浅谈水泥填料对大粒径沥青混合料水稳定性影响

摘要 本文通过试验对水泥填料取代矿粉比例与大粒径沥青混合料水稳定性的关系进行了研究，得出了不同比例的水泥填料取代石灰岩矿粉时，在冻融和未冻融情况下，大粒径沥青混合料劈裂强度呈现的规律，分析了水泥填料对大粒径沥青混合料水稳定性的影响。
关键词 道路工程 水泥填料 水稳定性 冻融劈裂试验

随着我国高速公路的迅速发展，对沥青路面质量的要求越来越高。沥青路面必须具备足够的强 度、刚度、抗滑性以及良好的稳定性、耐久性和平整性， 在这种情况下大粒径沥青混合料（ LSAM ）为基层的柔性基层路面结构广受关注。由于柔性基层路面结构在我国的使用刚刚起步，关于大粒径沥青混合料性能的研究在我国开展得也相对较晚。本文在大量试验的基础上，对水泥填料取代矿粉比例与大粒径沥青混合料水稳定性的关系进行了分析。
1 原材料及级配选择
本文试验的粗集料和细集料均采用石灰岩碎石，经筛分后逐级称量回配，矿粉由石灰岩磨制而成，其性能指标如表 1 所示。
沥青是影响沥青混合料水稳定性能最重要的因素之一，本文试验采用的沥青为重交 AH-70 沥青，性能指标如表 2 所示。
表 2 沥青性能指标试验结果
本文试验采用的水泥填料的技术指标如表 3 所示。
多碎石沥青混凝土（ SAC ）是沙庆林院士提出的一种以粗集料为主的断级配沥青混合料，实践证明具有良好的路用性能，本文试验采用的集料级配参照 SAC 方法设计，具体级配如表 4 所示。
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试验及分析
为了研究不同水泥掺量对大粒径沥青混合料水稳定性能的影响，本文试验等比例设定水泥取代石灰岩矿粉的比例分别为 0% 、 20% 、 40% 、 60% 、 80% 、 100% ，即水泥占集料总质量的比例分别为 0% 、 1% 、 2% 、 3% 、 4% 、 5% ，矿粉与取代水泥的总质量保持为集料总质量的 5% 不变。同时，为了消除因为沥青含量不同对混合料水稳定性能的影响，根据最佳沥青用量数据，试验时采用沥青掺量为 3.7% 并保持不变。
试验方法采用冻融劈裂试验（ T 0729-2000 ），每种不同水泥取代量的未冻融试件和冻融试件均为 4 个，取均值。试验结果如表 5 所示。

水泥填料 取代率	冻融试件	未冻融试件	冻融劈裂试验 强度比TSR（%）
空隙率 %	劈裂强度MPa	变异系数	空隙率%	劈裂强度MPa	变异系数
0%	5.2	0.675	0.030	5.2	0.866	0.032	77.9
20%	5.2	0.694	0.054	5.2	0.852	0.036	81.5
40%	5.3	0.696	0.068	5.3	0.828	0.028	83.3
60%	5.4	0.696	0.035	5.4	0.830	0.065	83.8
80%	5.5	0.715	0.026	5.5	0.780	0.024	91.7
100%	6.0	0.664	0.034	6.0	0.820	0.036	81.0

根据表5对冻融前和冻融后试件的劈裂强度做关系图，如图1和图2所示。图中趋势曲线是根据6种不同水泥取代率试验数据经3阶多项式进行拟合得出的。




通过图1与图2劈裂强度变化走势的对比可以发现，二者呈现不同的变化趋势，分析认为这种不同变化趋势的主要原因是由水的作用引起的。
（1）未冻融试件。
未冻融试件在劈裂试验时，试件在25℃水中浸泡2h，该过程中，水无法使大粒径沥青混合料中的水泥充分水化，无法使其与沥青中的酸性物质产生反应生成粘附性较强的物质以增强沥青与石料的粘附。分析表明，影响大粒径沥青劈裂强度的主要因素有：混合料的级配、原材料各项性能、沥青胶浆的劲度以及沥青胶浆与集料的粘附性，本文试验中混合料级配、和原材的性能不变，所以沥青胶浆的劲度以及沥青胶浆与集料的粘附性是影响大粒径混合料水稳定性的两个主要因素。
随着水泥掺量的增加，沥青胶浆会变硬变干，其劲度随之提高，这对于大粒径沥青混合料劈裂强度的提高是有利的。在未冻融试件的劈裂试验中，由于水的存在不甚充分，沥青胶浆与集料的粘附性并没有增强，而随着水泥掺量增加造成沥青胶浆的变硬变干却使其与集料的粘附性降低，对于大粒径混合料劈裂强度的提高是不利的。两种因素在水泥掺量不同时的影响大小不同，由本文试验数据可以看出，当水泥掺量小于60%，后一种因素的影响要大；而当水泥掺量大于80%，前一种因素的影响变大。
（2）冻融试件。
虽然冻融循环会降低沥青胶浆与集料的粘附性，但是在该过程中，混合料中添加的水泥能与水充分水化，沥青胶浆与集料的粘附性得到提高；而水泥取代比例的增加使得沥青胶浆本身的劲度增加。上述各方面原因综合影响大粒径混合料的劈裂强度。
从图1可以看出，冻融试件的劈裂强度比未冻融试件的劈裂强度低，说明冻融循环对沥青胶浆与集料粘附性的影响十分显著。当水泥取代率小于60%时，随着水泥掺量的提高，水泥的水化作用以及水泥对沥青胶浆劲度的增加作用使得试件劈裂强度随之增加，但是当水泥取代率继续增加，尤其大于80%时，水泥填料对粘附性的不利影响增加，冻融循环在粘附性降低的情况下影响更为显著，大粒径沥青混合料的劈裂强度呈现下降的趋势。
（3）冻融劈裂试验强度比（TSR）值分析。
根据表５数据，做出冻融劈裂试验强度比（TSR）值变化趋势图如图３所示。

图３ 不同水泥取代率的冻融劈裂试验强度比（ TSR ）值关系

由图3可以看出，采用水泥填料可以明显改善大粒径沥青混合料的水稳定性能，当水泥取代率大于20%，混合料的冻融劈裂试验强度比（TSR）值均大于80%，超过了规范对于面层大粒径沥青混合料的水稳定性要求；随着水泥取代率的增加，大粒径混合料的劈裂强度呈现先增加后减少的规律，当水泥填料的取代率为60%~80%时，大粒径沥青混合料的TSR达到峰值，取代率继续增加，TSR略有降低。
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结论
根据本文试验及分析，可以得到水泥填料取代矿粉对大粒径沥青混合料水稳定性的影响，其规律如下：
（1）水泥填料在未充分水化的情况下，初期对大粒径沥青混合料的劈裂强度影响表现为先减小后增大，在水泥取代率为60%~80%时达到最小值。
（2）经过冻融循环，水泥填料充分水化，其对大粒径沥青混合料的劈裂强度影响表现为先增大后减小，在水泥填料的取代率为60%~80%时达到最大值。
（3）水泥填料取代矿粉对大粒径沥青混合料的水稳定性有利，在不同取代率情况下，混合料的冻融劈裂试验强度比（TSR）值均超过80%，试验最大值达到91.7%。
（4）水泥填料取代矿粉后，大粒径沥青混合料的冻融劈裂试验强度比（TSR）值随取代率的增加呈先增加后减小的变化规律，在取代率60%~80%时，达到峰值。

参考文献
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