摘 要: 采用振動法成型試件,對不同材料組成水泥混凝土的7 d、28 d 抗壓強度、抗折強度和28 d抗折模量做對比試驗,其中包括普通水泥混凝土、摻入乳化瀝青的水泥混凝土、摻入乳化瀝青和不同含量消泡劑的水泥混凝土。試驗結果表明,普通水泥混凝土的抗壓強度、抗折強度和抗折模量值均不同程度地大于乳化瀝青水泥混凝土的相應試驗值,但乳化瀝青水泥混凝土更具有韌性。在室內(nèi)試驗確定出混合料組成配比的基礎上,通過振碾法鋪筑了乳化瀝青水泥混凝土試驗路段,在不同使用時間的現(xiàn)場觀測結果表明,在合理的材料配比及適宜的施工工藝下,乳化瀝青水泥混凝土具有較好的路用性能。
關鍵詞: 道路工程; 路面材料; 乳化瀝青水泥混凝土; 振動成型; 路用性能
中圖分類號: U416. 217 文獻標志碼:A
0 引 言
乳化瀝青水泥混凝土材料( EACC) 是通過在冷拌的乳化瀝青混合料中摻入水泥或水泥砂漿經(jīng)冷拌形成的半剛性路面材料,經(jīng)過冷鋪、冷壓(靜壓或振碾) 后可作為半剛性面層。根據(jù)理論分析,在配比設計合理的條件下,這種面層材料應具有適宜的剛度、較高的強度、良好的高溫穩(wěn)定性和較好的耐久性,在很大程度上可以綜合柔性面層材料和剛性面層材料的優(yōu)點[1 3 ] 。此外,由于采用冷拌、冷鋪工藝,使用乳化瀝青水泥混凝土材料可以降低能耗,減少環(huán)境污染,便于施工,因此深入研究其路用性能具有很大的工程應用價值。
美國從20 世紀60 年代開始研究乳化瀝青水泥混凝土材料,此后,日本、英國、澳大利亞、南非等國也競相研究。中國部分科研院所也在開展類似的研究工作,但由于混合料成型工藝以及添加劑選擇等方面的原因,影響了乳化瀝青水泥混凝土材料的實際應用。為此,本文采用上壓振動法成型乳化瀝青水泥混凝土試件,對不同消泡劑種類及摻量的混合料進行了對比試驗,并根據(jù)室內(nèi)試驗的結果鋪筑了試驗路段[4 6 ] 。
1 室內(nèi)試驗
1. 1 混合料配合比方案
乳化瀝青水泥混凝土材料( EACC) 組成部分包括:乳化瀝青、水泥、消泡劑以及集料。在乳化瀝青水泥混凝土拌和過程中,乳化瀝青通常沒有完全破乳分裂,但它在拌和過程中具有不同于拌和用水的特性。乳化瀝青由瀝青、乳化劑、穩(wěn)定劑和水組成,其中的乳化劑通常具有引氣作用,使得拌和物和易性提高,但過強的引氣作用會導致EACC 強度降低。因此,需要加入一定劑量的消泡劑進行平衡。
為對比各種成分及其含量對EACC 性能的影響,室內(nèi)試驗采用的材料編號及材料質量配合比見表1 。
1. 2 原材料性能
1. 2. 1 乳化瀝青
前期試驗表明, EACC 應選用陽離子慢裂型乳化瀝青。原始瀝青應選用溫度敏感性較低的瀝青品種,乳化劑應選用引氣較少的表面活性劑,以減少消泡劑的使用量[7 8 ] 。
乳化瀝青性質及其蒸發(fā)殘留物性質應滿足B23型乳化瀝青的標準要求[9 ] 。室內(nèi)試驗的陽離子慢裂型乳化瀝青,其中乳化劑為木質胺素,各項指標均符合BC 3 標準,瀝青質量分數(shù)為50 %。篩上剩余量(1. 2 mm篩孔) < 0. 3 %。
1. 2. 2 水泥
試驗使用的水泥為河南焦作三星水泥廠生產(chǎn)的黑馬牌425 # 普通硅酸鹽水泥,水泥各項技術指標符合規(guī)范要求。
1. 2. 3 集料
粗集料采用河南確山縣秀山采石廠生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石,壓碎值為18 %。拌制EACC 混合料的細集料采用河南泌陽縣沙河店采砂廠生產(chǎn)的河砂,細度模數(shù)為2. 65 ;含泥量及雜質含量均符合標準對細集料的要求。粗、細集料級配范圍分別見表2 、表3 ,集料合成級配見表4 。
1. 2. 4 減水劑
減水劑應選用減水率大、引氣量小且不影響乳化劑乳化效果的減水劑。試驗采用河南建苑混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的J KR22 型高效緩凝減水劑,減水率≥12 % ,初凝時間≥90 min 。
1. 2. 5 消泡劑
消泡劑可選用磷酸酯類消泡劑,試驗采用河南開封化工廠生產(chǎn)的磷酸三丁脂( (C4 H9 ) 3 PO4 ) ,密度為0. 98 g/ cm3 。
