贵州水稳料施工与出售掺乳化沥青水稳材料强度特性研究

前言

贵州水稳料施工与出售目前国内外一直致力于改善水泥稳定碎石的抗裂性，提升其综合使用性能方面的研究，一般而言提高水泥稳定碎石综合使用性能指标有三大方向，即通过水泥稳定碎石配合比设计，如级配优化设计、水泥掺量等手段降低混合料的干缩、温缩裂缝;通过改善水泥结合料、集料品质来提升水泥稳定碎石内部的粘聚力;通过在水泥稳定碎石中加入合适的外掺剂，如粉煤灰、橡胶粉、聚合物改性剂，以达到降低混合料干缩、温缩的同时，增加水泥稳定材料的柔性，同时提高其抗弯拉强度。在适合的外掺剂中，掺加乳化沥青的水泥稳定碎石具有刚柔相济的特点，沥青的柔性可有效降低水泥稳定碎石的刚性，其失水干缩量有所减小，价格上较为低廉，且施工方便，是减小半刚性基层反射裂缝的有效途径之一。但是，目前国内外对掺加乳化沥青的水泥稳定碎石的强度特性、力学性能多按照常规方式进行研究，且鲜见乳化沥青掺量对水泥稳定碎石强度特性的影响规律方面报道，以致不同乳化沥青掺量下水泥稳定碎石混合料的抗压、劈裂、弯拉、模量变化规律也缺乏了解。本文基于室内试验系统研究了不同乳化沥青掺量下水泥稳定碎石的强度特性与力学性能，为掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料在我国的推广应用提供借鉴。

原材料及配比

主要原材料和混合料级配

水泥为秦岭PO·42.5型普通硅酸盐水泥，乳化沥青采用阳离子慢裂慢凝乳化沥青，有效固含量为62.7%，粗集料为石灰岩，细集料采用机制砂，满足JTGD50－2006无机结合料基层工程级配范围的要求。

确定最佳含水率、最大干密度

按照JTGE51—2009重型击实试验确定水泥稳定碎石的最佳击实含水率，以重型击实试验最佳含水率峰值确定最大干密度。试验时分别变化水泥用量为4%、5%，每个水泥用量下变化乳化沥青掺量0%、2%、3%、4%、5%进行拌合试验，混合料拌合方式为先将水泥和集料干拌60s，再加入2%～6%拌合用水量拌合90s，最后加入预定质量的乳化沥青拌合90s。

重型击实试验结果可知，4%水泥掺量下，掺加乳化沥青后水泥稳定碎石的最佳含水率减小和最大干密度均有所减小，乳化沥青掺量与最佳含水率之间有W=5.52703－0.33108·x拟合关系;此外，随着乳化沥青掺量增大，水泥稳定碎石最大干密度减小，4%乳化沥青掺量可使水泥稳定碎石的最大干密度减小4%，对于5%水泥掺量下的水泥稳定碎石也有类似变化规律。分析其原因，乳化沥青溶液在试件成型过程中可起到润滑作用，减小了集料之间的摩阻力。

掺加乳化沥青的水泥稳定碎石强度特性

无侧限抗压强度试验

按照重型击实试验结果确定的最佳含水率和98%干密度成型静压试件，试件直径为100mm，高100mm，试件制备后要在养生室进行养生，温度保持在20+2℃，养生龄期的最后1d，将试件在15℃水中浸泡24h，水面在试件顶面约2.5cm处。浸泡水中之前，首先称取试件的质量。第二天将浸泡的试件从水槽中取出，用软布将试件表面的水分擦干净，然后称取试件的质量，两次称取的试件质量差值不能大于10g，否则该试件将作废。控制压力机的加载速率为1mm/min，考虑到沥青的感温性，试验温度控制为15℃，试件破坏时要及时读数并记录。每组强度试验结果为不少于3个试件的平均值，不同乳化沥青掺量下水泥稳定碎石无侧限抗压强度随养生龄期的变化规律。

