基于試驗(yàn)對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性及耐久性的研究

周潔

摘要 為研究在延長瀝青混凝土浸水時(shí)間下的水穩(wěn)定性和不同水泥摻量對(duì)瀝青混凝土耐久性的影響，通過試驗(yàn)的研究方法進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：水泥填料有利于提高瀝青混凝土水溶液的pH值；水泥填料的瀝青混凝土試件隨著浸水時(shí)間的延長，水穩(wěn)定系數(shù)不斷增大，有利于提高其水穩(wěn)定性；在相同的壓縮應(yīng)力作用下，水泥填料試件的壓縮應(yīng)變較大，能提高試件的密實(shí)度。在相同的條件下，相比石粉，水泥填料能改善瀝青混凝土的耐久性能，同時(shí)添加一定量的石粉，能改善水泥的水化作用，進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青混凝土的耐久性能。

關(guān)鍵詞 浸水時(shí)間；瀝青混凝土；水穩(wěn)定性；填料

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）24-0120-04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，水電建設(shè)得到了很好的發(fā)展機(jī)會(huì)[1]，瀝青混凝土心墻壩因具有較為簡單的結(jié)構(gòu)、防滲的性能較好、施工方便簡潔、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，使得瀝青混凝土也得到極大地發(fā)展，在瀝青混凝土心墻壩相關(guān)的研究中有趙永利等[2]通過試驗(yàn)對(duì)不同浸水條件下的瀝青混合料進(jìn)行研究，研究表明浸水條件對(duì)瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的影響顯著；吳禮任等[3-4]通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)研究了孔隙率對(duì)瀝青混合料的影響，研究表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性和殘留強(qiáng)度與孔隙率的大小有關(guān)；另外在瀝青混凝土耐久性方面的研究，有王民等[5-6]對(duì)比分析不同比例水泥代替礦粉后瀝青膠漿的延度、軟化點(diǎn)等性能，分析得到水泥代替礦粉后瀝青混凝土的性能影響；張嘎吱等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，在潮濕的環(huán)境中摻入干水泥會(huì)阻礙水分子向集料-瀝青界面的滲入；何建新等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，采用水泥作為填料能改善瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能。

現(xiàn)有的研究已取得一定成果，但在浸水時(shí)間長短對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性能影響的研究，以及多種不同組合水泥摻量的瀝青混凝土耐久性對(duì)比研究還存在不足，為此該文通過試驗(yàn)對(duì)原材料的基本性能進(jìn)行檢測，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行介紹，對(duì)石粉填料瀝青混凝土與水泥填料瀝青混凝土在不同浸水時(shí)間的水穩(wěn)定性能進(jìn)行對(duì)比分析，希望該文的研究能促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

1 原材料性能試驗(yàn)

該次試驗(yàn)所采用的原料主要包括瀝青、水泥、石粉、粗集料與細(xì)集料，該文對(duì)其基本性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測，具體如下所述。

1.1 瀝青

該次試驗(yàn)所采用的瀝青為70#道路石油瀝青，其基本性能如表1所示。

從表1中的試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出，該次試驗(yàn)所采用的瀝青符合要求。

1.2 水泥

該次試驗(yàn)所采用的水泥為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，其基本性能如表2所示。

從表2中的試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出，該次試驗(yàn)所采用的水泥符合要求。

1.3 粗集料

該次試驗(yàn)所采用的粗集料為天然礫石骨料，其粒徑約為2.39～19 mm，其基本性能如表3所示。

從表3中的試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出，該次試驗(yàn)所采用的粗集料符合要求。

1.4 細(xì)集料

該次試驗(yàn)所采用的細(xì)集料為天然沙，其粒徑約為0.075～2.36 mm，其基本性能如表4所示。

從表4中的試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出，該次試驗(yàn)所采用的細(xì)集料符合要求。

1.5 石粉

該次試驗(yàn)所采用的石粉，其基本性能如表5所示。

從表5中的試驗(yàn)檢測結(jié)果可以看出，該次試驗(yàn)所采用的石粉符合要求。

2 浸水時(shí)間對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性能影響研究

2.1 試驗(yàn)方法

瀝青混凝土水穩(wěn)定試驗(yàn)的常用試驗(yàn)方法有水穩(wěn)定試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)三種試驗(yàn)方法，以下對(duì)這三種試驗(yàn)進(jìn)行簡要介紹。

