養生條件對瀝青水泥砂漿抗折強度的影響

成豪杰，王紹全，郭耀龍，段祥磊，孫宇亮，張海濤

(東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

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養生條件對瀝青水泥砂漿抗折強度的影響

成豪杰，王紹全，郭耀龍，段祥磊，孫宇亮，張海濤*

(東北林業大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

本文對乳化瀝青改性水泥砂漿進行研究，通過探究提高水泥砂漿剛性材料柔性的有效方法，以提高其抗裂性和耐久性。通過改變不同的瀝青用量和養生條件，按照一定的配合比制作乳化瀝青改性水泥砂漿試件，分別測試其抗折強度，通過試驗數據分析不同養生條件對其抗折強度的影響。研究結果對今后的柔性水泥砂漿設計與施工具有一定的參考價值，可以取得較好的經濟效益和社會效益。

道路工程；乳化瀝青水泥砂漿；瀝青用量；養生條件；抗折強度

0　引　言

水泥混凝土路面的特點是強度與剛度較大，水泥混凝土路面板的彈性模量一般在4×104～5×104MPa。這一特性使得水泥混凝土路面對基層的承載力要求很低。在我國的交通運輸體系中，水泥混凝土路面常被用在穩定基層上的大交通量和重載交通的高速公路、機場等道路上。但這一特性也使得水泥混凝土路面的行車舒適及振動等條件較差[1-2]。更重要的是在潮濕多雨的濕熱條件下，由于較大溫差作用，水泥混凝土面層易發生較大的溫度翹曲應力而發生變形，造成同基層頂面的脫空，在重載交通影響下，從而引起裂縫的產生與發展[3]。斷裂力學指出裂縫尖端會出現巨大的應力集中，裂紋擴展會因為裂紋尖端應力強度因子超過其臨界值而不斷加劇[4]。這一點嚴重危害行車舒適與安全。

和水泥路面相比，瀝青路面較軟，有關專家得出結論：壓應力在瀝青路面間傳遞時，到達土基頂部時已經很小只有12MPa，因而面層最容易發生壓密變形[5]。實際體現為瀝青路面的破壞形式為車轍，這是在各種因素的影響下所產生的永久性變形，其因素包括高溫氣候條件、車輛荷載等[6]。同時，瀝青路面由于孔隙率較水泥路面高的特點，飽和瀝青面層在承受路面移動交通荷載的過程中，孔隙水壓力和流動的水都會形成[7]，從而造成水損害。除了車轍、水害兩種常見病害外，對于瀝青路面的砂土路肩，由于瀝青孔隙率稍高，使砂土路面容易被風和車輛帶起，對瀝青路面的構造深度造成影響[8]。

綜合瀝青材料的柔性優點和水泥材料的剛性優點，組成柔性瀝青水泥混凝土復合路面材料。半柔性路面就是在大空隙(空隙率達到20%以上)的瀝青混合料中灌入水泥砂漿形成水泥瀝青復合型材料，這種路面使瀝青和水泥兩者的優點得以發揮[9]。這種路面在當下公路路面中逐漸被采用，尤其在我國南方地區，由于溫度越高，半柔性路面內部化學反應就越劇烈和強烈，加大了材料的強度[10]。但是這種復合路面材料會因為基層底面彈性模量大導致底面在荷載作用下產生半剛性基層開裂，但通過水泥用量的控制可以大大減少此現象的出現[11-13]。本文利用瀝青柔性材料對水泥砂漿進行柔性提高，形成柔性瀝青水泥混凝土復合路面材料，并對不同養生條件對抗折性能進行重點研究。

1　實驗原材料

1.1水泥

水泥為亞泰集團生產的P.O.42.5水泥，其性質按公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程(JTG E30-2005)的有關方法進行檢驗[14]，水泥各項性能指標見表1。所檢項目各項指標均符合通用硅酸鹽水泥(GB175-2007)中的技術要求。

表1　水泥性能指標

1.2砂

砂為普通河砂，其性質按公路工程集料試驗規程(JTG E42-2005)的有關方法進行檢測[15]，砂各項指標見表2。所檢項目各項指標均符合公路橋涵施工技術規范(JTG/T F50-2011)中的技術要求。

表2　砂性能指標

1.3乳化瀝青

測試使用的乳化瀝青的瀝青含量為48.9%，其技術性質參照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTG E20-2011)的方法進行檢測[16]，乳化瀝青各項指標見表3。

表3　乳化瀝青性能指標

1.4水

本試驗所用水為自來水。

2　試驗方案

2.1水泥砂漿與瀝青水泥砂漿配合比設計

水泥砂漿配合比按砌筑水泥砂漿配合比設計規程(JTG/T 98-2010)設計。

水泥砂漿的試配強度按下式計算：

fm,o=kf2。

式中：fm，o為水泥砂漿的試配強度；f2為水泥砂漿抗壓強度平均值；k為系數，一般施工水平取1.20。

水泥砂漿強度標準差σ及k值，見表4。

表4　水泥砂漿強度標準差σ及k值

實驗按照M30水泥砂漿進行配合比設計，確定水泥砂漿配合比為：水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5。因此，瀝青水泥砂漿配合比為：水泥∶瀝青∶砂∶水=1∶X∶3∶0.5，瀝青用量X分別為0，0.50，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30。乳化瀝青的瀝青含量為48.9%，可以計算得到乳化瀝青的用量，乳化瀝青中的水計入水泥砂漿配合比中的水量。

2.2瀝青水泥砂漿成型工藝[17-18]