1. 3 室內(nèi)試驗方案
為了對以上6 種配比的混合料進行研究和對比,進行了工作性(稠度) 試驗,7 d、28 d 抗壓強度、抗折強度試驗,28 d 抗折模量試驗。
(1) 混合料拌和方法為: ①先按照預定的比例準確選取混合料的組成部分; ②將水泥和減水劑干拌;③加入水進行濕拌; ④加入乳化瀝青; ⑤加入消泡劑。拌和后的混合料,其加水量與乳化瀝青中的含水量以及消泡劑中的含水量總和等于設計水灰比的含水量。
(2) 工作性(稠度) 試驗。取少量拌制好的混合料進行稠度試驗,在試驗中,混合料的稠度不符合要求,則對水灰比進行調整,使其滿足相應的要求。稠度試驗結果見表5 。
(3) 成型試件。試件尺寸采用15 cm ×15 cm ×55 cm。為了模擬現(xiàn)場施工時振動壓路機的碾壓效果,在室內(nèi)成型試件時,先將混合料加入試拌模型(裝入量略高于試拌模型頂面) ,接著將加有配重平板的振動器放在混合料上振動。當裝入試拌模型的混合料由于振動表面下降至與試拌模型頂面平齊后,取下振動器,再加入混合料,然后再放上振動器振動。如此反復,直至振動器無法再將混合料表面振壓下去時,用刮刀將試拌模型頂面多余的混合料刮去,刮至混合料表面與試拌模型頂面平齊即可。
在試件成型以前,稱量試拌模型質量;試件成型后,稱取試件與試拌模型的總質量,然后計算試件的濕密度。從各試件的濕密度結果看,變異性較小,且與理論密度值相接近,表明這種成型試件的方法可行、穩(wěn)定。濕密度試驗結果見表6 。
(4) 試件養(yǎng)生。養(yǎng)生方法按常規(guī)進行,養(yǎng)生溫度為22 ℃～24 ℃,養(yǎng)生濕度> 98 % ,按試驗項目的需要分別對試件養(yǎng)生7 d 、28 d。
(5) 試驗檢測。試件養(yǎng)生7 d 后,將部分試件取出,分別做抗折、抗壓強度的試驗。試件養(yǎng)生28 d后,分別做抗壓強度、抗折強度以及抗折模量試驗。試驗方法參照文獻[ 10 ] ,試驗結果見表7 。
1. 4 混合料試驗結果
試驗結果表明:在普通水泥混凝土中直接用乳化瀝青替代水會使混合料的和易性降低,但加入減水劑后和易性可以得到改善;適量的消泡劑對混合料和易性影響不大。普通水泥混凝土的抗壓強度、抗折強度和抗折模量值均大于EACC 的相應試驗值,
但不同指標相差的幅度不同,其中抗折強度值相差幅度較大,抗折模量值相差幅度較小。通過比較,選擇D 作為現(xiàn)場試驗路段鋪筑的材料配合比。
2 試驗路段鋪筑
2. 1 試驗方案
試驗路段選在河南駐馬店市某二級公路改建工程,道路橫斷面為雙向4 車道(4 ×3. 75 m) 。路面結構為:15 cm 石灰穩(wěn)定土底基層,15 cm水泥穩(wěn)定石屑,22 cm乳化瀝青水泥混凝土板, 試驗路段為100 m。
2. 2 施工工藝
面層施工前,按照施工規(guī)范要求,對底基層進行徹底清掃,并在施工前對底基層灑水,以保持底基層的濕度。由于EACC 拌和物中的乳化瀝青粘度高,易引入不良氣泡,因此不宜采用重力式拌和機械拌和。在施工拌料時,使用了2 臺350 L 臥軸強制式攪拌機。為了在拌和過程中便于乳化瀝青和消泡劑的添加,在拌和機拌和倉的上方,設置了乳化瀝青貯藏箱和消泡劑貯存桶?；旌狭系陌韬蜁r間控制在20～30 s。EACC 拌和完成后,拌和物的運輸時間應在30 min 以內(nèi),以免因水分蒸發(fā)使EACC 工作性能下降。如果運輸時間過長,使拌和物嚴重失水,乳化瀝青就會破乳分裂,即便二次加水拌和也難以恢復拌和物的工作性能。因此,當運輸時間超過15min 時,應采取覆蓋措施。施工中混合料拌好后,由于最大運輸距離小于800 m ,從攪拌機到攤鋪現(xiàn)場所需的最長時間小于15 min ,所以在運料過程中,沒有用蓬布對混合料進行遮蓋。在施工時,運至現(xiàn)場的混合料,由專人指揮倒在預定地點。由于施工條件所限,采用人工配合平地機勻料、攤鋪。攤鋪時,松鋪系數(shù)按1. 2 控制;松鋪厚度為24～25 cm。
在施工過程中,先用膠輪壓路機對混合料進行穩(wěn)壓,再用振動壓路機按先從路邊再到路中的方式進行碾壓。碾壓時,先以微振方式碾壓2 遍;再用強振方式振碾2 遍。每次碾壓時,輪跡相錯30 cm。