水穩(wěn)定性試驗(yàn)：對(duì)瀝青混凝土進(jìn)行水穩(wěn)定試驗(yàn)主要是為了得到瀝青混凝土在浸水后的抗壓強(qiáng)度，通過浸水前和浸水后的抗壓強(qiáng)度得到瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)，從而評(píng)定其水穩(wěn)定性能優(yōu)劣。該試驗(yàn)過程中需要將試件進(jìn)行分組，其中一組試件放置在環(huán)境溫度為19～21 ℃中放置48 h；另外一組試件先放入溫度為59～61 ℃的水中浸泡48 h，然后放置在環(huán)境溫度為19～21 ℃中48 h，分別測試試件的抗壓強(qiáng)度。

浸水馬歇爾試驗(yàn)：通過試驗(yàn)得到的殘留穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能，在試驗(yàn)的過程中將試件分為兩組，一組試件在環(huán)境溫度為60 ℃中放置30 min，隨后測得試件穩(wěn)定度值；另一組試件放入溫度為60 ℃的水浴中放置48 h，取出測得試件的穩(wěn)定度。對(duì)比二者的穩(wěn)定度即可得到浸水殘留穩(wěn)定度值。

劈裂試驗(yàn)：該試驗(yàn)主要包括浸水劈裂試驗(yàn)、真空泡水劈裂試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)三種，通過試驗(yàn)得到的劈裂強(qiáng)度比來評(píng)定瀝青混凝土的水穩(wěn)定性。

為研究浸水時(shí)間的長短對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定的影響，因此采用水穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)石粉填料瀝青混凝土和水泥填料瀝青混凝土進(jìn)行研究。試驗(yàn)的時(shí)間分為5組，分別為48 h、96 h、144 h、192 h和240 h。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 pH值對(duì)比分析

在保證水溫不變的情況下，隨著浸泡時(shí)間的延長對(duì)不同填料的瀝青混凝土進(jìn)行pH值的檢測，具體結(jié)果如表6所示。

從表6中可以看出，水泥填料瀝青混凝土和石粉填料瀝青混凝土浸水后的pH值均比浸水前要大，水泥填料的瀝青混凝土在浸水48 h后水溶液的pH值有明顯的突變，隨后水溶液的pH值趨于平緩下降趨勢，主要是因?yàn)樗嗟乃a(chǎn)物氫氧化鈣在水中溶解，從而導(dǎo)致水溶液的pH值上升；石粉填料浸水48 h后水溶液的pH值變化不大，并且隨浸水時(shí)間的延長水溶液的pH值基本保持不變，主要是因?yàn)榻?0 min的碳酸鈣不會(huì)水化生成氫氧化鈣。

2.2.2 水穩(wěn)定性對(duì)比分析

在保證水溫不變的情況下，隨著浸泡時(shí)間的延長，對(duì)不同填料的瀝青混凝土的密度、孔隙率、最大抗壓強(qiáng)度和空氣中的抗壓強(qiáng)度及水穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如表7所示。

從表7中可以看出，石粉填料瀝青混凝土試件的孔隙率在1.16%～1.36%，在空氣中的抗壓強(qiáng)度值約為1.34 MPa，隨著試件浸水時(shí)間的延長，試件的抗壓強(qiáng)度值逐漸減小，當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)到240 h時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度為1.16 MPa，相比浸水48 h時(shí)的抗壓強(qiáng)度減小約12.78%，并且此時(shí)的水穩(wěn)定系數(shù)僅為0.85，小于0.9，不滿足要求。主要是因?yàn)殡S著浸水時(shí)間的延長，水分子進(jìn)入試件的開口孔隙中，瀝青膜被水分子穿透導(dǎo)致瀝青與礦料的界面存在較多的水分子，降低了瀝青與骨料的黏附，從而降低了瀝青混凝土的黏結(jié)力，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度減小，隨著浸水時(shí)間的延長，礦料瀝青混凝土被水損壞的程度增大，水穩(wěn)定性能下降；水泥填料瀝青混凝土試件的孔隙率在1.07%～1.41%，在空氣中的抗壓強(qiáng)度值約為1.3 MPa，隨著試件浸水時(shí)間的延長，試件的抗壓強(qiáng)度值逐漸增大，水穩(wěn)定系數(shù)也逐漸增大；當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)到240 h時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度為1.48 MPa，相比浸水48 h時(shí)的抗壓強(qiáng)度增大約11.27%，并且此時(shí)的水穩(wěn)定系數(shù)為1.12，大于0.9，滿足要求。主要是因?yàn)殡S著浸水時(shí)間的延長，水與水泥發(fā)生水化作用產(chǎn)生的水化物阻止水分的浸入，并且該水化產(chǎn)物能與呈酸性的瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加骨料與瀝青的黏附性，從而提高試件的抗壓強(qiáng)度，使得水泥填料的水穩(wěn)定系數(shù)不斷增大，改善了瀝青混凝土試件的水穩(wěn)定性能。

