掺水泥对沥青三大指标及沥青混合料高温稳定性影响

张军帅，郑建锋，吴维彬，张　洪

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2. 福建省招标采购集团有限公司，福建 福州 350002；3. 广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁530011)



掺水泥对沥青三大指标及沥青混合料高温稳定性影响

张军帅1，郑建锋2，吴维彬3，张洪1

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2. 福建省招标采购集团有限公司，福建 福州 350002；3. 广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁530011)

在沥青中加入0%、3%、5%、8%、10%、15%六组不同剂量的水泥后，对沥青三大指标及沥青混合料高温稳定性进行试验研究。为了探究水泥在沥青中是否发生硬化，在沥青浇筑后，一组常温冷却1.5 h，另一组常温冷却24 h，两组进行对比分析。水泥最佳剂量由沥青混合料的高温稳定性和抗拉性两个因素确定。结果表明：沥青的软化点和抗车辙能力随着水泥剂量的增加而提高；水泥剂量较低时对沥青延度影响不大，但水泥剂量超过10%后，沥青延度随水泥剂量增加而降低；水泥在沥青中发生了硬化；水泥最佳掺量为8%～10%。

水泥；沥青三大指标；高温稳定性

沥青路面因其具有表面平整、噪音低、行车舒适、易于修复等一系列优点，成为当今应用最广的路面之一，同时沥青作为一种感温性材料[1]，夏季高温时易出现高温稳定性不足，产生车辙病害，严重影响行车的安全性与舒适性。为提高沥青的高温稳定性，国内外专家学者提出了一系列沥青改性措施[2]，如SBS改性沥青、掺加抗车辙剂、橡胶粉、纤维等改性剂以及改进沥青混合料级配、采用低标号沥青等方法，取得了一些成果，但由于技术、成本、工艺等因素，车辙问题依然没有得到完全地解决。近年来，不少学者做了沥青与水泥复合或水泥作为外加剂方向的研究，并在实际工程中得到应用，为沥青改性提供了另外一个思路。王发洲等[3]从微观上研究了水泥与阳离子乳化沥青颗粒的作用机理，并提出了两者相互作用模型；郑克仁等[4]采用氮吸附法研究了水泥乳化沥青砂浆孔体结构，得出沥青含量是影响孔分布与孔结构的重要因素；范传斌等[5]研究表明：在沥青中掺加干水泥能提高沥青混合料的黏附性，增强沥青混合料的抗剪能力，改善沥青混凝土的高温稳定性；张嘎吱等[6]在沥青中掺加干水泥，证明了在沥青路面使用过程中，沥青中水泥颗粒能俘获进入沥青混合料内部的水分，并发生水化，形成的水化产物成为阻止外界水分进入沥青与矿料界面的一道屏障，进而有效提高了沥青混合料的水稳定性。

基于以上研究成果，笔者在沥青中掺加了相对沥青质量0%、3%、5%、8%、10%、15%六组不同剂量干水泥，研究水泥对沥青三大指标及沥青混合料高温稳定性影响。通过软化点和车辙试验研究了水泥对沥青高温稳定性的影响，通过延度试验研究了水泥对沥青抗拉性的影响。最佳的水泥剂量通过既较大幅度地提高沥青混合料的高温稳定性，同时沥青抗拉性又不降低过大两方面来限定。

1　试验材料性能

1.1沥青

采用江苏产基质沥青，各项技术指标符合《公路沥青路面施工技术规范》(JT GF40-2004)的要求，具体指标见表1。

表1　沥青性能指标

1.2水泥

采用重庆海螺水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，代号为P.O42.5。

1.3集料

采用江苏常州产玄武岩，AC-16级配，集料的各项指标如表2所示。

表2　集料技术指标

2　水泥对沥青三大指标影响

设置沥青中掺加3%、5%、8%、10%、15%的水泥和基质沥青共六组试验。考虑到外界水分可能进入沥青，与沥青中的水泥颗粒发生反应，为探究反应后生成的水化产物对沥青三大指标的影响，每个比例的沥青浇筑好后，一组在室温下放置1.5 h，另一组在室温下放置24 h，给水泥一个水化反应时间，其中前者定义为未加时，后者定义为加时后。

