基于試驗對瀝青混凝土水穩定性及耐久性的研究

周潔

摘要 為研究在延長瀝青混凝土浸水時間下的水穩定性和不同水泥摻量對瀝青混凝土耐久性的影響，通過試驗的研究方法進行分析，研究結果表明：水泥填料有利于提高瀝青混凝土水溶液的pH值；水泥填料的瀝青混凝土試件隨著浸水時間的延長，水穩定系數不斷增大，有利于提高其水穩定性；在相同的壓縮應力作用下，水泥填料試件的壓縮應變較大，能提高試件的密實度。在相同的條件下，相比石粉，水泥填料能改善瀝青混凝土的耐久性能，同時添加一定量的石粉，能改善水泥的水化作用，進一步增強瀝青混凝土的耐久性能。

關鍵詞 浸水時間；瀝青混凝土；水穩定性；填料

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）24-0120-04

0 引言

隨著我國經濟的持續快速發展，水電建設得到了很好的發展機會[1]，瀝青混凝土心墻壩因具有較為簡單的結構、防滲的性能較好、施工方便簡潔、適應性強等特點得到廣泛應用，使得瀝青混凝土也得到極大地發展，在瀝青混凝土心墻壩相關的研究中有趙永利等[2]通過試驗對不同浸水條件下的瀝青混合料進行研究，研究表明浸水條件對瀝青混合料殘留穩定度的影響顯著；吳禮任等[3-4]通過浸水馬歇爾試驗和劈裂試驗研究了孔隙率對瀝青混合料的影響，研究表明瀝青混合料的水穩定性和殘留強度與孔隙率的大小有關；另外在瀝青混凝土耐久性方面的研究，有王民等[5-6]對比分析不同比例水泥代替礦粉后瀝青膠漿的延度、軟化點等性能，分析得到水泥代替礦粉后瀝青混凝土的性能影響；張嘎吱等[7]通過研究發現，在潮濕的環境中摻入干水泥會阻礙水分子向集料-瀝青界面的滲入；何建新等[8]通過研究發現，采用水泥作為填料能改善瀝青混凝土的水穩定性能。

現有的研究已取得一定成果，但在浸水時間長短對瀝青混凝土水穩定性能影響的研究，以及多種不同組合水泥摻量的瀝青混凝土耐久性對比研究還存在不足，為此該文通過試驗對原材料的基本性能進行檢測，對試驗方法進行介紹，對石粉填料瀝青混凝土與水泥填料瀝青混凝土在不同浸水時間的水穩定性能進行對比分析，希望該文的研究能促進行業的發展。