2.2.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

為進(jìn)一步分析不同填料對(duì)瀝青混凝土性能的影響，該文采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)浸水96 h試件的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變、浸水240 h試件的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行分析。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥填料的瀝青混凝土試件應(yīng)力比石粉填料的瀝青混凝土試件要大，在浸水96 h后，水泥填料瀝青混凝土試件的壓縮應(yīng)力隨應(yīng)變的增加增長較快，隨后趨于穩(wěn)定，而石粉填料瀝青混凝土試件的壓縮應(yīng)力變化，呈現(xiàn)先減小后增大到再減小的過程，主要是因?yàn)殡S著浸水時(shí)間的延長，水與水泥的作用使得試件內(nèi)部產(chǎn)生水泥石，從而使試件更加密實(shí)，而石粉與水不發(fā)生水化反應(yīng)。隨著浸水時(shí)間的延長，水分進(jìn)入試件內(nèi)部越多，試件被水損害的程度將會(huì)越大。

3 不同水泥摻量的瀝青混凝土耐久性影響研究

3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為研究不同水泥摻量對(duì)瀝青混凝土性能的影響，該文設(shè)置多組不同摻量配合比制作瀝青混凝土試件，具體的配合比設(shè)計(jì)如表8所示。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該次試驗(yàn)的試件通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)儀擊實(shí)成型，試件的直徑為100 mm，高度為100 mm，控制試驗(yàn)的溫度，室內(nèi)環(huán)境的溫度為20 ℃，水浴恒溫箱的水溫分別為80 ℃和60 ℃，為測得試件的抗壓強(qiáng)度采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，加載的速率控制在1 mm/min?？箟簭?qiáng)度的計(jì)算按公式（1）進(jìn)行計(jì)算，壓縮應(yīng)變的計(jì)算按公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中，P——試件受壓時(shí)的最大荷載（N）；A——試件的受荷面積（mm2）；Rc——實(shí)際的抗壓強(qiáng)度（MPa）。

壓縮應(yīng)變計(jì)算公式：

式中，ε——試件最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變值；H——試件的高度（mm）；δ——實(shí)際的最大垂直變形（mm）。

3.3 試驗(yàn)過程

該次試驗(yàn)一共制作54個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，將其分成6組，每組試件9個(gè)，試驗(yàn)時(shí)先將第一組試件放置在20 ℃的環(huán)境中，48 h后直接進(jìn)行試驗(yàn)，測得試件在空氣環(huán)境中的指標(biāo)。另外5組試件，每組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的浸水時(shí)間分別為75 h、225 h、375 h、750 h和1 500 h，水中的溫度設(shè)置為80 ℃，待浸水時(shí)間完成后將試件取出，再放在水溫為20 ℃的水中恒溫2 h，最后將試件取出進(jìn)行試驗(yàn)，測得試件的指標(biāo)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 水穩(wěn)定系數(shù)分析

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件在80 ℃的水中浸泡一段時(shí)間后，在水泥填料的試件組中可以發(fā)現(xiàn)有大量的白色懸浮物，并且隨著浸水時(shí)間的延長，試件的表面會(huì)出現(xiàn)氣泡。說明高溫下水分子浸入到試件內(nèi)部，待試驗(yàn)結(jié)束將試件取出，測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按公式進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，具體結(jié)果如表9所示。