根據設計結果制作瀝青水泥砂漿試件(160 mm×40 mm×40 mm)，每個試件需要水泥500 g，砂1 500 g，水250 g，根據不同用量的瀝青質量，計算所需的乳化瀝青溶液用量(乳化瀝青所含的水計入250 g水中)。將水和乳化瀝青加入水泥砂漿攪拌機中，然后加入水泥攪拌。在拌合瀝青水泥砂漿時，當瀝青用量在0～15%范圍內時，拌合都比較容易；但是當瀝青用量大于15%時，水分在拌合時有一定的減少，拌合有些困難，但不至于影響拌合。

2.3養生條件

不同瀝青用量的瀝青水泥砂漿試件如圖1所示。

圖1　不同瀝青用量(5%，10%，15%，20%)的瀝青水泥砂漿試件Fig.1 The specimen of asphalt-cement mortar with different asphalt content(5%，10%，15%，20%)

瀝青水泥砂漿試件的濕養環境參數為溫度20±2℃，相對濕度90%以上；室內養生環境參數為溫度20℃左右，相對濕度50%左右。不同養生條件的示意圖如圖2所示。

圖2　不同養生條件的示意圖Fig.2 The different curing conditions

2.4測試指標與方法[19]

根據公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程(JTG E30-2005)中的水泥膠砂強度測定方法，對達到預定養生時間的試件測定抗折強度，測定試驗的加載速度為50±10 N/s。

3　試驗結果與數據處理

不同養生條件的瀝青水泥砂漿抗折強度試驗結果見表5和表6。

表5　養生7 d的試件抗折強度試驗結果

表6　養生28 d的試件抗折強度試驗結果

不同養生條件的瀝青水泥砂漿抗折強度的變化關系如圖3所示。

從圖3中可以看出，圖中呈現的整體趨勢是隨著瀝青用量的增加，瀝青水泥砂漿的抗折強度逐漸減少。這說明瀝青水泥砂漿的柔性在不斷提高，也就是俗話說的瀝青的摻入讓試件變得更“軟”了，瀝青改性水泥砂漿達到了預期的增柔效果。圖3反映出：對于養生期限為7 d的瀝青水泥砂漿試件，在相同的瀝青用量條件下，當瀝青用量≤5%時，瀝青水泥砂漿的抗折強度隨著濕養天數的增加而降低；當10%≤瀝青用量≤20%時，其抗折強度隨濕養天數的增加呈現擺動，說明抗折強度的變化不明顯。具體的瀝青用量表現為：當瀝青用量為10%時，抗折強度隨濕養天數增加而增加，當瀝青用量為15%時，抗折強度隨濕養天數的增加而減小，當瀝青用量為20%時，抗折強度又隨著濕養天數的增加而增加，當瀝青用量≥25%時，抗折強度隨著濕養天數的增加而增加。 對于養生期限為28 d的瀝青水泥砂漿試件，可以發現3 d濕養加25 d室內養生的試件和28 d全部濕養的試件，在瀝青用量10%～15%發生了瀝青水泥砂漿抗折強度的提升；除了該區間以外，在同等養生條件下，其它區間的瀝青水泥砂漿抗折強度都隨著瀝青用量的增加而減小。

圖3　不同養生條件的瀝青水泥砂漿抗折強度的變化關系Fig.3 The relationships of bending strength under different curing conditions

4　結　論

(1)養生期7 d與28 d全部濕養的瀝青水泥砂漿抗折強度，從瀝青用量0～5%區間內有明顯提升，然后有明顯的減少，因此，瀝青用量為5%時有較好的改性效果。

(2)研究認為，乳化瀝青對水泥砂漿有一定的減水作用。在較干燥環境下，乳化瀝青的摻入使水泥砂漿的抗折強度升高，且隨瀝青用量的增加而增大，但當瀝青用量超過5%后開始降低。

(3)對比兩種不同養生期限的全濕養試件可以得出以下結論，并不是濕養時間越長抗折強度就越大。當瀝青用量從0增加到15%的過程中，在相同的瀝青用量條件下，瀝青水泥砂漿抗折強度隨著濕養時間的增大而減小，且減小率越來越小；而當瀝青用量從20%增加到30%的過程中，其抗折強度雖然也隨著濕養時間的增大而減小，但變化率都特別小。因此，并不是濕養時間越長對瀝青水泥砂漿抗折強度的增長越有利。

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The Influence of Curing Conditions on BendingStrength of Asphalt-Cement Mortar

Cheng Haojie，Wang Shaoquan，Guo Yaolong，Duan Xianglei，Sun Yuliang，Zhang Haitao*

(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

This paper studied the emulsified asphalt-cement mortar and investigated the effective method to increase the flexibility of the cement mortar and improve the durability and crack-resistance through the modified cement mortar performance by using the emulsified asphalt.Specimens of the emulsified-asphalt modified cement mortar were made by changing the different asphalt content and curing conditions according to a certain mixing ratio.The bending strength of specimens were tested respectively and the influences of the curing conditions on the bending strength have been analyzed based on the test data.The results of this study can provide some reference value for future design and construction of the cement mortar to obtain the more economic and social benefits.

road engineering；emulsified asphalt-cement mortar；asphalt content；curing conditions；bending strength

2016-03-08

大學生創新項目(530-60202010)

成豪杰，本科生。研究方向：路面結構與材料。

張海濤，博士，教授。研究方向：路面結構與材料。E-mail：zht6781@163.com

成豪杰，王紹全，郭耀龍，等.養生條件對瀝青水泥砂漿抗折強度的影響[J].森林工程，2016，32(5)：92-96.

U 416

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1001-005X(2016)05-0092-05