1 原材料性能試驗

該次試驗所采用的原料主要包括瀝青、水泥、石粉、粗集料與細集料，該文對其基本性能進行試驗檢測，具體如下所述。

1.1 瀝青

該次試驗所采用的瀝青為70#道路石油瀝青，其基本性能如表1所示。

從表1中的試驗檢測結果可以看出，該次試驗所采用的瀝青符合要求。

1.2 水泥

該次試驗所采用的水泥為42.5級的普通硅酸鹽水泥，其基本性能如表2所示。

從表2中的試驗檢測結果可以看出，該次試驗所采用的水泥符合要求。

1.3 粗集料

該次試驗所采用的粗集料為天然礫石骨料，其粒徑約為2.39～19 mm，其基本性能如表3所示。

從表3中的試驗檢測結果可以看出，該次試驗所采用的粗集料符合要求。

1.4 細集料

該次試驗所采用的細集料為天然沙，其粒徑約為0.075～2.36 mm，其基本性能如表4所示。

從表4中的試驗檢測結果可以看出，該次試驗所采用的細集料符合要求。

1.5 石粉

該次試驗所采用的石粉，其基本性能如表5所示。

從表5中的試驗檢測結果可以看出，該次試驗所采用的石粉符合要求。

2 浸水時間對瀝青混凝土水穩定性能影響研究

2.1 試驗方法

瀝青混凝土水穩定試驗的常用試驗方法有水穩定試驗、浸水馬歇爾試驗和劈裂試驗三種試驗方法，以下對這三種試驗進行簡要介紹。

水穩定性試驗：對瀝青混凝土進行水穩定試驗主要是為了得到瀝青混凝土在浸水后的抗壓強度，通過浸水前和浸水后的抗壓強度得到瀝青混凝土的水穩定系數，從而評定其水穩定性能優劣。該試驗過程中需要將試件進行分組，其中一組試件放置在環境溫度為19～21 ℃中放置48 h；另外一組試件先放入溫度為59～61 ℃的水中浸泡48 h，然后放置在環境溫度為19～21 ℃中48 h，分別測試試件的抗壓強度。

浸水馬歇爾試驗：通過試驗得到的殘留穩定度來評價瀝青混凝土的水穩定性能，在試驗的過程中將試件分為兩組，一組試件在環境溫度為60 ℃中放置30 min，隨后測得試件穩定度值；另一組試件放入溫度為60 ℃的水浴中放置48 h，取出測得試件的穩定度。對比二者的穩定度即可得到浸水殘留穩定度值。

劈裂試驗：該試驗主要包括浸水劈裂試驗、真空泡水劈裂試驗和凍融劈裂試驗三種，通過試驗得到的劈裂強度比來評定瀝青混凝土的水穩定性。

為研究浸水時間的長短對瀝青混凝土水穩定的影響，因此采用水穩定性試驗對石粉填料瀝青混凝土和水泥填料瀝青混凝土進行研究。試驗的時間分為5組，分別為48 h、96 h、144 h、192 h和240 h。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 pH值對比分析

在保證水溫不變的情況下，隨著浸泡時間的延長對不同填料的瀝青混凝土進行pH值的檢測，具體結果如表6所示。

從表6中可以看出，水泥填料瀝青混凝土和石粉填料瀝青混凝土浸水后的pH值均比浸水前要大，水泥填料的瀝青混凝土在浸水48 h后水溶液的pH值有明顯的突變，隨后水溶液的pH值趨于平緩下降趨勢，主要是因為水泥的水化產物氫氧化鈣在水中溶解，從而導致水溶液的pH值上升；石粉填料浸水48 h后水溶液的pH值變化不大，并且隨浸水時間的延長水溶液的pH值基本保持不變，主要是因為浸水10 min的碳酸鈣不會水化生成氫氧化鈣。

2.2.2 水穩定性對比分析

在保證水溫不變的情況下，隨著浸泡時間的延長，對不同填料的瀝青混凝土的密度、孔隙率、最大抗壓強度和空氣中的抗壓強度及水穩定系數進行統計分析，具體結果如表7所示。

從表7中可以看出，石粉填料瀝青混凝土試件的孔隙率在1.16%～1.36%，在空氣中的抗壓強度值約為1.34 MPa，隨著試件浸水時間的延長，試件的抗壓強度值逐漸減小，當浸水時間達到240 h時，試件的抗壓強度為1.16 MPa，相比浸水48 h時的抗壓強度減小約12.78%，并且此時的水穩定系數僅為0.85，小于0.9，不滿足要求。主要是因為隨著浸水時間的延長，水分子進入試件的開口孔隙中，瀝青膜被水分子穿透導致瀝青與礦料的界面存在較多的水分子，降低了瀝青與骨料的黏附，從而降低了瀝青混凝土的黏結力，導致抗壓強度減小，隨著浸水時間的延長，礦料瀝青混凝土被水損壞的程度增大，水穩定性能下降；水泥填料瀝青混凝土試件的孔隙率在1.07%～1.41%，在空氣中的抗壓強度值約為1.3 MPa，隨著試件浸水時間的延長，試件的抗壓強度值逐漸增大，水穩定系數也逐漸增大；當浸水時間達到240 h時，試件的抗壓強度為1.48 MPa，相比浸水48 h時的抗壓強度增大約11.27%，并且此時的水穩定系數為1.12，大于0.9，滿足要求。主要是因為隨著浸水時間的延長，水與水泥發生水化作用產生的水化物阻止水分的浸入，并且該水化產物能與呈酸性的瀝青發生化學反應，增加骨料與瀝青的黏附性，從而提高試件的抗壓強度，使得水泥填料的水穩定系數不斷增大，改善了瀝青混凝土試件的水穩定性能。