從表9中可以看出，當(dāng)水泥的摻量為0%，石粉的摻量為12%時(shí)，在不同的浸水時(shí)間條件下，瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)均小于0.9，不滿足規(guī)范要求；當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)到1 500 h時(shí)，石粉瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)僅有0.69，這是因?yàn)樵诟邷氐乃…h(huán)境中，水分子進(jìn)入試件內(nèi)部的速度較快，水分子與瀝青混凝土中的骨料結(jié)合增多，使得粗細(xì)集料與瀝青被剝離，從而導(dǎo)致試件受到水損害增強(qiáng)，水穩(wěn)定性能下降；當(dāng)水泥的摻量為12%，石粉的摻量為0%時(shí)，瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)均大于0.9，在不同的浸水時(shí)間條件下，瀝青混凝土的水穩(wěn)定系數(shù)大于0.9，均滿足規(guī)范的要求，其中當(dāng)浸水的時(shí)間達(dá)到375 h時(shí)，試件的水穩(wěn)定系數(shù)最高；在高溫的水浴環(huán)境中，水分進(jìn)入瀝青混凝土內(nèi)部的量增大，與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的水化物能增強(qiáng)骨料與瀝青的黏附性，隨著浸水時(shí)間的延長，試件的水穩(wěn)定系數(shù)又出現(xiàn)下降的變化，試件內(nèi)部的水泥被水化完；當(dāng)水泥的摻量為6%，石粉的摻量也為6%時(shí)，在不同的浸水時(shí)間條件下，試件的水穩(wěn)定系數(shù)出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，并且水穩(wěn)定系數(shù)值均大于0.9，均能滿足規(guī)范的要求；當(dāng)浸水時(shí)間為達(dá)到375 h時(shí)，水穩(wěn)性系數(shù)達(dá)到最大，約為1.01，該值比在水泥摻量為12%，石粉摻量為0%時(shí)要大，主要是因?yàn)槭鄣募尤肽軐?duì)試件內(nèi)部的空隙進(jìn)行填充，使瀝青與骨料的黏附性得到增強(qiáng)。由此可見，水泥填料能改善瀝青混凝土的耐久性，石粉的加入能改善水泥的水化作用，增加有效水化產(chǎn)物，使瀝青混凝土具體更好的性能。

3.4.2 抗壓強(qiáng)度分析

在保證水溫不變的情況下，隨著浸泡時(shí)間的延長對(duì)不同水泥摻量瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體結(jié)果如表10所示。

從表10可以看出，當(dāng)水泥的摻量為0%，石粉的摻量為12%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間的延長而逐漸減??；當(dāng)水泥的摻量為12%，石粉的摻量為0%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間的延長呈現(xiàn)出先增大后減小的變化，并且在浸水375 h時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)水泥的摻量為6%，石粉的摻量為6%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度隨著浸水時(shí)間的延長呈現(xiàn)出先增大后減小的變化，并且在浸水375 h時(shí)達(dá)到最大。相比這三種摻量情況，當(dāng)水泥摻量為6%時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度最大，主要是因?yàn)樗嗯c水的水化產(chǎn)物能與石粉中小直徑的顆粒發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的水化產(chǎn)物，能填充瀝青混凝土的孔隙，降低瀝青混凝土的孔隙率，從而提高瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.4.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

為進(jìn)一步分析不同水泥摻量對(duì)瀝青混凝土性能的影響，該文采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)未浸水試件的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變和浸水1 500 h試件的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行分析。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未浸水且水泥摻量為12%，石灰摻量為0%時(shí)，試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率最大；水泥摻量為0%，石粉摻量為12%時(shí)，試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率第二；水泥摻量為6%，石粉摻量為6%時(shí)，試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線最小。這主要是因?yàn)樗嗪褪彝瑫r(shí)摻入瀝青混合料中能改變?yōu)r青混凝土試件的柔和性；并發(fā)現(xiàn)隨著浸水時(shí)間的增加，不同水泥摻量的試件其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率較為接近，主要是因?yàn)樵陂L期的浸水作用下，試件內(nèi)部的水分不斷增大，在受壓過程中，水分被壓出。但相比三者不同的水泥摻量，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥的摻量為6%時(shí)試件的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線最大，說明在水泥和石粉填料都存在的情形下，能提高瀝青混凝土的耐久性能。

4 結(jié)論

該文通過對(duì)不同填料瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：水泥填料的瀝青混凝土水溶液pH值可以達(dá)到12，而石粉填料的瀝青混凝土水溶液pH值僅為9左右；石粉填料的瀝青混凝土試件在浸水240 h后水穩(wěn)定系數(shù)不能滿足要求，而采用水泥填料的瀝青混凝土試件隨著浸水時(shí)間的延長水穩(wěn)定系數(shù)不斷增大；相比水泥填料與石粉填料的瀝青混凝土試件，在相同的壓縮應(yīng)力作用下，水泥填料試件的壓縮應(yīng)變較大，能提高試件的密實(shí)度。在相同的條件下，相比石粉，水泥填料能改善瀝青混凝土的耐久性能，同時(shí)添加一定量的石粉，能改善水泥的水化作用，進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青混凝土的耐久性能。

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