摘 要: 采用振動(dòng)法成型試件,對(duì)不同材料組成水泥混凝土的7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和28 d抗折模量做對(duì)比試驗(yàn),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(yàn)結(jié)果表明,普通水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(yīng)試驗(yàn)值,但乳化瀝青水泥混凝土更具有韌性。在室內(nèi)試驗(yàn)確定出混合料組成配比的基礎(chǔ)上,通過振碾法鋪筑了乳化瀝青水泥混凝土試驗(yàn)路段,在不同使用時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)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(guān)鍵詞: 道路工程; 路面材料; 乳化瀝青水泥混凝土; 振動(dòng)成型; 路用性能
中圖分類號(hào): U416. 217 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計(jì)合理的條件下,這種面層材料應(yīng)具有適宜的剛度、較高的強(qiáng)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(diǎn)[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(yīng)用價(jià)值。
美國(guó)從20 世紀(jì)60 年代開始研究乳化瀝青水泥混凝土材料,此后,日本、英國(guó)、澳大利亞、南非等國(guó)也競(jìng)相研究。中國(guó)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(shí)際應(yīng)用。為此,本文采用上壓振動(dòng)法成型乳化瀝青水泥混凝土試件,對(duì)不同消泡劑種類及摻量的混合料進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),并根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果鋪筑了試驗(yàn)路段[4 6 ] 。
1 室內(nèi)試驗(yàn)
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(qiáng)的引氣作用會(huì)導(dǎo)致EACC 強(qiáng)度降低。因此,需要加入一定劑量的消泡劑進(jìn)行平衡。
為對(duì)比各種成分及其含量對(duì)EACC 性能的影響,室內(nèi)試驗(yàn)采用的材料編號(hào)及材料質(zhì)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(yàn)表明, EACC 應(yīng)選用陽離子慢裂型乳化瀝青。原始瀝青應(yīng)選用溫度敏感性較低的瀝青品種,乳化劑應(yīng)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(zhì)及其蒸發(fā)殘留物性質(zhì)應(yīng)滿足B23型乳化瀝青的標(biāo)準(zhǔn)要求[9 ] 。室內(nèi)試驗(yàn)的陽離子慢裂型乳化瀝青,其中乳化劑為木質(zhì)胺素,各項(xiàng)指標(biāo)均符合BC 3 標(biāo)準(zhǔn),瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 %。篩上剩余量(1. 2 mm篩孔) < 0. 3 %。
1. 2. 2 水泥
試驗(yàn)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)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(xì)集料采用河南泌陽縣沙河店采砂廠生產(chǎn)的河砂,細(xì)度模數(shù)為2. 65 ;含泥量及雜質(zhì)含量均符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)細(xì)集料的要求。粗、細(xì)集料級(jí)配范圍分別見表2 、表3 ,集料合成級(jí)配見表4 。
1. 2. 4 減水劑
減水劑應(yīng)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(yàn)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(shí)間≥90 min 。
1. 2. 5 消泡劑
消泡劑可選用磷酸酯類消泡劑,試驗(yàn)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(yàn)方案
為了對(duì)以上6 種配比的混合料進(jìn)行研究和對(duì)比,進(jìn)行了工作性(稠度) 試驗(yàn),7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn),28 d 抗折模量試驗(yàn)。
(1) 混合料拌和方法為: ①先按照預(yù)定的比例準(zhǔn)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(jìn)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(shè)計(jì)水灰比的含水量。
(2) 工作性(稠度) 試驗(yàn)。取少量拌制好的混合料進(jìn)行稠度試驗(yàn),在試驗(yàn)中,混合料的稠度不符合要求,則對(duì)水灰比進(jìn)行調(diào)整,使其滿足相應(yīng)的要求。稠度試驗(yàn)結(jié)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(chǎng)施工時(shí)振動(dòng)壓路機(jī)的碾壓效果,在室內(nèi)成型試件時(shí),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(dòng)器放在混合料上振動(dòng)。當(dāng)裝入試拌模型的混合料由于振動(dòng)表面下降至與試拌模型頂面平齊后,取下振動(dòng)器,再加入混合料,然后再放上振動(dòng)器振動(dòng)。如此反復(fù),直至振動(dòng)器無法再將混合料表面振壓下去時(shí),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(zhì)量;試件成型后,稱取試件與試拌模型的總質(zhì)量,然后計(jì)算試件的濕密度。從各試件的濕密度結(jié)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(yàn)結(jié)果見表6 。
(4) 試件養(yǎng)生。養(yǎng)生方法按常規(guī)進(jìn)行,養(yǎng)生溫度為22 ℃～24 ℃,養(yǎng)生濕度> 98 % ,按試驗(yàn)項(xiàng)目的需要分別對(duì)試件養(yǎng)生7 d 、28 d。
(5) 試驗(yàn)檢測(cè)。試件養(yǎng)生7 d 后,將部分試件取出,分別做抗折、抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)。試件養(yǎng)生28 d后,分別做抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗折模量試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[ 10 ] ,試驗(yàn)結(jié)果見表7 。
1. 4 混合料試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明:在普通水泥混凝土中直接用乳化瀝青替代水會(huì)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(duì)混合料和易性影響不大。普通水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗折模量值均大于EACC 的相應(yīng)試驗(yàn)值,
