蔣承華，農(nóng)玲莉

(1.廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著我國(guó)高速公路路網(wǎng)建設(shè)不斷完善，路面養(yǎng)護(hù)工作已成為各省區(qū)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的主要任務(wù)。養(yǎng)護(hù)工程與新建工程存在較大區(qū)別，其需要在不影響或最小影響交通環(huán)境的情況下保證已損壞的路面快速修復(fù)，且保證修復(fù)區(qū)域的質(zhì)量耐久，降低二次破壞的影響。對(duì)于瀝青路面，坑槽、車轍的修復(fù)工藝、技術(shù)也在不斷地優(yōu)化完善，近年來關(guān)于采用快速修復(fù)材料對(duì)上述問題進(jìn)行處理的研究取得了不少的成果。如郝肖雨等利用環(huán)氧樹脂、水泥等材料制備了早強(qiáng)、性能穩(wěn)定的快速修復(fù)材料(EAC)，并分析了水泥-環(huán)氧樹脂相互結(jié)合后微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，為后期對(duì)材料的優(yōu)化提供了手段與基礎(chǔ)[1]。盧東等通過選擇鋁鎂水泥作為基材開發(fā)了新型早強(qiáng)修復(fù)材料，并分析了材料的高溫性能、低溫性能等，提出了水泥材料摻量不宜超過12%，但對(duì)其他性能未開展試驗(yàn)研究[2]。徐穎等綜合分析了磷酸鎂水泥的水化反應(yīng)特性，以及其與傳統(tǒng)水泥基修復(fù)材料之間的區(qū)別，采用綜述的方式對(duì)MPC材料的物理、化學(xué)特性及工程應(yīng)用性能等開展了分析，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果提出了MPC材料存在的問題[3]。謝俊偉等利用甲基丙烯酸異丁酯與氰基丙烯酸乙酯進(jìn)行復(fù)配合成，以水泥為主要成分制備了混凝土裂縫修復(fù)材料，研究了材料流動(dòng)性、粘聚性和力學(xué)抗壓強(qiáng)度，為水泥混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)提供了新的研究基礎(chǔ)[4]。馬一平等采用硫鋁酸鹽水泥制備水泥穩(wěn)定碎石基層用快速修復(fù)材料，研究了其不同時(shí)間下的抗壓、抗折強(qiáng)度，使其滿足瀝青路面結(jié)構(gòu)層的功能要求，并開展了試驗(yàn)段驗(yàn)證[5]。

綜上所述，水泥基快速修復(fù)材料在我國(guó)得到了部分推廣應(yīng)用，但該類型材料的組成成分繁多，對(duì)其長(zhǎng)期耐久性研究并不充分，尤其涉及路用性能分析方面，無論在瀝青混凝土路面還是水泥混凝土路面均缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)研究。對(duì)比，本文依據(jù)前期研究成果，分析了主要組成材料水泥、乳化瀝青用量變化對(duì)材料的力學(xué)性能、路用性能的影響，為后期推廣應(yīng)用提供初步技術(shù)指導(dǎo)。

1 原材料及方案

1.1 原材料

試驗(yàn)選擇石灰?guī)r集料，瀝青選擇陽離子慢裂乳化瀝青PC-2，水泥選擇普通硅酸鹽P.O42.5，膨脹劑為淄博市永超化工生產(chǎn)ED-H產(chǎn)品，上述材料的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見表1～3。

表1 粗、細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果表

表2 PC-2陽離子慢裂型乳化瀝青檢測(cè)結(jié)果表

表3 ED-H膨脹劑材料檢測(cè)結(jié)果表

1.2 試驗(yàn)方案

半柔性水泥基快速修復(fù)材料的基本特性與路用性能密切相關(guān)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)需滿足瀝青路面規(guī)范要求，本文依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[6]中的相關(guān)試驗(yàn)開展路用性能分析，具體方案如下：

(1)礦料級(jí)配組成。鑒于所選材料主要用于路面表面層修復(fù)，礦料級(jí)配不易過粗，研究選用密級(jí)配AC-10C(見表4)。

表4 AC-10C合成級(jí)配設(shè)計(jì)表

(2)路用性能試驗(yàn)優(yōu)化。瀝青路面表面層作為結(jié)構(gòu)功能層，其性能優(yōu)劣直接影響路面運(yùn)營(yíng)質(zhì)量和使用壽命。本文參考瀝青混合料的相關(guān)路用性能要求，對(duì)上述材料的力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能及水穩(wěn)定性能開展相關(guān)研究分析。