2.1掺不同剂量水泥的沥青在不同温度下的延度

延度是指规定形状的试样在规定温度下,以一定的速度进行拉伸至断裂时所伸长的距离，表征沥青在一定条件下的变形能力[7]。掺不同剂量水泥的沥青在不同温度下的延度如表3所示，延度仪量程为1 445 mm，延度值超出延度仪量程记为1 445 mm，试验速度为5 cm/min，水泥剂量与沥青延度关系见图1。

表3 沥青延度试验结果

图1　水泥剂量与沥青延度曲线图

由表3和图1可知：10℃时，沥青延度随水泥剂量的增加而缓慢降低，未加时沥青延度略大于加时后沥青延度，且水泥剂量大于沥青质量10%后，沥青延度降低速度加快；15℃时，沥青延度随水泥剂量变化规律与10℃时接近，水泥剂量大于10%后，未加时沥青延度变化不大，但加时后沥青延度随水泥剂量的增加而剧减；15℃时沥青延度与10℃时相比，延度值总体较大，为10℃延度值的2.3倍左右。

由此可知，水泥掺量小于沥青质量10%时，与基质沥青相比，掺水泥沥青延度下降不大。加时后，沥青中的部分水泥颗粒发生了水化反应，水泥掺量大于10%后，水化反应加快，且温度越高，水化反应越快。

2.2掺不同剂量水泥的沥青针入度

沥青的针入度是指在标准试验条件下,标准针贯入沥青试样的深度(以0.1 mm计)。针入度作为沥青三大指标之一，应用广泛。针入度指标是划分道路沥青等级的标准，能够表征沥青材料的感温性，评价沥青老化程度[8]。掺不同剂量水泥的沥青针入度如表4所示，试验条件为温度15℃,荷重100 g,贯入时间5 s，水泥剂量与沥青针入度关系见图2。

表4　沥青针入度试验结果

图2　水泥剂量与沥青针入度曲线图

由表4和图2可知：15℃下，未加时组，掺水泥沥青针入度与基质沥青相差不明显，但对加时组，掺水泥沥青针入度明显小于基质沥青，且有水泥掺量越多，针入度越小的趋势。对相同水泥掺量的沥青，加时后针入度较未加时小3%～20%。

由此可知，未加时组，沥青中水泥颗粒基本未发生水化反应，水泥对沥青针入度影响很小，而加时组，沥青中部分水泥颗粒发生了水化反应，产生的水化产物使沥青针入度减小。

2.3掺不同剂量水泥的沥青的软化点

沥青的软化点是指沥青在一定条件下达到一定黏度时的温度, 我国采用环球法测定。由于软化点与沥青高温稳定性有较好的相关性，因而可以反映沥青的高温稳定性[8]。掺不同剂量水泥的沥青软化点如表5所示，水泥剂量与沥青软化点关系见图3。

表5　沥青软化点试验结果

由表5与图3可知：未加时组与加时组软化点大体上均随水泥剂量增加而提高，说明水泥的掺入提高了沥青的软化点；掺相同剂量水泥的沥青，加时组软化点较未加时组略有提高，最大提高1.3℃，说明沥青内部水泥颗粒发生了水化反应。

图3　水泥剂量与沥青软化点曲线图

3　水泥对沥青混合料高温稳定性影响

沥青高温稳定性作为沥青路面最基本的路用面性能之一，对路面安全性、舒适性影响巨大。沥青高温稳定性采用车辙试验衡量，车辙板尺寸300 mm×300 mm×50mm，试验温度60℃，轮压0.7 MPa[9]，本试验集料配比AC-16，沥青油石比4.5%，掺水泥增加的质量从矿粉中扣除，车辙试验每组3个试件，结果取平均值，试验结果见表6，水泥剂量与沥青动稳定度关系曲线见图4。

