水泥摻量對微表處混合料性能的影響研究

徐曉洛

（山西省高速公路集團有限責任公司，山西 太原 030031）

我國在基礎建設上的大力投入，使得我國的高速公路建設取得了巨大成果。當前我國的高等級公路路面材料大部分為瀝青，在瀝青路面投入使用3年左右會出現初期損壞現象，若不及時養護，會造成路面大面積損壞進而嚴重影響公路的正常使用。面對我國龐大的高速公路財產，養護工作顯得尤為重要。高等級公路的養護工作十分重要，不僅決定了公路服務水平，更能延長道路的使用壽命，推遲大中修時間[1]。微表處能夠達到經濟、高效、便捷的目的，目前已經成為高速公路預防性養護的主要手段[2]。微表處技術擁有良好的防水性、耐磨性，突出的車轍修復能力以及施工快捷、開放交通快等特點[3]。通常在微表處混合料中添加一定量的水泥作為活性填料，可以提高微表處混合料的早期強度、抗變形能力，調節混合料的拌和時間、稠度等施工性能。現有規范對微表處混合料中水泥摻量不明確，僅推薦水泥摻量占礦料質量3%以內，施工單位往往根據經驗選擇水泥摻量[4]。因此，本文就水泥摻量對微表處混合料性能的影響進行研究，以對工程施工進行理論指導。

1 原材料

1.1 瀝青

本次試驗所用瀝青為實驗室自制SBR改性乳化瀝青，采用慢裂快凝陽離子瀝青乳化劑對AH-90基質瀝青進行乳化，其性能見表1。

表1 SBR乳化瀝青試驗結果

1.2 集料

集料使用玄武巖礦料，細集料采用石灰巖礦粉。

1.3 水泥

本文試驗采用山西萬盛牌普通硅酸鹽水泥，水泥標號為P.O.42.5，其物理性能和力學性能見表2。

表2 水泥技術指標試驗結果

1.4 集料級配

本次試驗微表處混合料級配采用MS-Ⅲ型，集料級配曲線見圖1。

圖1 微表處混合料級配曲線圖

2 微表處混合料路用性能影響試驗

2.1 濕輪磨耗試驗

濕輪磨耗試驗是微表處混合料的基本試驗之一，主要用于評估微表處混合料稀漿封層的耐磨性和抗水損能力。本次試驗依照相關規定[5]進行，在混合料中分別加入 0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%水泥，試驗結果見表3、圖2。

表3 濕輪磨耗試驗結果

圖2 磨耗值隨水泥摻量變化圖

由濕輪磨耗試驗結果可以看出，隨著水泥摻量的不斷增加，微表處混合料1 h及6 d的磨耗值均不斷減小。當水泥摻量為3%時，1 h及6 d的磨耗值均最小，分別為352.6 g/m2、565.4 g/m2。由圖2可以看出，當水泥摻量大于2%后，磨耗值減小趨勢趨于平緩。

在加入堿性水泥之后，水泥的水化作用與乳化瀝青破乳同時進行，水泥水化后提高了集料和瀝青的黏附性，增強了集料與瀝青接觸面的作用力，因此混合料的抗磨耗性能也有所提高。隨著水泥摻量的不斷增大，水泥將被瀝青充分包裹導致水化作用不充分，僅起到活性礦粉填料作用[6]，因此當水泥摻量大于2%時，混合料磨耗值減少并不顯著。

2.2 輪轍變形試驗

本文通過輪轍變形試驗測定寬度變形率和厚度變形率以評價微表處混合料的抗車轍能力，試驗方法參考相關文獻[7]，試驗結果見表4。

表4 輪轍變形試驗結果 %

將表4試驗結果整理為折線圖見圖3。

圖3 厚度、寬度變形率變化圖

由表4、圖3可以看出在添加水泥后，混合料的厚度變形率和寬度變形率明顯較未添加水泥的混合料低。本次試驗中，隨著水泥摻量的不斷增大，微表處混合料的厚度變形率及寬度變形率不斷減小，當水泥摻量為3%時，混合料的厚度變形率及寬度變形率均為最小值，分別為9.6363%、3.3636%。這表明在混合料中添加一定量的水泥可以提高微表處混合料的抗車轍能力。

分析其原因，水泥在混合料中的水化產物與瀝青之間形成錯綜復雜的網格并存在相互的物理作用，集料被緊密地結合在一起并且在高溫及擠壓的情況下限制了瀝青的自由流動，從而提高了微表處混合料的抗車轍能力。

2.3 抗滑性能試驗

抗滑性能是瀝青混合料中重要的路用性能之一，抗滑性能直接與行車安全密切相關。微表處混合料作為路面的表面層，其抗滑性能直接決定公路的安全性。本次試驗通過MMLS3試驗輪加載測定不同水泥摻量微表處混合料的擺值與構造深度來評價其抗滑性能[8]。試驗結果見圖4、圖5。