最后根據(jù)情況,用輪胎壓路機碾壓1～2 遍封面。在碾壓時,碾壓段一般為40～50 m。當面層局部由于粗料過多有較明顯麻面現(xiàn)象時,在這些地方鋪撒1 ∶2的水泥石屑,再用膠輪壓路機碾壓。對于路邊部分,振動壓路機要多碾壓1～2 遍。碾壓完成后,檢測人員在現(xiàn)場實測壓實度,以檢查碾壓質量、壓實度。檢測結果見表8 。碾壓結束后,立即封閉交通,覆蓋養(yǎng)生,4～5 h 后開始灑水,灑水頻率以表面保持濕潤為度,至少應保持養(yǎng)生7 d。當面層養(yǎng)生24 h后,在預定的切縫位置劃線,用切縫機進行切縫,切縫間距10 m ,切縫深度控制在板厚的1/ 3～1/ 4 。
3 試驗路段使用情況觀測
試驗路段通車后,為了進一步掌握不同時間、不同氣候條件下的交通情況,分別對試驗路段進行了4 次現(xiàn)場觀測。試驗路段建成后,車流量較大,且由于京珠高速公路駐馬店路段正在建設之中,有大量的砂石材料運輸車輛經(jīng)過該路段,車流中還有較多的超載車輛。
第1 次觀測的時間為2000 年9 月2 日,進行此次觀測時,試驗路段開通近30 d ,路面情況整體良好,表面無剝落、坑槽等現(xiàn)象。觀測發(fā)現(xiàn),在面板局部出現(xiàn)了橫向裂紋,但大多長度較短,并沒有貫穿板全寬。產(chǎn)生裂紋的原因:由于施工時天氣酷熱(白天平均氣溫可達39 ℃～40 ℃) ,混凝土面板澆筑后,水分蒸發(fā)極快,在面板上麥草覆蓋不嚴的地方,由于水分的散失而產(chǎn)生了干縮,當干縮應力達到一定程度時,就會在面板的上部產(chǎn)生裂紋。
第2 次觀測的時間為2000 年11 月2 日,此次現(xiàn)場觀測時,路面情況大體與第一次觀測的情況相同,路面整體使用情況良好,但局部地方有坑槽出現(xiàn)。經(jīng)現(xiàn)場探查,坑槽深度為5～6 mm ,每個坑槽的面積不等(0. 032～0. 050 m2 ) ?？硬鄢霈F(xiàn)的原因:在運料、卸料和人工輔助平地機勻料、攤鋪的過程中,混合料出現(xiàn)粗、細料離析,導致局部地方粗料集中、細料偏少。雖然施工時對表面粗糙的部位碾壓時撒了水泥石屑,但面板下部仍然粗料過多,在車輛運行荷載的作用下逐漸形成了坑槽。
第3 次觀測時間為2001 年2 月1 日,整體看來,路面使用情況仍然良好,路面的裂縫數(shù)量沒有大的變化。但由于天氣較冷,混凝土板收縮,使得個別裂縫有所延長,且出現(xiàn)了貫穿面板的裂縫,這種情況的變化與切縫間距過大有關。此外,坑槽的數(shù)量也略有增加,除原有坑槽面積有所擴大外,坑槽的深度沒有太大變化。
第4 次觀測時間為2001 年5 月28 日,進行此次觀測時,試驗路段已通車近1 a 。由于京珠高速公路不少運輸石材料的車輛須經(jīng)過此路,試驗路段承受了超荷載運行。通過觀測,各試驗路段路面面層狀況基本穩(wěn)定,裂縫的數(shù)量與第3 次觀測情況相比沒有太大的變化,只是有些裂縫又有所延長。
4 結 語
(1) 室內(nèi)試驗表明,雖然采用振動法成型的乳化瀝青水泥混凝土材料的抗壓強度、抗折強度和抗折模量略小于普通水泥混凝土,但仍然具有較高的強度和穩(wěn)定性,能夠滿足路面的需要。
(2) 鋪筑路段試驗表明,振碾法施工乳化瀝青水泥混凝土材料( EACC) 可用于實際生產(chǎn),并完全可以采用現(xiàn)有的各類常用施工機械進行施工,在機械設備方面無需額外投入。
(3) 在試驗路段的施工過程中,由于乳化瀝青水泥混凝土混合料成分增加,與普通混凝土混合料相比,拌制過程中更應注意拌合時間以及混合料的均勻性。
(4) 從現(xiàn)場施工以及不同時間對試驗路段的觀測結果來看,若材料配合比合理、施工控制得當,乳化瀝青水泥混凝土便具有較好的路用性能。
參考文獻:
References :
[1] 袁文豪,沙愛民,胡力群,等. 水泥、乳化瀝青及其用量對水泥乳化瀝青混合料性能的影響[J] . 筑路機械與施工機械化,2005 ,22 (1) :32 35.YUAN Wen2hao , SHA Ai2min , HU Li2qun , et al.Cement emulsified asphalt and their quantities impacton performance of cement and emulsified asphalt mix2ture[J] . Road Machinery & Const ruction Mechaniza2tion ,2005 ,22 (1) :32 35.