表6　沥青车辙试验结果

图4　水泥剂量与沥青动稳定度曲线图

由表6与图4可知：沥青动稳定度随沥青剂量的提高而增大，增大趋势先快后慢，其中水泥掺量为3%时，沥青混合料动稳定度提高4.2%；水泥掺量为8%时，动稳定度提高19.7%；水泥掺量为10%时，动稳定度提高23.7%。说明水泥的掺入，提高了沥青与集料的界面粘结力以及部分水泥颗粒发生水化反应生成的水化产物，两者共同作用提高了沥青混合料的高温稳定性。

4　结论

(1)对沥青延度，水泥掺量小于沥青质量10%时，与基质沥青相比，掺水泥沥青延度下降不大。加时后，沥青中的部分水泥颗粒发生了水化反应，会进一步降低沥青延度，且水泥剂量越大，温度越高，沥青延度降低越快。

(2)对沥青针入度，未加时组，水泥对沥青针入度影响不大，但加时后，沥青中部分水泥颗粒发生水化反应，掺水泥沥青针入度小于基质沥青。

(3)对沥青软化点，水泥的掺入提高了沥青的软化点，且加时组沥青软化点较未加时组又略有提高。

(4)对沥青混合料的高温稳定性，水泥的掺入，提高了沥青与集料的界面黏接力以及部分水泥颗粒发生水化反应生成水化产物，两者共同作用提高了沥青混合料的高温稳定性。

(5)综合考虑，通过既较大幅度地提高沥青混合料的高温稳定性，同时沥青抗拉性又不降低过大，得到水泥的最佳掺量为8%～10%。

[1]尹利华，延西利，陈晓瑛，等. 沥青材料感温性与其混合料高温稳定性关系研究[J].公路交通科技，2008，35(1)：38-39.

[2]冯志刚. 重载交通混合式基层沥青路面超高温性能研究[D].济南：山东大学，2014.

[3]王发洲，刘云鹏，胡曙光，等.硅酸盐水泥与阳离子乳化沥青颗粒的相互作用机理[J].材料科学与工程学报，2013，31(2)：186-187.

[4]郑克仁，蔡峰良，周锡玲，等.基于氮吸附的水泥-沥青复合硬化体孔结构分析[J].武汉理工大学学报，2013，35(2)：1-2.

[5]范传斌,罗炼.掺水泥沥青混凝土粘附性试验及工程实践[J].广东公路交通，2004(1)：17-18.

[6]张嘎吱,王永强.掺干水泥的沥青混合料水稳性研究[J].公路，2004(6)：131-133.

[7]中漆健,段红彩.SBS对改性沥青低温延度的影响[J].石油沥青，2009，23(6)：36-37.

[8]王银龙.浅谈沥青三大指标[J].山西建筑，2011，37(5)：102-103.

[9]JTG E20-2011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

Effect of cement content on high temperature stability of asphalt mixture with three asphalt indicators

ZHANG Jun-shuai1,ZHENG Jian-feng2，WU Wei-bin3，ZHANG Hong1

(1.SchoolofCivilEngineering&Architecture，ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;2.FujianTendering&PurchasingGroupCo.,Ltd.，Fuzhou350002，China;3.TheTransportationPlanningSurveyandDesignInstitute,TheGuangxiZhuangAutonomousRegion，Nanning530011,China)

After adding 0%,3%,5%,8%,10% and 15% different doses of cement,the high temperature stability of asphalt mixture was tested.In order to explore whether the cement hardens in the asphalt,after the asphalt pouring,one group cools 1.5h in room temperature,the other group cools 24h in room temperature,comparative analysis is performed for the two groups.The optimum dosage of cement is determined by two factors:high temperature stability and tensile strength of asphalt mixture.The results show that the softening point of asphalt and the anti rutting ability increase with the increase of the dosage of cement.It has little effect on the ductility of asphalt when the cement dose is low,but the ductility increases with the increase of the dosage of cement when the dosage of cement is more than 10%.Then cement hardens in asphalt,and the best cement admixture is 8%-10%.

cement;three indicators of asphalt;high temperature stability

2016-05-09

中国博士后基金(2016M592888XB)

张军帅(1991—)，男，河南鹤壁人，硕士研究生。

1674-7046(2016)05-0023-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.05.005

TU535

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