- 1 - 中国科技论文在线 水泥剂量对沥青混合料性能影响试验研究# 刘朝晖，何春燕* 基金项目：博士点基金（20114316110001） 作者简介：刘朝晖，（1968-）男，教授，主要研究方向：路基路面工程，道路新材料，道路环境工程 （长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410076） 摘要：随着我国高速公路通车里程的不断增长，高速公路沥青路面的使用越来越广泛，但目5 前修筑的高速公路沥青路面，由于超载、重载、渠化交通、气候等因素的综合影响，其使用 寿命远没有达到公路建设者的预期目标。针对南方湿热地区主要产生的病害类型为高温抗车 辙能力较低、水稳定性较差，依托宁道高速公路新建工程，在骨料级配满足一般骨架密实结 构的基础上，通过室内试验对不同水泥剂量下沥青混合料路用性能进行全面的对比试验，得 出掺配一定数量的水泥可以有效地提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性，为南方湿热地10 区沥青路面的建设提供参考依据。 关键词：高速公路；沥青混合料；水泥剂量；高温稳定性；水稳定性 中图分类号：U4 Experiment Research on Impacts about Cement Dose to 15 Performance of Asphalt Mixtures Liu Zhaohui, He Chunyan (Changsha University of Science & Technology, ChangSha 410076) Abstract: With growing of China's expressway traffic mileage, asphalt pavement use widespread ,but the current construction of the highway asphalt pavement far from the road 20 builders’ target for its life , due to combined effects of overloading , heavy-loading, channel traffic ,climate and other factors. Against the type disease of low high-temperature rutting resistance and less water stability in Southern hot and humid areas, and according to the new construction of the Ningdao highway, different cement dose of Asphalt Mixture Performance experiment has been done through indoor test and conduct a comprehensive comparative tests 25 about the results, obtained blending a certain amount of cement can effectively improve high-temperature stability and water stability of asphalt mixture on the basis of aggregate gradation meet the general framework dense structure, making reference of the construction asphalt pavement in the southern hot and humid areas in the future. Keywords: expressway; asphalt mixtures; cement dose; high-temperature stability; water stability 30 0 引言 随着我国经济建设的蓬勃发展，道路交通量日益增长，车辆大型化和重载超载车辆比例 不断增加，道路使用者对沥青路面提出愈来愈高的要求。