但不同指標(biāo)相差的幅度不同,其中抗折強(qiáng)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(chǎng)試驗(yàn)路段鋪筑的材料配合比。
2 試驗(yàn)路段鋪筑
2. 1 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)路段選在河南駐馬店市某二級(jí)公路改建工程,道路橫斷面為雙向4 車道(4 ×3. 75 m) 。路面結(jié)構(gòu)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(yàn)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(duì)底基層進(jìn)行徹底清掃,并在施工前對(duì)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?xì)馀?因此不宜采用重力式拌和機(jī)械拌和。在施工拌料時(shí),使用了2 臺(tái)350 L 臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)。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(jī)拌和倉(cāng)的上方,設(shè)置了乳化瀝青貯藏箱和消泡劑貯存桶?；旌狭系陌韬蜁r(shí)間控制在20～30 s。EACC 拌和完成后,拌和物的運(yùn)輸時(shí)間應(yīng)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(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng),使拌和物嚴(yán)重失水,乳化瀝青就會(huì)破乳分裂,即便二次加水拌和也難以恢復(fù)拌和物的工作性能。因此,當(dāng)運(yùn)輸時(shí)間超過15min 時(shí),應(yīng)采取覆蓋措施。施工中混合料拌好后,由于最大運(yùn)輸距離小于800 m ,從攪拌機(jī)到攤鋪現(xiàn)場(chǎng)所需的最長(zhǎng)時(shí)間小于15 min ,所以在運(yùn)料過程中,沒有用蓬布對(duì)混合料進(jìn)行遮蓋。在施工時(shí),運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的混合料,由專人指揮倒在預(yù)定地點(diǎn)。由于施工條件所限,采用人工配合平地機(jī)勻料、攤鋪。攤鋪時(shí),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(jī)對(duì)混合料進(jìn)行穩(wěn)壓,再用振動(dòng)壓路機(jī)按先從路邊再到路中的方式進(jìn)行碾壓。碾壓時(shí),先以微振方式碾壓2 遍;再用強(qiáng)振方式振碾2 遍。每次碾壓時(shí),輪跡相錯(cuò)30 cm。
最后根據(jù)情況,用輪胎壓路機(jī)碾壓1～2 遍封面。在碾壓時(shí),碾壓段一般為40～50 m。當(dāng)面層局部由于粗料過多有較明顯麻面現(xiàn)象時(shí),在這些地方鋪撒1 ∶2的水泥石屑,再用膠輪壓路機(jī)碾壓。對(duì)于路邊部分,振動(dòng)壓路機(jī)要多碾壓1～2 遍。碾壓完成后,檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓實(shí)度,以檢查碾壓質(zhì)量、壓實(shí)度。檢測(cè)結(jié)果見表8 。碾壓結(jié)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(rùn)為度,至少應(yīng)保持養(yǎng)生7 d。當(dāng)面層養(yǎng)生24 h后,在預(yù)定的切縫位置劃線,用切縫機(jī)進(jìn)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(yàn)路段使用情況觀測(cè)
試驗(yàn)路段通車后,為了進(jìn)一步掌握不同時(shí)間、不同氣候條件下的交通情況,分別對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行了4 次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。試驗(yàn)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(shè)之中,有大量的砂石材料運(yùn)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(cè)的時(shí)間為2000 年9 月2 日,進(jìn)行此次觀測(cè)時(shí),試驗(yàn)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(cè)發(fā)現(xiàn),在面板局部出現(xiàn)了橫向裂紋,但大多長(zhǎng)度較短,并沒有貫穿板全寬。產(chǎn)生裂紋的原因:由于施工時(shí)天氣酷熱(白天平均氣溫可達(dá)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(yán)的地方,由于水分的散失而產(chǎn)生了干縮,當(dāng)干縮應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)在面板的上部產(chǎn)生裂紋。
第2 次觀測(cè)的時(shí)間為2000 年11 月2 日,此次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí),路面情況大體與第一次觀測(cè)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(chǎng)探查,坑槽深度為5～6 mm ,每個(gè)坑槽的面積不等(0. 032～0. 050 m2 ) ?？硬鄢霈F(xiàn)的原因:在運(yùn)料、卸料和人工輔助平地機(jī)勻料、攤鋪的過程中,混合料出現(xiàn)粗、細(xì)料離析,導(dǎo)致局部地方粗料集中、細(xì)料偏少。雖然施工時(shí)對(duì)表面粗糙的部位碾壓時(shí)撒了水泥石屑,但面板下部仍然粗料過多,在車輛運(yùn)行荷載的作用下逐漸形成了坑槽。
第3 次觀測(cè)時(shí)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(gè)別裂縫有所延長(zhǎng),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(guān)。此外,坑槽的數(shù)量也略有增加,除原有坑槽面積有所擴(kuò)大外,坑槽的深度沒有太大變化。
第4 次觀測(cè)時(shí)間為2001 年5 月28 日,進(jìn)行此次觀測(cè)時(shí),試驗(yàn)路段已通車近1 a 。由于京珠高速公路不少運(yùn)輸石材料的車輛須經(jīng)過此路,試驗(yàn)路段承受了超荷載運(yùn)行。通過觀測(cè),各試驗(yàn)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(cè)情況相比沒有太大的變化,只是有些裂縫又有所延長(zhǎng)。
4 結(jié) 語
(1) 室內(nèi)試驗(yàn)表明,雖然采用振動(dòng)法成型的乳化瀝青水泥混凝土材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(qiáng)度和穩(wěn)定性,能夠滿足路面的需要。
(2) 鋪筑路段試驗(yàn)表明,振碾法施工乳化瀝青水泥混凝土材料( EACC) 可用于實(shí)際生產(chǎn),并完全可以采用現(xiàn)有的各類常用施工機(jī)械進(jìn)行施工,在機(jī)械設(shè)備方面無需額外投入。
(3) 在試驗(yàn)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(yīng)注意拌合時(shí)間以及混合料的均勻性。
(4) 從現(xiàn)場(chǎng)施工以及不同時(shí)間對(duì)試驗(yàn)路段的觀測(cè)結(jié)果來看,若材料配合比合理、施工控制得當(dāng),乳化瀝青水泥混凝土便具有較好的路用性能。
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