氧化镁膨胀剂对半柔性路面材料性能的影响

吴 博

(新疆路桥建设集团北疆公司 乌鲁木齐市 830000)

0 前言

半柔性路面是指由刚性的水泥灌浆材料灌入到空隙率范围在20%～28%的开级配基体沥青混合料中，因此该路面的强度来自沥青混合料中的骨料和高强度的水泥结晶体[1-3]，相比普通的沥青混合料路面具有较高的抗变形能力，由于具有该特点，半柔性路面主要应用于重载道路、机场道路、加油站、收费站以及公交车专用车道等位置。但水泥基灌浆材料具有低抗拉性和高温缩性，在长久使用过程中，半柔性路面会存在温缩开裂、疲劳开裂等病害[4]。针对该问题，相关道路科研工作者提出了不少改进方法，如长安大学郝培文[5]在普通的水泥胶浆中加入聚合物树脂后作为灌浆料灌入到沥青混合料中，半柔性沥青路面混合料的低温抗裂性和水稳性可以得到明显的改善。宋家楠[6]采用SBR胶乳(丁苯胶乳)和VEA 乳液(醋酸乙稀-乙烯共聚乳液)复合改性水泥基灌浆材料，由于高分子材料与水泥基材料之间的网状交织结构，半柔性路面沥青混合料仍具有较高的动稳定度，同时低温抗裂性得到明显的提升。通过众多研究[7-10]也可以看出目前多使用高分子材料来改善灌浆材料的性能以提升半柔性路面材料的性能，为研究膨胀剂对半柔性路面材料性能的影响，选择氧化镁膨胀剂来加入水泥灌浆料中，通过膨胀剂的体积补偿作用来抑制半柔性路面内部的收缩开裂，保持体积稳定性，以改善半柔性路面的性能，为相关研究提供借鉴作用。

1 原材料

1.1 水泥灌浆材料

氧化镁膨胀剂，1050℃下煅烧制得；普通硅酸盐水泥，性能指标如表1所示；粉煤灰，化学成分见表2所示；标准砂；高性能聚羧酸减水剂。

表1 普通硅酸盐水泥技术性质

表2 粉煤灰化学组成(质量比%)

1.2 基体沥青混合料

本试验采用的集料为玄武岩，沥青为SBS改性沥青，针入度51.0(0.1 mm)，软化点75.0℃，5℃的延度32cm，采用SFAC-13型沥青混合料，油石比为4.0%，设计空隙率为25%，级配如表3所示。

表3 沥青混合料级配

2 试验方案

(1)本试验中水泥灌浆料的配制比例按照表4所示进行，氧化镁膨胀剂掺量分别占水泥质量的0%、2%、4%、6%、8%，采用较通用的流动锥法[11]测试各组试样初始、30min流动度。将水泥灌浆料按照尺寸为40mm×40mm×160mm成型试件，24h后拆模，放入20±2℃、相对湿度95%的标准养护室内养护3d、7d、28d，按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999测试水泥灌浆料试件的抗压强度。

(2)半柔性沥青路面材料按照制件、灌浆、振实、刮浆、养生等步骤进行制备，按照JTG E20-2011中规定的方法制作车辙试件，将各水泥灌浆料样品灌注到成型的基体沥青混合料车辙试件中，将试件置于温度20℃±1℃、相对湿度大于90%的养护箱中养护3d、28d后分别进行车辙、低温弯曲试验。将灌浆后的车辙试件切割成160mm×40mm×40mm的试件，参照《水泥胶砂试件干缩试验方法》JC/T603-2004利用比长仪进行干缩测试。

3 结果与讨论

3.1 灌浆料性能

(1)流动性

水泥灌浆料具有较好的流动性是制备半柔性路面材料的关键条件，为研究氧化镁膨胀剂掺量对灌浆料流动性的影响，选择初始流动度和30min后的流动度作为测试指标以评价水泥灌浆料的灌入性能，试验结果如图1所示。

从图1中可以看出随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，灌浆料的初始流动性和30min流动性都逐渐增加，当掺量超过4%时，流动性降低，且在30min时的流动性降低明显，说明氧化镁膨胀剂的掺量过高时，不利于整个灌浆过程。其主要原因是氧化镁膨胀剂在水泥水化的过程中也需要水分，导致与水泥的需水之间存在竞争关系，造成水泥的需水量降低，整体灌浆料的水灰比降低，流动性降低。另外一方面，膨胀剂的存在也抵消了粉煤灰对流动度的改善作用，随着反应时间的增加，这种抑制作用也越来越明显。