而车辙损坏是近年来夏季炎热地区、 重轴载道路、长大纵坡、小半径弯道路段等高速公路沥青路面的主要损坏形式之一。目前提35 高沥青路面高温稳定性的方法和措施主要有调整沥青混合料的矿料级配、表面层或上、中面 层(甚至下面层)均采用改性沥青(或橡胶沥青、高模量沥青、掺加抗车辙剂、纤维等胶结材料 或外掺剂)、加强沥青路面的材料控制与施工控制等途径。同时，水损坏也已经成为我国公 路沥青路面早期损坏的主要病害之一，严重影响公路通行能力、行车安全、投资效益，直接 和间接经济损失巨大，同时也造成了不良社会影响。随着我国公路建设的进一步发展，解决40 公路沥青路面的车辙和水损坏问题是我国公路发展的需要。 沥青混合料是由沥青胶浆及骨料两部分组成，其中沥青胶浆由沥青、矿粉(还可能包括 纤维等添加剂)组成。胶浆在混合料中所占比例不大，但对路面性能的影响却起着十分重要 - 2 - 中国科技论文在线 的作用，沥青路面的很多病害往往是由于沥青胶结料的性质较差引起的；现有研究表明[1]， 沥青胶结料对沥青混合料路用性能的抗车辙贡献率约占到 40%。同时沥青胶结料的性质差45 也会影响其与骨料的粘附性，降低其抗水损害能力。因此矿粉与沥青形成稳定的沥青胶浆就 非常重要，而水泥比矿粉具有更大的比表面积，更有利于形成完整稳定的沥青胶浆。因此本 文通过室内试验研究沥青混凝土路面上面层中掺配不同水泥剂量(用水泥代替等量的矿粉) 对沥青混合料路用性能的影响，以期解决目前南方湿热地区高等级公路沥青路面建设中存在 的高温车辙及水损害等问题。 50 1 原材料试验 由于实体工程处在湖南省境内，路面使用性能气候分区为 1-4-1 夏炎热冬温潮湿区，因 此对沥青的高温抗车辙性能及抗水损害有较高要求。本研究项目上面层试验所用沥青为湖南 路翔工程有限公司生产的壳牌 SBS 改性沥青[2] (基质沥青为壳牌 A-70，改性后的技术指标应 满足 I-D 的要求)，SBS 改性沥青的试验结果见表 1，其各项性能指标均符合规范[3]要求。 55 粗集料采用广东清远料场生产的绢云母化砂岩，细集料为道县白芒铺乡后头寨石灰岩现 场加工机制砂，填料采用石灰岩矿粉、普通硅酸盐水泥。通过对原材料指标的检验，集料及 填料的各项物理、力学指标试验结果见表 2，均满足规范[3]要求。 表1 SBS I-D改性沥青主要技术指标 60 检测项目 检测结果 规范要求(JTG F40-2004) 针入度(25℃,100g，5s)/ 延度（5℃，5cm/min）/ cm 软化点（R＆B）/℃ 弹性恢复（25℃）/% 闪点/℃ 贮存稳定性离析，48h 软化点差/℃ RTFOT后 质量变化/% 残留针入度比/% 85 300 75 30～60 ≮20 ≮60 ≮75 ≮230 ≯ ≯± ≮65 表2 集料的主要技术指标 检测项目 检测结果 规范要求(JTG F40-2004) 压碎值/% 磨耗值/% 磨光值 表观相对密度 针片状含量/% 吸水率/% 53 ≯28 ≯30 ≯42 ≮ ≯15 ≯ 2 沥青混合料设计 参考沙庆林院士所提出的骨架密实结构的级配设计方法和级配检验方法，其设计曲线为65 粗集料各个筛孔通过量是一条幂函数较大的曲线，使粗集料形成孔隙率较大的骨架结构，细 集料各个筛孔通过量是一条幂函数较小的密实曲线，细集料与粉料及水泥拌和均匀后填充在 粗集料骨架的孔隙中，形成骨架密实结构，使设计的沥青混凝土既密实、空隙率小，水不容 易透入，又具有较高的高温抗永久形变能力。用作表面层时，还具有良好的抗滑性能。 考虑到本项目的远景交通量与重载交通状况、所处的气候与环境条件，经大量的室内试70 验分析与验证，提出了表 3 所示的一般骨架密实结构的级配曲线及范围。 - 3 - 中国科技论文在线 表3 AC-13C表面层沥青混合料级配组成曲线(方孔筛) 各筛孔通过质量百分率 (%) AC-13 级配 19 16 上限 下限 推荐值 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 64 35 25 30 24 23 10 10 6 8 75 鉴于以往项目上面层最佳沥青油石比范围，在沥青混合料配合比设计中以 0%、2%、4%、 6%、8%等 5 个不同水泥剂量替代等量矿粉，对应每个水泥剂量分别采用 %、%、%、 5%、%共 5 个油石比进行马歇尔试验，得到 5 个不同水泥剂量下最佳油石比见表 4。 