后,瀝青混凝土試件的水穩(wěn)定性得到逐步改善,水泥摻量達(dá)到80%時(shí),瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比分別達(dá)到93.1%和90.5%。當(dāng)水泥完全取代礦粉時(shí),殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比有所下降,但依然保持在較高水平。這可能正如前面所述,水泥用量過(guò)高時(shí),其對(duì)瀝青的吸附和吸收效應(yīng)過(guò)強(qiáng),瀝青膠漿變得干澀,集料之間的粘結(jié)變?nèi)?改善瀝青混凝土水穩(wěn)定性的效果一定程度上受到影響。雖然水泥摻量為80%時(shí)的瀝青混凝土水穩(wěn)定性最佳,結(jié)合高溫性能試驗(yàn)結(jié)果,水泥摻量為40%時(shí)的瀝青混凝土水穩(wěn)定性指標(biāo)已經(jīng)能非常輕松地滿(mǎn)足規(guī)范要求,因此,綜合考慮性能和成本,還是建議將水泥取代礦粉的量控制在40%左右。

3.4 低溫抗裂性能

開(kāi)展小梁彎曲試驗(yàn)的主要目的是確定瀝青混凝土試件破壞時(shí)的彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6中可以看出,雖然三者未隨水泥摻量的提高表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律,但總體上,水泥的摻入提高了瀝青混凝土試件的彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量,降低了瀝青混凝土的最大彎拉應(yīng)變。目前評(píng)價(jià)瀝青混凝土低溫性能的主要指標(biāo)是最大彎拉應(yīng)變,其值越大代表瀝青混凝土在低溫環(huán)境下的變形能力越強(qiáng)。因而,單從彎拉應(yīng)變來(lái)看,水泥的摻入對(duì)瀝青混凝土的低溫性能產(chǎn)生了不利的影響。但同時(shí),彎拉強(qiáng)度等指標(biāo)的變化則表明水泥提高了瀝青混凝土的低溫承載能力,因而從強(qiáng)度層面來(lái)看,含水泥的瀝青混凝土試件不易形成開(kāi)裂。因而不同指標(biāo)揭示出的低溫抗裂性能并不一致,這一方面可能與各類(lèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性不同有關(guān),另一方面也可能是水泥對(duì)瀝青混凝土低溫性能的影響機(jī)制比較復(fù)雜造成的。但即便如此,對(duì)于不同水泥摻量的瀝青混凝土,最大彎拉應(yīng)變均能滿(mǎn)足規(guī)范微應(yīng)變不低于2 000的要求。同時(shí),水泥摻量為40%時(shí),瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量也均處于比較理想的水平,因而就小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果而言,水泥取代40%礦粉的方案也是可行的。

表6 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

為了能比較綜合性地反映水泥對(duì)瀝青混凝土路用性能的影響,在分析水泥化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,考察了不同摻量的水泥對(duì)瀝青混凝土高溫性能、水穩(wěn)定性和低溫性能的影響。

a.數(shù)量可觀(guān)的CaO和SiO2表明水泥含有比較豐富的硅酸二鈣和硅酸三鈣,因而水泥具有較好的堿性;同時(shí),相較于礦粉,水泥更細(xì)、比表面積更大,對(duì)自由瀝青的吸附和吸收效應(yīng)較強(qiáng)。這些特征對(duì)水泥在瀝青混凝土中的應(yīng)用有利。

b.將水泥摻入瀝青混凝土中可改善其高溫性能和水穩(wěn)定性,但摻入過(guò)量的水泥會(huì)降低其對(duì)高溫性能和水穩(wěn)定性的改善效果。綜合考慮性能和成本,建議將水泥取代礦粉的量保持在40%左右。在該摻量下,瀝青混凝土的低溫性能指標(biāo)總體上處于比較理想的水平。