2.2.3 應力應變分析

為進一步分析不同填料對瀝青混凝土性能的影響，該文采用萬能試驗機對浸水96 h試件的壓縮應力與應變、浸水240 h試件的壓縮應力與應變進行分析。

試驗發現水泥填料的瀝青混凝土試件應力比石粉填料的瀝青混凝土試件要大，在浸水96 h后，水泥填料瀝青混凝土試件的壓縮應力隨應變的增加增長較快，隨后趨于穩定，而石粉填料瀝青混凝土試件的壓縮應力變化，呈現先減小后增大到再減小的過程，主要是因為隨著浸水時間的延長，水與水泥的作用使得試件內部產生水泥石，從而使試件更加密實，而石粉與水不發生水化反應。隨著浸水時間的延長，水分進入試件內部越多，試件被水損害的程度將會越大。

3 不同水泥摻量的瀝青混凝土耐久性影響研究

3.1 試驗配合比設計

為研究不同水泥摻量對瀝青混凝土性能的影響，該文設置多組不同摻量配合比制作瀝青混凝土試件，具體的配合比設計如表8所示。

3.2 試驗準備

該次試驗的試件通過標準馬歇爾擊實儀擊實成型，試件的直徑為100 mm，高度為100 mm，控制試驗的溫度，室內環境的溫度為20 ℃，水浴恒溫箱的水溫分別為80 ℃和60 ℃，為測得試件的抗壓強度采用萬能試驗機進行試驗，加載的速率控制在1 mm/min?？箟簭姸鹊挠嬎惆垂剑?）進行計算，壓縮應變的計算按公式（2）進行計算。

抗壓強度計算公式：

式中，P——試件受壓時的最大荷載（N）；A——試件的受荷面積（mm2）；Rc——實際的抗壓強度（MPa）。

壓縮應變計算公式：

式中，ε——試件最大應力時的應變值；H——試件的高度（mm）；δ——實際的最大垂直變形（mm）。

3.3 試驗過程

該次試驗一共制作54個試件進行試驗，將其分成6組，每組試件9個，試驗時先將第一組試件放置在20 ℃的環境中，48 h后直接進行試驗，測得試件在空氣環境中的指標。另外5組試件，每組試驗對應的浸水時間分別為75 h、225 h、375 h、750 h和1 500 h，水中的溫度設置為80 ℃，待浸水時間完成后將試件取出，再放在水溫為20 ℃的水中恒溫2 h，最后將試件取出進行試驗，測得試件的指標。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 水穩定系數分析

試驗過程中發現，當試件在80 ℃的水中浸泡一段時間后，在水泥填料的試件組中可以發現有大量的白色懸浮物，并且隨著浸水時間的延長，試件的表面會出現氣泡。說明高溫下水分子浸入到試件內部，待試驗結束將試件取出，測得試驗數據，按公式進行穩定系數的計算，具體結果如表9所示。

