劉 飛,張旭龍

(湖北省建筑科學研究設計院股份有限公司,武漢 430071)

中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展離不開交通運輸行業(yè)的巨大貢獻,尤其道路運輸起到了至關重要的作用。根據(jù)交通運輸部最新發(fā)布的《2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》,截至2022年末,我國公路密度達到55.78公里/百平方公里,公路總里程達到了535.03萬公里。但隨著交通量的不斷增加以及路面服役時間的延長,路面可能會逐漸出現(xiàn)車轍、開裂、水損害等問題[1-3]。因此,瀝青混凝土在設計之初就需具備非常優(yōu)異的性能。采用高等級瀝青或者優(yōu)質填料來增強瀝青膠漿與集料骨架之間的粘結是改善瀝青混凝土性能的常用途徑之一。相較于高等級的瀝青,采用優(yōu)質填料調節(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[4],因而該方式吸引了眾多研究人員的關注。

瀝青混凝土中常用的填料為采用石灰石磨制的礦粉,高等級填料則主要指一些堿性較強的粉體材料,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,且在我國也有一些將水泥在實際瀝青路面工程中利用的案例。劉敬東[5]研究了水泥對片麻巖瀝青混凝土水穩(wěn)定性的改善效果,結果表明,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]針對花崗巖瀝青混凝土開展的研究獲得了類似的結論,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?目前開展的工作主要是研究水泥對瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響,對瀝青混凝土其他路用性能的關注則相對要少一些。

綜上,為綜合反映水泥對瀝青混凝土路用性能的影響,在分析水泥化學成分的基礎上,除了采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分析水泥對瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響外,還通過車轍試驗和小梁彎曲試驗分析了水泥對瀝青混凝土高溫性能和低溫性能的影響,旨在促進水泥在瀝青混凝土中的應用。

1 原材料

粗集料選用玄武巖;細集料選用石灰?guī)r;填料選用石灰?guī)r礦粉和標號為42.5的普通硅酸鹽水泥,礦粉作為對照組使用;瀝青選用AH-70基質瀝青。按國家相關標準測定了集料、填料和瀝青的基本性能指標,測試結果如表1～表4所示。由結果可見,所用原材料的基本性能指標均滿足國家相關規(guī)范的要求。

表1 粗集料基本性能指標測試結果

表2 細集料基本性能指標測試結果

表3 填料基本性能指標測試結果

表4 瀝青基本性能指標測試結果

2 試驗方法

采用XRF分析水泥與礦粉的化學成分;將水泥替代礦粉的比例分別設置為0、20%、40%、60%、80%和100%,按照馬歇爾設計方法設計對應的6種AC-13級配瀝青混凝土,合成級配曲線如圖1所示;按照各試驗要求制備相應尺寸的瀝青混凝土試件,開展車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和小梁彎曲試驗。

3 結果與討論

3.1 化學成分

基于XRF分析確定的物質化學成分一般是以氧化物的形式表示,表5為水泥與礦粉化學成分分析結果。從表5中可以看出,礦粉的主要化學成分為CaO,同時礦粉的燒失量也很高,超過了40%,這和石灰石的礦物成分有關。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分析結果顯示CaO和燒失量均很高。表5同時表明,水泥的CaO含量也很高,但除了CaO,還含有相當數(shù)量的SiO2。水泥的礦物類型同樣可以解釋這一點,硅酸二鈣和硅酸三鈣(C2S、C3S)為硅酸鹽水泥的兩種礦物類型,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,當采用水泥作為填料時,其可在集料表面形成堿性位點,因而理論上可增強瀝青與集料間的粘結;同時,相較于礦粉,水泥更細、比表面積更大,其對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 填料化學成分分析結果 w/%

3.2 高溫性能

采用車轍試驗測試瀝青混凝土的高溫性能,主要評價指標為動穩(wěn)定度。不同水泥摻量瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度結果如圖2所示。由圖2可見,隨著水泥摻量的增加,瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度快速增加;在水泥摻量為40%時達到最大,之后隨著水泥摻量的進一步提高而逐漸下降。具體來看,未摻入水泥時,瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度為3 046次/mm,當水泥以20%、40%、60%、80%和100%的比例替代礦粉時,瀝青混凝土的動穩(wěn)定度分別提高了40.0%、50.7%、45.0%、35.4%和28.1%?？梢姄饺胨嗄軌蛎黠@提升瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。但水泥對高溫穩(wěn)定性的改善效果受其摻量影響,摻量過低或者過高均會降低其對瀝青混凝土高溫性能的改善效果。摻量過低時,有可能未充分發(fā)揮出水泥的作用;而摻量過高時,有可能水泥對瀝青的吸附和吸收效應過強,瀝青膠漿干澀,骨架之間的粘結變弱。因而就瀝青混凝土的動穩(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

開展浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗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)定度和劈裂強度比結果如圖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)定度和劈裂強度比都逐漸增大,當水泥摻量為80%時兩者達到最大值,之后隨著水泥摻量的進一步提高則呈現(xiàn)出下降的趨勢。具體來看,未摻入水泥時,瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比分別為84.5%和80.3%,雖然分別滿足規(guī)范中不低于80%和75%的規(guī)定,但優(yōu)勢不明顯。當摻入水泥后,瀝青混凝土試件的水穩(wěn)定性得到逐步改善,水泥摻量達到80%時,瀝青混凝土試件的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比分別達到93.1%和90.5%。當水泥完全取代礦粉時,殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比有所下降,但依然保持在較高水平。這可能正如前面所述,水泥用量過高時,其對瀝青的吸附和吸收效應過強,瀝青膠漿變得干澀,集料之間的粘結變弱,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%時的瀝青混凝土水穩(wěn)定性最佳,結合高溫性能試驗結果,水泥摻量為40%時的瀝青混凝土水穩(wěn)定性指標已經(jīng)能非常輕松地滿足規(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

開展小梁彎曲試驗的主要目的是確定瀝青混凝土試件破壞時的彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量,試驗結果如表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度和彎曲勁度模量,降低了瀝青混凝土的最大彎拉應變。目前評價瀝青混凝土低溫性能的主要指標是最大彎拉應變,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。因而,單從彎拉應變來看,水泥的摻入對瀝青混凝土的低溫性能產(chǎn)生了不利的影響。但同時,彎拉強度等指標的變化則表明水泥提高了瀝青混凝土的低溫承載能力,因而從強度層面來看,含水泥的瀝青混凝土試件不易形成開裂。因而不同指標揭示出的低溫抗裂性能并不一致,這一方面可能與各類評價指標的適用性不同有關,另一方面也可能是水泥對瀝青混凝土低溫性能的影響機制比較復雜造成的。但即便如此,對于不同水泥摻量的瀝青混凝土,最大彎拉應變均能滿足規(guī)范微應變不低于2 000的要求。同時,水泥摻量為40%時,瀝青混凝土的彎拉強度、最大彎拉應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結果而言,水泥取代40%礦粉的方案也是可行的。

表6 小梁低溫彎曲試驗結果

4 結 論

為了能比較綜合性地反映水泥對瀝青混凝土路用性能的影響,在分析水泥化學成分的基礎上,考察了不同摻量的水泥對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,相較于礦粉,水泥更細、比表面積更大,對自由瀝青的吸附和吸收效應較強。這些特征對水泥在瀝青混凝土中的應用有利。

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,但摻入過量的水泥會降低其對高溫性能和水穩(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總體上處于比較理想的水平。