[2] 王學信. 乳化瀝青水泥復合結合料性能試驗研究[J] .市政技術,2005 ,22 (3) :394 396. WANG Xue2xin. Experimental investigation on per2formances of emulsified asphalt2cement compostitecementitious material [ J ] . Municipal EngineeringTechnology , 2005 , 22 (3) : 394 396.
[3] 李 江,陳忠達,封晨輝. 水泥乳化瀝青混合料配合比設計試驗方法研究[J ] . 公路交通科技, 2004 , 21(9) :31 33.L I J iang , CHEN Zhong2da , FEN G Chen2hui. Studyof test method and cement2emulsified asphalt mixtureratio [J ] . Journal of Highway and Transportation Re2search and Development , 2004 , 21 (9) : 31 33.
[4] 秦永春,徐 劍,黃頌昌,等. 乳化瀝青試驗方法及相關內(nèi)容的研究[J ] . 石油瀝青,2004 ,18 (6) :27 31.QIN Yong2chun , XU J ian , HUAN G Song2chang , etal. Research on emulsified asphalt test methods andconcerned content s[J ] . Pet roleum Asphalt , 2004 , 18(6) : 27 31.
[5] 陳拴發(fā),鄭木蓮,楊 斌,等. 破裂水泥混凝土路面板瀝青加鋪層溫度應力影響因素[J ] . 交通運輸工程學報,2005 ,5 (3) :25 30.CHEN Shuan2fa , ZHEN G Mu2lian , YAN G Bin , etal. Thermal st ress influence factors of asphalt overlayon cement concrete pavement cracking slab[J ] . Jour2nal of Traffic and Transportation Engineering ,2005 ,5 (3) : 25 30.
[6] 談至明,姚祖康,劉伯瑩. 雙層水泥混凝土路面板的溫度應力[J ] . 中國公路學報,2003 ,16 (2) :10 12.TAN Zhi2ming , YAO Zu2kang , L IU Bo2ying. Ther2mal st ress analysis of two2layered concrete slabs [J ] .China Journal of Highway and Transport , 2003 , 16(2) : 10 12.
[7] 郭朝華. 乳化瀝青水泥混凝土( EACC) 面層材料研究[D] . 西安:長安大學,1999.
[8] 王東陽,陳淑賢. 流態(tài)混凝土高效減水劑CAN 與水泥適應性[J ] . 長安大學學報:自然科學版,2005 ,25(3) :26 29.WAN G Dong2yang , CHEN Shu2xian. Additive CANof liquied concrete and adaptability of cement [J] .Journal of Changpan University : Natural Science Edi2tion , 2005 , 25 (3) : 26 29.
[9] J TJ 05222000 ,公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].
[10] J TG D4022002 ,公路水泥混凝土路面設計規(guī)范[S] .