表4 不同水泥剂量对应的最佳油石比 80 水泥剂量（%） 最佳油石比（%） 0 2 4 6 8 分析试验结果可知，随着水泥剂量的不断增大，沥青混合料配合比设计的最佳油石比也 按 %的比例增大，最大增加了 %。由于水泥比表面积要比矿粉大得多，因此，相同剂 量的水泥比矿粉能吸附更多的沥青，配合比设计的最佳沥青用量通常需要增加 %~%左 右[3]。由此可见，当配置不同水泥剂量的沥青混合料时需要重新进行配合比设计。 85 3 高温稳定性试验 路面出现泛油、车辙等高温稳定性不足的问题，直接影响路面平整度，降低了路面使用 性能和服务质量。究其原因，沥青混合料是典型的热流变材料，在夏季高温季节，材料表现 为弹-黏-塑性体或黏-塑性体，在荷载作用下产生较大塑性变形，特别是在高速公路和城市道 路中，由于渠化交通，随着荷载重复次数的增加，塑性变形的积累，使车辙现象严重。因此，90 高温稳定性是沥青混合料的重要性能，特别是在我国南方湿热地区，沥青路面的早期高温车 辙破坏较为普遍。对沥青混合料高温性能的室内试验评价，各国普遍采用车辙试验。本文从 同一水泥剂量不同油石比情况下马歇尔稳定度的变化趋势和不同水泥剂量下对应最佳油石 比的车辙试验结果动稳定度的变化趋势两个方面，分析不同水泥剂量对沥青混合料高温性能 的影响。其试验结果如图 1、图 2 所示。 95 图1 同一水泥剂量不同油石比马歇尔稳定度变化趋势图 图2 不同水泥剂量对应最佳沥青油石比动稳定度 由马歇尔试验及车辙试验结果可知，随水泥剂量的增加不同油石比的马歇尔稳定度均呈100 现增大的趋势，且不同水泥剂量对应的最佳沥青油石比动稳定度整体上也是增加的。掺配 2%水泥剂量对应的最佳油石比的动稳定度比没有掺配水泥剂量的动稳定度提升了将近 6%， - 4 - 中国科技论文在线 且掺配矿粉用量一半(即掺量为 4%)的水泥剂量时，动稳定度甚至增长了 %，增长幅度比 较大。然而，超过这个剂量后，随着水泥剂量的增加动稳定度最大可增加到 10%，但是增 长幅度明显减小，增长趋势不是很明显。究其原因，水泥比矿粉拥有更大的比表面积，能使105 沥青与集料的粘附性提高，在沥青混合料内部形成稳定的骨架密实结构或者骨料间沥青胶浆 粘结力较强，从而有效地增加了沥青混合料的高温稳定性。但是当沥青胶浆逐渐稳定后，这 种效果就逐渐变得没有那么明显。 4 水稳定性试验 在我国南方湿热地区，水损害是沥青路面的主要病害之一[4]。冻融劈裂试验通过高温水110 浴及低温冰冻的作用降低沥青与石料的粘附性，通过两组试件冻融前后劈裂抗拉强度的比 值，检测其水损害的程度[5]。本文就是对不同水泥剂量下对应最佳油石比的沥青混合料马歇 尔试件进行冻融劈裂试验，研究不同水泥剂量对路面水损害的影响。沥青混合料试件的体积 参数及试验结果如表 5 所示。 115 表5 不同水泥剂量对应最佳油石比下试件体积参数及冻融劈裂试验结果 水泥剂 量(%) 最佳油 石比 (%) 毛体积密 度（g/cm3） 空隙率 VV（%） 沥青饱和 度（%） 冻融劈裂抗 拉强度(Mpa) 未冻融劈裂抗 拉强度(Mpa) 残余强度比 TSR（%） 0       2       4       6       8        从表 5 可知，随着水泥剂量的增大，试件残留强度比 TSR 逐渐增大了 %、%、%、 %，即说明水泥剂量可以增强沥青混合料的抗水损害能力，也验证了规范[3]所说的：SHRP 研究成果对长期以来使用了胺类抗剥落剂的沥青混合料的耐久性再次提出了异议后，更重视120 采用消石灰和水泥作为主要的抗剥落剂。而且，由前文可知，随着水泥剂量的增加对应的最 佳油石比按 %的比例增大，最大增加了 %，而油石比的增大也有利于增强沥青混合料 的抗水损害能力。 同时，可以看出不同水泥剂量对沥青混合料的抗水损害能力影响效果是不一样的。当水 泥剂量占矿粉用量一半(即掺量为 4%)时，试件残留强度比 TSR 提升是最明显的。虽然水泥125 掺量为 8%时增长是最大的，但是比水泥掺量为 4%的 TSR 只增加了 %，而其对应的最佳 油石比增加了 %。