水泥对沥青混凝土路用性能的影响

刘 飞,张旭龙

(湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司,武汉 430071)

中国经济的飞速发展离不开交通运输行业的巨大贡献,尤其道路运输起到了至关重要的作用。根据交通运输部最新发布的《2022年交通运输行业发展统计公报》,截至2022年末,我国公路密度达到55.78公里/百平方公里,公路总里程达到了535.03万公里。但随着交通量的不断增加以及路面服役时间的延长,路面可能会逐渐出现车辙、开裂、水损害等问题[1-3]。因此,沥青混凝土在设计之初就需具备非常优异的性能。采用高等级沥青或者优质填料来增强沥青胶浆与集料骨架之间的粘结是改善沥青混凝土性能的常用途径之一。相较于高等级的沥青,采用优质填料调节沥青胶浆的组成从而改善沥青混凝土路用性能的方式更加经济[4],因而该方式吸引了众多研究人员的关注。

沥青混凝土中常用的填料为采用石灰石磨制的矿粉,高等级填料则主要指一些碱性较强的粉体材料,例如水泥、消石灰等。采用水泥替代矿粉制备沥青混凝土的研究已经有了不少,且在我国也有一些将水泥在实际沥青路面工程中利用的案例。刘敬东[5]研究了水泥对片麻岩沥青混凝土水稳定性的改善效果,结果表明,采用水泥替代50%的普通矿粉,可将片麻岩沥青混凝土的残留稳定度和劈裂抗拉强度比分别提高23%和11.9%,水泥显著改善了片麻岩沥青混凝土的水稳定性。李少丽[6]针对花岗岩沥青混凝土开展的研究获得了类似的结论,水泥可显著提高花岗岩沥青混凝土的残留稳定度和劈裂抗拉强度比。张忠明[7]研究了水泥在橡胶改性沥青混凝土中的适用性,结果同样表明水泥能有效改善橡胶改性沥青混凝土的水稳定性,推荐采用30%～60%的水泥替代矿粉。可见,目前开展的工作主要是研究水泥对沥青混凝土水稳定性的影响,对沥青混凝土其他路用性能的关注则相对要少一些。

综上,为综合反映水泥对沥青混凝土路用性能的影响,在分析水泥化学成分的基础上,除了采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分析水泥对沥青混凝土水稳定性的影响外,还通过车辙试验和小梁弯曲试验分析了水泥对沥青混凝土高温性能和低温性能的影响,旨在促进水泥在沥青混凝土中的应用。

1 原材料

粗集料选用玄武岩;细集料选用石灰岩;填料选用石灰岩矿粉和标号为42.5的普通硅酸盐水泥,矿粉作为对照组使用;沥青选用AH-70基质沥青。按国家相关标准测定了集料、填料和沥青的基本性能指标,测试结果如表1～表4所示。由结果可见,所用原材料的基本性能指标均满足国家相关规范的要求。

表1 粗集料基本性能指标测试结果

表2 细集料基本性能指标测试结果

表3 填料基本性能指标测试结果

表4 沥青基本性能指标测试结果

2 试验方法

采用XRF分析水泥与矿粉的化学成分;将水泥替代矿粉的比例分别设置为0、20%、40%、60%、80%和100%,按照马歇尔设计方法设计对应的6种AC-13级配沥青混凝土,合成级配曲线如图1所示;按照各试验要求制备相应尺寸的沥青混凝土试件,开展车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验。

3 结果与讨论

3.1 化学成分

基于XRF分析确定的物质化学成分一般是以氧化物的形式表示,表5为水泥与矿粉化学成分分析结果。从表5中可以看出,矿粉的主要化学成分为CaO,同时矿粉的烧失量也很高,超过了40%,这和石灰石的矿物成分有关。石灰石主要含有方解石(CaCO3),在XRF分析中,CaCO3分解变成CaO和气体,因而XRF分析结果显示CaO和烧失量均很高。表5同时表明,水泥的CaO含量也很高,但除了CaO,还含有相当数量的SiO2。水泥的矿物类型同样可以解释这一点,硅酸二钙和硅酸三钙(C2S、C3S)为硅酸盐水泥的两种矿物类型,CaO和SiO2的数量多,意味着硅酸二钙和硅酸三钙含量比较丰富,硅酸盐矿物赋予水泥较好的碱性。沥青因含有沥青酸、沥青酸酐等成分而具有较好的活性,当采用水泥作为填料时,其可在集料表面形成碱性位点,因而理论上可增强沥青与集料间的粘结;同时,相较于矿粉,水泥更细、比表面积更大,其对自由沥青的吸附和吸收量更高,因而水泥胶浆的稠度增加,这些特点理论上可改善含水泥沥青混凝土的水稳定性、高温性能等。