從表9中可以看出，當水泥的摻量為0%，石粉的摻量為12%時，在不同的浸水時間條件下，瀝青混凝土的水穩定系數均小于0.9，不滿足規范要求；當浸水時間達到1 500 h時，石粉瀝青混凝土的水穩定系數僅有0.69，這是因為在高溫的水浴環境中，水分子進入試件內部的速度較快，水分子與瀝青混凝土中的骨料結合增多，使得粗細集料與瀝青被剝離，從而導致試件受到水損害增強，水穩定性能下降；當水泥的摻量為12%，石粉的摻量為0%時，瀝青混凝土的水穩定系數均大于0.9，在不同的浸水時間條件下，瀝青混凝土的水穩定系數大于0.9，均滿足規范的要求，其中當浸水的時間達到375 h時，試件的水穩定系數最高；在高溫的水浴環境中，水分進入瀝青混凝土內部的量增大，與水泥發生化學反應生成的水化物能增強骨料與瀝青的黏附性，隨著浸水時間的延長，試件的水穩定系數又出現下降的變化，試件內部的水泥被水化完；當水泥的摻量為6%，石粉的摻量也為6%時，在不同的浸水時間條件下，試件的水穩定系數出現先增大后減小的變化趨勢，并且水穩定系數值均大于0.9，均能滿足規范的要求；當浸水時間為達到375 h時，水穩性系數達到最大，約為1.01，該值比在水泥摻量為12%，石粉摻量為0%時要大，主要是因為石粉的加入能對試件內部的空隙進行填充，使瀝青與骨料的黏附性得到增強。由此可見，水泥填料能改善瀝青混凝土的耐久性，石粉的加入能改善水泥的水化作用，增加有效水化產物，使瀝青混凝土具體更好的性能。

3.4.2 抗壓強度分析

在保證水溫不變的情況下，隨著浸泡時間的延長對不同水泥摻量瀝青混凝土的抗壓強度進行統計分析，具體結果如表10所示。

從表10可以看出，當水泥的摻量為0%，石粉的摻量為12%時，試件的抗壓強度隨著浸水時間的延長而逐漸減??；當水泥的摻量為12%，石粉的摻量為0%時，試件的抗壓強度隨著浸水時間的延長呈現出先增大后減小的變化，并且在浸水375 h時達到最大；當水泥的摻量為6%，石粉的摻量為6%時，試件的抗壓強度隨著浸水時間的延長呈現出先增大后減小的變化，并且在浸水375 h時達到最大。相比這三種摻量情況，當水泥摻量為6%時試件的抗壓強度最大，主要是因為水泥與水的水化產物能與石粉中小直徑的顆粒發生反應，產生具有一定強度的水化產物，能填充瀝青混凝土的孔隙，降低瀝青混凝土的孔隙率，從而提高瀝青混凝土的抗壓強度。

3.4.3 應力應變分析

為進一步分析不同水泥摻量對瀝青混凝土性能的影響，該文采用萬能試驗機對未浸水試件的壓縮應力與應變和浸水1 500 h試件的壓縮應力與應變進行分析。

試驗發現，未浸水且水泥摻量為12%，石灰摻量為0%時，試件的壓縮應力-應變曲線的斜率最大；水泥摻量為0%，石粉摻量為12%時，試件的壓縮應力-應變曲線斜率第二；水泥摻量為6%，石粉摻量為6%時，試件的壓縮應力-應變曲線最小。這主要是因為水泥和石灰同時摻入瀝青混合料中能改變瀝青混凝土試件的柔和性；并發現隨著浸水時間的增加，不同水泥摻量的試件其壓縮應力-應變曲線斜率較為接近，主要是因為在長期的浸水作用下，試件內部的水分不斷增大，在受壓過程中，水分被壓出。但相比三者不同的水泥摻量，可以發現當水泥的摻量為6%時試件的壓縮應力-應變曲線最大，說明在水泥和石粉填料都存在的情形下，能提高瀝青混凝土的耐久性能。

4 結論

該文通過對不同填料瀝青混凝土的水穩定性能進行研究，研究結果表明：水泥填料的瀝青混凝土水溶液pH值可以達到12，而石粉填料的瀝青混凝土水溶液pH值僅為9左右；石粉填料的瀝青混凝土試件在浸水240 h后水穩定系數不能滿足要求，而采用水泥填料的瀝青混凝土試件隨著浸水時間的延長水穩定系數不斷增大；相比水泥填料與石粉填料的瀝青混凝土試件，在相同的壓縮應力作用下，水泥填料試件的壓縮應變較大，能提高試件的密實度。在相同的條件下，相比石粉，水泥填料能改善瀝青混凝土的耐久性能，同時添加一定量的石粉，能改善水泥的水化作用，進一步增強瀝青混凝土的耐久性能。

參考文獻

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