2 力學(xué)性能分析

半柔性材料的力學(xué)強(qiáng)度與彈性模量介于剛性材料、柔性材料之間，對(duì)于瀝青路面快速修復(fù)材料，其力學(xué)強(qiáng)度需滿足車輛荷載的不斷沖擊，且也能夠適應(yīng)環(huán)境變化引起的塑性變形，因此開展抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件為直徑100 mm×高度100 mm圓柱體，水泥摻量為8%、10%、12%(下同)，乳化瀝青用量為5%、7%、9%(下同)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

由圖1、圖2可知：

(1)隨水泥用量增加，養(yǎng)護(hù)4 h和7 d的試件抗壓強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)變化，且不同乳化瀝青摻量下，抗壓強(qiáng)度變化幅度存在較大差異。養(yǎng)護(hù)4 d時(shí)，如乳化瀝青含量為7%、水泥摻量分別為10%和12%的材料試件抗壓強(qiáng)度分別提高了82%和137%(與摻量8%相比)，當(dāng)乳化瀝青含量為9%，二者的抗壓強(qiáng)度分別提高了10%和46%。說明水泥用量的增加顯著提高了試件內(nèi)部膠凝材料生產(chǎn)量，促進(jìn)結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度提高，而當(dāng)乳化瀝青含量增加，乳化瀝青膠結(jié)材料最終形成柔性結(jié)構(gòu)，勢(shì)必降低其力學(xué)性能。

(2)乳化瀝青對(duì)試件的力學(xué)強(qiáng)度也存在顯著影響，且不同水泥用量下的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律并不相同。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，當(dāng)水泥用量為8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨乳化瀝青用量增加而增加，水泥用量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈先增加后下降趨勢(shì)，水泥用量為12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)。說明乳化瀝青材料與水泥相互結(jié)合過程中存在相應(yīng)最佳摻量范圍，如水泥摻量為10%，乳化瀝青用量分別為7%和9%的材料抗壓強(qiáng)度變化為15%和-2%(與用量5%相比)。

圖1 不同水泥用量下4 h抗壓強(qiáng)度柱狀圖

圖2 不同水泥用量下7 d抗壓強(qiáng)度柱狀圖

3 高溫性能分析

瀝青路面的高溫性能主要表征路面在夏季高溫環(huán)境下是否能夠抵抗車輛荷載作用，以免產(chǎn)生車轍等病害，對(duì)于柔性材料(瀝青混合料)，隨車輛荷載次數(shù)的增加，其產(chǎn)生的累計(jì)變形不可恢復(fù)，而采用半柔性材料，具備了較強(qiáng)的剛度，也具有相應(yīng)的柔度。采用車轍試驗(yàn)分析材料的高溫性能，試驗(yàn)溫度為70 ℃，荷載為0.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可知：

(1)隨水泥用量增加，試件的動(dòng)穩(wěn)定度呈增加趨勢(shì)，水泥摻量為10%、12%的材料動(dòng)穩(wěn)定度值分別增加了34%和71%(與摻量8%相比)。說明半柔性材料中水泥對(duì)提高混合料的剛度具有顯著優(yōu)勢(shì)，水泥水化吸收乳化瀝青中自由水，且與集料具備較高的粘結(jié)性，作為快速修復(fù)材料，其具備良好的剛度抵抗車輛的荷載，可保證修復(fù)區(qū)域不易產(chǎn)生變形。

(2)隨乳化瀝青用量增加，動(dòng)穩(wěn)定度值呈下降趨勢(shì)，說明乳化瀝青對(duì)高溫性能具有一定的劣化作用，摻量為7%、9%的材料動(dòng)穩(wěn)定度值分別下降了15.6%和23.6%(與5%相比)。乳化瀝青用量越大(柔性膠結(jié)料)，混合料中水分越多，當(dāng)水泥水化吸收一定量的水分后，剩余的水分采用蒸發(fā)形式消失，勢(shì)必在混合料內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)空隙，即試件的空隙率也將增加，試件產(chǎn)生的變形就越大。

圖3 不同水泥用量下動(dòng)穩(wěn)定度(乳化瀝青摻量為7%)柱狀圖

圖4 不同乳化瀝青用量下動(dòng)穩(wěn)定度(水泥摻量為10%)柱狀圖

4 低溫性能分析

瀝青路面的低溫破壞主要發(fā)生在冬季，當(dāng)環(huán)境溫度<-5 ℃時(shí)，瀝青混合料將產(chǎn)生低溫收縮變形，超過材料的極限彎拉應(yīng)變時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫破壞。對(duì)于半柔性材料，力學(xué)剛度遠(yuǎn)高于瀝青混合料，但其在較低溫環(huán)境下是否具備足夠的應(yīng)變變形需要開展相應(yīng)研究。設(shè)試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試件尺寸為40 mm×40 mm×250 mm，試驗(yàn)結(jié)果見圖5～8。