圖4 不同水泥摻量混合料的擺值

圖5 不同水泥摻量混合料的構造深度

由圖4、圖5可以看出，隨著加載次數的不斷增加，微表處混合料的擺值及構造深度不斷減小，水泥摻量越少的混合料隨加載次數的增加減小的越明顯。當水泥摻量大于2%后，微表處混合料試件的擺值及構造深度與水泥摻量為2.5%及3%混合料的擺值及構造深度隨著加載次數的增加已相差不大。因此，水泥的加入可以提高微表處混合料的抗滑性能，但是當水泥摻量大于2%后，其改善效果并不明顯。

2.4 低溫性能試驗

微表處混合料作為面層上的薄層防護結構，厚度較小，因荷載產生的裂縫很少，而溫度應力造成的路面溫縮裂縫則是主要的，因此低溫抗裂性是微表處混合料的重要性能之一。本文采用三分點加載方式的低溫彎曲試驗結果評價水泥摻量對微表處混合料的抗低溫性能的影響，加載速率控制為50 mm/min，試驗溫度為-15℃，試驗結果見表5。

由表5可以看出，水泥摻量的增加可以提高微表處混合料的抗拉強度，當水泥摻量為3.0%時的抗拉強度最大，為7.18 MPa。但是隨著水泥摻量的增加，混合料的破壞應變能先增大再減小，峰值出現在水泥摻量為2.0%時，破壞應變能為16.14 kPa。水泥摻量繼續增加破壞應變能減小，造成試件脆性斷裂，這是因為水泥的抗折強度不高。水泥的加入可以提高混合料的抗低溫性及剛度，但同時脆性也會增大，因此水泥摻量宜選取2.0%。

表5 低溫彎曲試驗結果

3 微表處混合料施工性能影響試驗

3.1 可拌和時間試驗

本次試驗通過調整水泥摻量評價水泥對微表處混合料可拌和時間的影響[9]，試驗結果見表6、圖6。

表6 可拌和試驗結果

圖6 可拌和試驗結果

由表6、圖6可以看出，微表處混合料的可拌和時間隨著水泥摻量的增加不斷減小，當水泥摻量為3.0%時，可拌和時間最短，為120 s。當水泥摻量為2.0%～3.0%時，可拌和時間相差不大，而拌和狀態不及水泥摻量為1.5%的混合料，水泥摻量為1.5%的混合料成漿狀態也較為理想。

若混合料拌和時間過長，混合料早期強度可能不足，由此導致交通開放時間延長；若拌和時間過短，乳化瀝青可能提前破乳影響施工，因此建議施工現場根據本次試驗結果選擇適宜的最佳用量。

3.2 黏聚力試驗

對微表處混合料進行黏聚力試驗，以確定混合料的初凝時間及開放交通時間[10]。試驗結果見圖7。

圖7 黏聚力試驗結果

由圖7可以看出，隨著水泥摻量的增加，微表處混合料的黏聚力不斷增加，并且相同水泥摻量下60 min的黏聚力均大于30 min的黏聚力。當水泥摻量大于2.0%后，黏聚力增長已不顯著。由此可見，水泥的加入可以提高微表處混合料的黏聚力，提前交通開放時間，本次試驗推薦水泥摻量為1.5%～2.0%。

4 微表處混合料試驗路段跟蹤觀測

4.1 工程概況

試驗路段為山西省某新修一級公路，微表處混合料配合比與本文試驗所用一致，水泥摻量為2.0%。該路段在建成通車一年后經歷雨季、高溫、重荷載等不利因素的考驗，經目測，該路段無破損及脫層現象，現對該路段性能指標進行檢測。

4.2 檢測結果

微表處罩面檢測結果見表7。

表7 微表處混合料檢測試驗結果

由表7可以看出，該試驗路段的微表處混合料在通車一年后各項指標系數依舊正常，能夠繼續很好服務于交通運輸。

5 結語

a）根據濕輪磨耗試驗及輪轍變形試驗可以得知，水泥的增加可以降低混合料的磨耗值并提高混合料的抗車轍性，當水泥摻量為3.0%時，1 h及6 d的磨耗值最小，分別為352.6 g/m2、565.4 g/m2；厚度、寬度變形率達到最低，分別為9.6363%、3.3636%。但是，水泥摻量大于2.0%后，兩者的改善效果均不明顯。

b）隨著水泥摻量的增加，可以提高微表處混合料的抗滑性能，水泥摻量在2.0%以內，抗滑性能改善明顯。

c）水泥的加入有效提高了混合料的抗拉強度，當水泥摻量為3.0%時達到最大，為7.18 MPa，隨著水泥摻量的不斷增加，混合料的破壞應變能呈現先增大后減小的趨勢，當水泥摻量為2.0%時達到最大，為 16.14 kPa。

d）水泥摻量不斷增加，微表處混合料的可拌和時間不斷縮短，當水泥摻量為3.0%時拌和時間僅為120 s，而黏聚力不斷增加，3.0%水泥摻量的混合料60 min黏聚力達到2.692 N·m。

e）本文推薦水泥摻量為1.5%～2.0%，經工程實例及跟蹤觀測結果可知，1.5%～2.0%水泥摻量的微表處混合料能夠很好地服務于交通運輸，達到建養并重的效果。