表5 填料化学成分分析结果 w/%

3.2 高温性能

采用车辙试验测试沥青混凝土的高温性能,主要评价指标为动稳定度。不同水泥掺量沥青混凝土试件的动稳定度结果如图2所示。由图2可见,随着水泥掺量的增加,沥青混凝土试件的动稳定度快速增加;在水泥掺量为40%时达到最大,之后随着水泥掺量的进一步提高而逐渐下降。具体来看,未掺入水泥时,沥青混凝土试件的动稳定度为3 046次/mm,当水泥以20%、40%、60%、80%和100%的比例替代矿粉时,沥青混凝土的动稳定度分别提高了40.0%、50.7%、45.0%、35.4%和28.1%。可见掺入水泥能够明显提升沥青混凝土的高温稳定性。但水泥对高温稳定性的改善效果受其掺量影响,掺量过低或者过高均会降低其对沥青混凝土高温性能的改善效果。掺量过低时,有可能未充分发挥出水泥的作用;而掺量过高时,有可能水泥对沥青的吸附和吸收效应过强,沥青胶浆干涩,骨架之间的粘结变弱。因而就沥青混凝土的动稳定度和制备成本而言,建议采用水泥取代40%的矿粉。

3.3 水稳定性

开展浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的主要目的是获取沥青混凝土试件的残留稳定度和冻融劈裂强度比,不同水泥掺量沥青混凝土试件的残留稳定度和劈裂强度比结果如图3所示。从图3中可以看出,随着水泥掺量的增加,沥青混凝土试件的残留稳定度和劈裂强度比都逐渐增大,当水泥掺量为80%时两者达到最大值,之后随着水泥掺量的进一步提高则呈现出下降的趋势。具体来看,未掺入水泥时,沥青混凝土试件的残留稳定度和劈裂强度比分别为84.5%和80.3%,虽然分别满足规范中不低于80%和75%的规定,但优势不明显。当掺入水泥后,沥青混凝土试件的水稳定性得到逐步改善,水泥掺量达到80%时,沥青混凝土试件的残留稳定度和劈裂强度比分别达到93.1%和90.5%。当水泥完全取代矿粉时,残留稳定度和劈裂强度比有所下降,但依然保持在较高水平。这可能正如前面所述,水泥用量过高时,其对沥青的吸附和吸收效应过强,沥青胶浆变得干涩,集料之间的粘结变弱,改善沥青混凝土水稳定性的效果一定程度上受到影响。虽然水泥掺量为80%时的沥青混凝土水稳定性最佳,结合高温性能试验结果,水泥掺量为40%时的沥青混凝土水稳定性指标已经能非常轻松地满足规范要求,因此,综合考虑性能和成本,还是建议将水泥取代矿粉的量控制在40%左右。

3.4 低温抗裂性能

开展小梁弯曲试验的主要目的是确定沥青混凝土试件破坏时的弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量,试验结果如表6所示。从表6中可以看出,虽然三者未随水泥掺量的提高表现出明显的变化规律,但总体上,水泥的掺入提高了沥青混凝土试件的弯拉强度和弯曲劲度模量,降低了沥青混凝土的最大弯拉应变。目前评价沥青混凝土低温性能的主要指标是最大弯拉应变,其值越大代表沥青混凝土在低温环境下的变形能力越强。因而,单从弯拉应变来看,水泥的掺入对沥青混凝土的低温性能产生了不利的影响。但同时,弯拉强度等指标的变化则表明水泥提高了沥青混凝土的低温承载能力,因而从强度层面来看,含水泥的沥青混凝土试件不易形成开裂。因而不同指标揭示出的低温抗裂性能并不一致,这一方面可能与各类评价指标的适用性不同有关,另一方面也可能是水泥对沥青混凝土低温性能的影响机制比较复杂造成的。但即便如此,对于不同水泥掺量的沥青混凝土,最大弯拉应变均能满足规范微应变不低于2 000的要求。同时,水泥掺量为40%时,沥青混凝土的弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量也均处于比较理想的水平,因而就小梁弯曲试验结果而言,水泥取代40%矿粉的方案也是可行的。

表6 小梁低温弯曲试验结果

4 结 论

为了能比较综合性地反映水泥对沥青混凝土路用性能的影响,在分析水泥化学成分的基础上,考察了不同掺量的水泥对沥青混凝土高温性能、水稳定性和低温性能的影响。

a.数量可观的CaO和SiO2表明水泥含有比较丰富的硅酸二钙和硅酸三钙,因而水泥具有较好的碱性;同时,相较于矿粉,水泥更细、比表面积更大,对自由沥青的吸附和吸收效应较强。这些特征对水泥在沥青混凝土中的应用有利。

b.将水泥掺入沥青混凝土中可改善其高温性能和水稳定性,但掺入过量的水泥会降低其对高温性能和水稳定性的改善效果。综合考虑性能和成本,建议将水泥取代矿粉的量保持在40%左右。在该掺量下,沥青混凝土的低温性能指标总体上处于比较理想的水平。