(2)强度

水泥灌浆料在基体沥青混合料中的强度是决定半柔性路面是否具有高强度、高抗车辙能力的关键因素，对于灌浆料试件抗压强度的分析也是关键因素，图2为不同掺量氧化镁膨胀剂下水泥灌浆料试件的抗压强度变化趋势图。

从图2中可以看出，随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，灌浆料试件的3d、7d、28d龄期的抗压强度均逐渐降低，当掺量超过4%时，28d龄期强度降低的幅度比3d龄期强度降低幅度明显。其主要原因是少量的氧化镁与水反应生成的氢氧化镁晶体能填充浆体，从而使强度保持稳定，但是如果氧化镁掺量过大，膨胀剂的水化产物在灌浆料中产生聚集作用，使灌浆料内部应力过大产生微膨胀而导致开裂[12]，使灌浆料试件的抗压强度值降低，且随着时间的增加，反应的进行，这种降低效果越明显。

3.2 半柔性路面材料性能

(1)高温性能

半柔性路面相比普通的沥青混合料路面具有较高的抗变形、抗车辙能力，而车辙试验是评价高温性能最直观有效的方法，对掺氧化镁膨胀剂后半柔性路面的车辙试验结果如图3所示。

从图3可以看出，试件28d的动稳定值明显高于3d的动稳定度值，其主要原因是随着水化反应的进行，灌浆料的强度逐渐增加，半柔性路面沥青混合料内部的“刚性”也加强，因此表现为后期抗车辙能力明显高于早期。但是随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，半柔性路面沥青混合料的3d和28d的动稳定先增加后降低，其主要原因是由于半柔性混合料内部膨胀剂的水化产物在灌浆料中产生聚集作用以及微膨胀作用，降低了半柔性路面内部受力的均匀性，在宏观上表现出半柔性路面混合料的抗车辙能力降低。

(2)低温性能

半柔性路面内部材料存在差异，在低温时会由于收缩性不同，半柔性路面内部易出现低温开裂，而沥青混合料低温弯曲试验是评价沥青混合料低温抗裂性能的重要指标，本文研究的低温弯曲应变结果如图4所示。

从图4可以看出，随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，半柔性沥青路面混合料养护3d和28d龄期的低温弯曲破坏应变逐渐增加，其主要原因是由于灌浆料中添加氧化镁膨胀剂可以提升胶凝材料的抗裂性，提升了路面的抗外力弯拉性能，氧化镁膨胀剂的加入使灌浆材料的体积微膨胀，更好地填充基体沥青混合料的内部空隙，使半柔性路面的低温性能得到提升，且随着养护时间的增加，填充的效果越好，沥青混合料的低温弯曲破坏应变也会得到增加。

(3)干缩性

干缩是导致水泥基材料产生裂缝的主要原因，而水泥灌浆料占据半柔性路面 20%以上的体积，因此，半柔性路面沥青混合料的干缩特性是评价半柔性路面稳定性的重要指标，对不掺氧化镁膨胀剂和掺4%氧化镁膨胀剂的两组沥青混合料试件进行3d、7d、14d、21d、28d、45d、60d、90d干燥收缩率试验，结果如图5所示。

从图5可以看出，随着养护时间的增加，2组试件的收缩率都在不断的增加，但在相同的龄期，收缩率的大小明显表现为掺4%氧化镁膨胀剂组小于不掺氧化镁膨胀剂组，且在龄期为60d和90d时，掺入氧化镁膨胀剂后，收缩率降低了24.3%、25.8%，试验结果说明，掺入氧化镁膨胀剂后，半柔性沥青路面具有较好的体积稳定性。其主要原因是氧化镁膨胀剂在早期的水泥水化反应过程中对水泥基材料的干燥收缩具有一定的抑制作用，同时氧化镁膨胀剂在后期又具有后期微膨胀性，在试件的较长龄期养护过程中对水泥基材料的干燥收缩具有补偿作用[13]，达到了对沥青混合料内部结构的补偿，使半柔性路面沥青混合料的体积保持稳定。

4 结论

(1)随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，灌浆料的初始和30min的流动性都逐渐增加，但掺量超过4%时，流动性降低，且30min时的流动性降低比较明显；随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，灌浆料试件的3d、7d、28d的抗压强度均逐渐降低，且掺量超过4%时，后期强度降低幅度比早期强度降低幅度明显。

(2)随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，半柔性路面沥青混合料的3d和28d动稳定度先增加后降低，28d的动稳定度结果明显高于3d的动稳定度；随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，半柔性沥青路面混合料养护3d和28d的低温弯曲破坏应变逐渐增加；随着养护时间的增加，半柔性路面试件的收缩率都在不断的增加，但在相同的龄期，掺4%氧化镁膨胀剂的试件收缩率明显小于不掺氧化镁膨胀剂试件的收缩率。