由圖5～8可知：

(1)隨水泥用量增加，試件的抗彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量呈增加趨勢(shì)，最大彎拉應(yīng)變呈下降趨勢(shì)，這與力學(xué)性能變化規(guī)律相一致。水泥用量增加，半柔性混合料的剛度增加，試件的力學(xué)強(qiáng)度不斷提高，但在低溫條件下更容易產(chǎn)生脆性破壞，因此力學(xué)性能指標(biāo)呈增加狀態(tài)，而最大彎拉應(yīng)變變形逐漸下降。如水泥摻量為10%、12%的材料抗彎拉強(qiáng)度值分別增加了56.5%和95.7%(與摻量8%相比)，最大彎拉應(yīng)變下降了8.7%和31.3%。

(2)隨乳化瀝青用量增加，試件的最大彎拉應(yīng)變呈先增加后下降趨勢(shì)，在摻量為7%時(shí)具有最大值，這與其他性能指標(biāo)變化規(guī)律不一致。如乳化瀝青摻量為7%、9%的材料最大彎拉應(yīng)變分別提高了28.8%和25.0%(與摻量5%相比)。這說明乳化瀝青作為柔性膠結(jié)材料，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到降低材料脆性作用，通過與水泥形成良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，裹覆在集料表面，提高粘結(jié)效果，促進(jìn)細(xì)集料進(jìn)一步填充級(jí)配空隙，不降低力學(xué)性能的同時(shí)，改善試件的變形能力。

圖5 不同水泥用量下抗彎拉強(qiáng)度柱狀圖

圖6 不同水泥用量下最大彎拉應(yīng)變柱狀圖

圖7 不同水泥用量下彎曲勁度模量柱狀圖

圖8 不同乳化瀝青用量下最大彎拉應(yīng)變柱狀圖

5 水穩(wěn)定性能分析

水穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究在水的作用下集料-瀝青之間的粘結(jié)效果，一般情況下，隨水分的介入，整個(gè)結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能逐漸下降，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生一系列破壞。采用浸水馬歇爾試驗(yàn)分析不同水泥和乳化瀝青用量下的水穩(wěn)定性能，試驗(yàn)結(jié)果見下頁圖9、圖10。

圖9 不同水泥用量下殘留穩(wěn)定度柱狀圖

圖10 不同乳化瀝青用量下殘留穩(wěn)定度柱狀圖

由圖9、圖10分析可知：隨水泥用量、乳化瀝青用量的增加，試件殘留穩(wěn)定度均呈先增加后下降趨勢(shì)，二者對(duì)試件的水穩(wěn)定性能影響程度不一致。當(dāng)殘留穩(wěn)定度為最大值，水泥用量最佳為10%，乳化瀝青用量為7%。水泥摻量為10%、12%的材料殘留穩(wěn)定度變化幅度在0.5%，而乳化瀝青用量為9%的材料，殘留穩(wěn)定度下降了2.2%。另外，對(duì)于摻加水泥、乳化瀝青的半柔性混合料，其水穩(wěn)定性均能達(dá)到良好狀態(tài)，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求(改性瀝青80%)，說明半柔性材料具備優(yōu)良的抗水損害能力。

6 結(jié)語

(1)水泥基快速修復(fù)材料的力學(xué)性能與水泥用量、乳化瀝青用量存在密切關(guān)系，隨水泥用量增加，力學(xué)抗壓強(qiáng)度呈持續(xù)增加趨勢(shì)變化，且隨乳化瀝青用量增加，其變化幅度逐漸下降。水泥用量為10%時(shí)，隨乳化瀝青用量增加，抗壓強(qiáng)度呈先增加后下降趨勢(shì)；當(dāng)超過10%時(shí)，材料的抗壓強(qiáng)度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，說明乳化瀝青與水泥材料存在最佳摻量范圍。

(2)隨水泥摻量增加，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)、抗彎拉強(qiáng)度指標(biāo)、彎曲勁度模量指標(biāo)均呈逐漸增加趨勢(shì)變化，混合料的高溫性能顯著提高，低溫抗裂性能逐漸劣化。隨乳化瀝青用量增加，動(dòng)穩(wěn)定度值呈下降趨勢(shì)，最大彎拉應(yīng)變呈先增加后下降趨勢(shì)，在摻量為7%時(shí)具有最大值。這說明水泥、乳化瀝青材料對(duì)整體結(jié)構(gòu)的高溫性能、低溫性能存在相互影響，需要結(jié)合材料各項(xiàng)性能，提出二者的最佳用量。

(3)隨水泥用量和乳化瀝青用量的增加，殘留穩(wěn)定度指標(biāo)均呈先增加后下降趨勢(shì)，且乳化瀝青對(duì)水穩(wěn)定性能的影響更為顯著，二者均存在最佳用量范圍，同時(shí)也顯示了半柔性快速修復(fù)材料具備優(yōu)良的抗水損害能力。