由于本项目使用水泥和改性沥青的量比较大，因此当用 8%的水泥掺量 比 4%的水泥掺量将使水泥用量增加约 20t，改性沥青用量也将增加约 4t，而现在水泥市场 价为 360 元/t，改性沥青市场价为 7500 元/t，故采用 4%的水泥掺量将可以节约 40000 元资 金。综合考虑水泥、沥青在项目中的用量及其市场价格，可知，水泥掺量为 4%时的经济效130 益是最大的。 5 低温抗裂性试验 由于低温抗裂性也是路面需具备的一项极为重要的路用性能指标[6]，由于水泥为脆性材 料，添加水泥可能会使混合料变硬变脆，从而可能会使混合料的低温抗裂性能降低，因此本 文进行了不同水泥掺量下的低温弯曲试验，试验温度为-10℃，加载速率为 l mm/mm，试验135 结果见表 6。 - 5 - 中国科技论文在线 表6 不同水泥掺量下低温弯曲试验结果 水泥剂量 (%) 最佳油石比 (%) 抗弯拉强度 (Mpa) 最大弯拉应变 （με） 弯曲劲度模量 (Mpa) 0 2778 2866 2 2782 2821 4 2776 2832 6 2779 2806 8 2778 2839 从表 6 中的结果看出不同水泥剂量下沥青混合料的弯拉应变、劲度模量均变化很小，这140 意味着不同水泥剂量对混合料的低温抗裂性能影响很小，所以从低温弯曲试验结果来看，掺 加不同水泥剂量对路面的低温抗裂性能不会产生不利影响。 由以上试验结果分析可知，不同水泥剂量对沥青混合料的高温稳定性、抗水损害能力的 影响效果是不一样的。当水泥掺配剂量为 4%时，其动稳定度、试件残留强度比 TSR 比没有 掺配水泥剂量分别增加了 %、%，掺配剂量再增加其性能指标提升很小，而最佳油石145 比却提升较大，故从经济效益方面考虑，当水泥剂量为 4%时，能使沥青混合料路用性能和 经济效率达到综合最佳效果。 6 结论 通过掺配不同水泥剂量沥青混合料的高温稳定性、水稳定性等方面的对比试验研究，可 以得出以下结论。 150 1)由于水泥比矿粉拥有更大的比表面积，能使沥青与集料的粘附性提高，在沥青混合料 内部形成稳定的骨架密实结构或者使骨料间沥青胶浆粘结力变强。因此，在沥青混合料中掺 配一定的水泥剂量可以提高沥青混合料的马歇尔稳定度和车辙指标动稳定(DS)，且动稳定度 (DS)提高最大可较不加水泥剂量提高 10%，极大地改善了沥青混合料的高温稳定性。 2)水一旦进入沥青混合料中，在快速重载车辆作用下容易产生沥青剥落现象，需要增强155 沥青与矿料的粘结力，而水泥是很好的抗剥落剂，在沥青混合料中掺配一定的水泥剂量后， 提高了沥青混合料试件残留强度比(TSR)，最大达 %，同时，在矿粉中掺配水泥剂量可以 使沥青混合料配合比设计中的最佳沥青含量提升 %~%，可以极大地增强沥青混合料的 水稳定性。 3)在矿粉中掺配水泥可以提高沥青混合料的高温稳定性、水稳性，但是随着剂量的不同160 影响也是不一样的。当水泥剂量达到 4%，即填料一半以上，各项指标虽有上升但是趋势不 是很明显，综合考虑沥青混合料路用性能及经济效应等，建议上面层一般宜添加填料一半(即 掺配为 4%)的水泥剂量。 4)矿粉中掺配不同水泥剂量，不会因为水泥本身为脆性材料，而使沥青混合料的弯拉应 变减小、劲度模量发生很大变化，因此用部分水泥替代矿粉不会降低沥青混合料的低温抗裂165 性能。 [参考文献] (References) [1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2001. [2] 黄维蓉，道路建筑材料[M]．北京：人民交通出版社,2011． 170 [3] 沈金安，李福普，陈景，JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2005 [4] 沙庆林 高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施[J].国外公路，2000（8） [5] 刘朝晖，欧阳昇，沙庆林.高粘度硬沥青混合料路用性能研究[J].西部交通科技，2006（11）. [6] 崔风仁，孟庆伟，庄伟. 岩沥青改性沥青混合料配合比设计研究[J].中外公路，2011（6）.