试验结果可知:①乳化沥青对水泥稳定碎石无侧限抗压强度有显著影响，相同龄期内随着乳化沥青掺量的增大，水泥稳定碎石强度有下降趋势，4%、5%水泥用量条件下，掺加2%乳化沥青后水泥稳定碎石的7d无侧限抗压强度分别下降了16.4%、15.87%，这种下降趋势随着乳化沥青掺量的增大将更加显著②随着水泥用量的增加，乳化沥青掺量对水泥稳定碎石早期强度的影响程度有所减缓;③掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料后期强度增长率高于普通水泥稳定碎石混合料，且随着乳化沥青掺量的增大，这种增加趋势将更加明显。按照《公路沥青路面基层施工规范》(JTG034—2000)对水泥稳定碎石基层7d无侧限抗压强度3～5MPa(高速公路)、2.5～3MPa(二级公路及以下)要求，乳化沥青掺量超过4%后，4%水泥掺量下的水泥稳定碎石无侧限抗压强度将不满足规范要求。分析其原因，乳化沥青的加入影响了水泥稳定碎石的施工和易性，沥青的存在增大了试件成型过程中集料之间的阻力、降低了砂浆之间的流动性，随着乳化沥青掺量的增大，这种现象越显突出;此外，相比水泥混凝土，乳化沥青稳定类材料自身强度较小，过多的乳化沥青掺量可能会在水泥稳定碎石内部形成薄弱界面，且随着乳化沥青掺量的增大，水泥稳定碎石的柔性增强，抗压强度减小。

抗折强度试验

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51—2009)固定水泥掺量为5%水泥掺量，变化0%、1%、2%、1%、3%、4%、5%共5种乳化沥青掺量，28d龄期的小梁弯曲试验，小梁尺寸为100mm×100mm×40mm，试验采用三分点加载方式，试验温度为15℃。

结果表明:随着乳化沥青掺量的增大，水泥稳定碎石抗弯拉强度呈先增大后减小的变化趋势，二次拟合关系良好，5%水泥掺量下，1%、2%、3%、4%、5%乳化沥青掺量可使水泥稳定碎石的抗弯拉强度分别提高8.8%、18.6%、21.5%、17.3%、7.4%，乳化沥青掺量为2.5%时抗弯拉强度出现峰值，因此，工程实践中可通过抗折试验确定水泥稳定碎石的最佳乳化沥青掺量。对于4%水泥稳定碎石混合料也有类似变化规律。分析其原因，随着乳化沥青掺量的增大，水泥稳定碎石的柔性增强，适宜的沥青掺量可较好地填充了水泥砂浆的空隙，同时粘结了水泥砂浆颗粒，沥青的粘结与填充机理使水泥稳定碎石强度和柔性达到平衡，抗弯拉强

度出现峰值。

掺加乳化沥青的水泥稳定碎石抗压回弹模量

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中静压法成型试件，试件尺寸为直径为100，高100mm，考虑到试验温度对乳化沥青感温性的影响，选用－10～50℃的温度范围，包括了低温、常温和高温三个温度区域。以2mm/min的加载速率测定试件的破坏荷载P，按照下式计算沥青混合料的抗压强度。按照破坏荷载P的平均值，分别取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7P七级作为试验荷载。并严格按照规范中规定的进行逐级加载、卸载试验，试验结束后按照下式计算抗压回弹模量值。

对不同乳化沥青掺量的水泥稳定碎石混合料进行抗压回弹模量试验。

①相同试验温度条件下，随着乳化沥青掺量增加水泥稳定碎石混合料抗压回弹模量呈二次函数关系减小，拟合了15、20℃条件下抗压回弹模量与乳化沥青掺量之间的关系，二次相关性良好，可见，对于掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料，由于乳化沥青材料的加入，沥青混合料的力学参数已经发生了明显的变化，因此直接参考规范取值是不合理的做法。

②掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料抗压回弹模量随试验温度的升高而降低，乳化沥青掺量越大，抗压回弹模量随温度升高降幅将更加明显，试验温度从15℃提高到50℃，1%乳化沥青掺量下的水泥稳定碎石混合料抗压回弹模量由1408.42MPa降低到973.42MPa，降幅为30.9%，相同降温区间，2%、3%、4%、5%乳化沥青掺量下的水泥稳定碎石混合料抗压回弹模量分别将低了47.4%、48.2%、51.1%、63.7%，可见掺加乳化沥青后水泥稳定碎石混合料对温度的敏感性显著增强，这对水泥稳定碎石基层的抗永久变形能力不利。

掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料抗冲刷性能

室内试验中，常使用冲刷试验机来模拟行车过程中车轮产生的冲刷。试验中，电机带动冲刷头上下运动，压头对试件顶面进行冲击的同时，压头底面与试件顶面之间的细料被快速挤出，以此模拟实际使用中车辆荷载对基层的冲刷作用。固定水泥掺量为4%，变化乳化沥青掺量为0%、3%、4%、5%试件成型后在标准环境中养生7、28、60、90、180d，试验前一天泡水24h，在冲刷试验前用清水冲洗试件表面，将微小破损冲洗掉，减小对试验数据的影响，依据规范方法进行冲刷试验，以研究不同养生龄期乳化沥青掺量对水泥稳定碎石混合料抗冲刷性能的影响。

结果表明:相同水泥掺量条件下，水泥稳定碎石混合料试件的冲刷质量损失随着养生龄期的增长而逐渐降低，并且在60d～90龄期时冲刷质量损失进入相对稳定阶段，试验可以发现各个龄期的掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料的冲刷质量损失都非常低，此外相同龄期内，混合料的冲刷质量损失率随着乳化沥青掺量的增大而增加，分析原因，掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料的抗冲刷性能随其龄期的增长而降低，是与水泥稳定碎石混合料的强度变化规律相一致，随着水泥水化反应的持续进行，水泥石晶体的不断发育，且部分集料被沥青油膜包裹，也会使混合料内部的毛细孔隙减少，连通空隙的减少阻碍了自由水分的冲刷作用，冲刷下来的细料无法聚集和转移，各种因素综合作用使掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料具有较好的抗冲刷性能。

掺加乳化沥青的水泥稳定碎石混合料抗裂性

水泥稳定类基层材料收缩分为干缩和温缩两种。当材料收缩量比较大的时候基层就会产生裂缝，在荷载作用下便会形成发射裂缝使沥青面层发生破坏，降低路面的使用性能。室内干缩试验步骤如下:试件制备和养护;试件成型以后，要在标准养生室养生7d，将饱水后试件的表面水擦干，然后用游标卡尺量测试件的初始长度;将试件置于干缩仪上，并固定、安装完毕;干缩仪连同试件一起放入干缩室，其中3个试件用来测量收缩率，2个试件用来测量含水率。

试验中发现，水泥稳定碎石混合料的干缩系数随失水率的增大表现为先增大后减小的规律，而其干缩应变随着失水率的增大而持续增大，且失水率大于3%后干缩应变的增长趋势减缓。相同失水率条件下，水泥剂量越大，其干缩系数越大，干缩应变也越大，干缩应变与水泥掺量之间具有较好的线性关系。此外，相同水泥用量条件下，随着乳化沥青掺量增大，水泥稳定碎石混合料干缩系数减小，水泥稳定碎石混合料的干缩开裂问题得到缓解。分析其原因主要，乳化沥青的增多可能使水泥稳定碎石混合料内部的毛细孔隙进一步减少，甚至有一部分会变成封闭孔隙，经过水泥稳定后，随着水化产物的增加，其内部孔隙会进一步减少，使混合料内部的水分难以蒸发，就导致材料具有一定的干缩性能，掺加乳化沥青后，水泥稳定碎石混合料的柔性增强，沥青在水泥稳定碎石混合料内部起到了应力缓冲层的作用，起到了卸荷作用，可见适量的乳化沥青掺量可确保水泥稳定碎石混合料具有较好的抗干缩能力。

结论

①随着乳化沥青掺量的增加，水泥稳定碎石混合料的柔性增加，抗压强度减小，乳化沥青掺量超过5%后抗压强度不能满足高速公路水泥稳定碎石基层3～5MPa的强度要求。②随着水泥掺量的增大，水泥稳定碎石抗弯拉强度呈先增大后减小的二次函数关系变化趋势，拟合关系良好，5%水泥掺量下，1%、2%、3%、4%、5%乳化沥青掺量可使水泥稳定碎石的抗弯拉强度分别提高8.8%、18.6%、21.5%、17.3%、7.4%，乳化沥青掺量为2.5%时抗弯拉强度出现峰值。③相比普通水泥稳定碎石混合料，掺加乳化沥青后水泥稳定碎石混合料的劈裂强度至少提高23.5%，乳化沥青掺量在2%～3%时水泥稳定碎石的劈裂强度出现峰值，峰值劈裂强度比普通水泥稳定碎石混合料提高了60%多。④随着乳化沥青掺量增大，水泥稳定碎石混合料的抗压回弹模量对温度的敏感性增强，综合考虑乳化沥青掺量对水泥稳定碎石混合料强度特性、抗冲刷性能、抗裂性的影响，贵州水稳料施工与出售推荐水泥稳定碎石混合料适宜的乳化沥青掺量为2%～3%。