早强型水泥乳化沥青混凝土修补材料开发及应用山宏宇1， 李 倩1， 叶 青2， 王燕芳2， 李炜光3 (1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550001； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵州 贵阳 550001； 3.长安大学， 西安 陕西 710064) [摘 要] 针对沥青路面早期病害维修对修补材料的特殊要求，开展了半柔性路面修复材料早强型水泥乳化沥青混凝土的设计及应用研究。通过试验研究和实际工程应用获得了早期强度高、粘结性能好、后期耐久性好、开放交通时间短、对环境友好的路面修补材料，且实体工程应用证明早强型水泥乳化沥青混凝土修补材料具有良好使用效果。 [关键词] 路面维修； 水泥乳化沥青混凝土； 早强快硬； 粘结强度 0 前言近年来随着公路交通量增加迅速，重载、超载车辆比例逐年增大，导致路面在使用过程中产生了裂缝类、变形类、坑槽类等诸多病害。路面修补材料在快速恢复路面使用功能中显得越来越重要[1-4]。 目前，路面常用修补材料有热拌沥青混合料、乳化沥青混合料和水泥混凝土类修补材料[5]。热拌沥青混合料在低温下施工效果不好，强度低，温度稳性和耐久性较差[6]。采用乳化沥青混合料修补路面，不需加热，施工简单，但由于其中含有大量水分，只有当混合料水分蒸发，沥青破乳后才开始具有强度，因而不仅温度稳定性差且早期强度低，不利于缩短道路开放交通的时间[7]。水泥混凝土类修补材料虽能满足快速通车的需求，但其后期强度和耐久性能较差；而后期性能好的材料早期养生慢，中断交通时间长；聚合物类修补材料由于成本高、对环境有污染、后期耐久性差，无法大面积推广使用[8]。因此，本文深入开展了早强型水泥乳化沥青混凝土修补材料的开发与应用研究，获得了早期强度高、粘结性能好、后期耐久性好、开放交通时间短、对环境友好的路面修补材料，并通过实体工程进行了验证。 1 试验1.1 试验原材料 本文试验中采用的胶凝材料为水泥和乳化沥青。水泥的主要技术指标见表1所示。乳化沥青：阴离子乳化沥青A和阳离子乳化沥青B，其主要技术指标见表2所示。细集料：河砂，细度模数为2.8，最大粒径4.75 mm。粗集料：5～20 mm连续级配碎石。水：自来水。减水剂：萘系高效减水剂(FDN)和聚羧酸高效减水剂(PC)。消泡剂：磷酸三丁酯((C4H9)3PO4)。体积稳定剂：UEA型膨胀剂。调凝组分：自行研发的T型调凝组分，增强组分：自行研发的Z型增强组分[8]。  表1 水泥的主要技术指标Table1 Themaintechnologydataofcement凝结时间/h抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3d28d3d28d标准稠度用水量/%安定性沸煮法16548630045028合格  表2 乳化沥青的主要技术指标Table2 Themaintechnologydataofemulsifiedasphalt项目乳化沥青 A B筛上剩余量(118mm)/%00020004平均粒径/μm231245储存稳定性(1d，25℃)/%0707极性阴阳乳化沥青蒸发残留物蒸发残留物含量/%604594针入度(25℃，100g，5s)/(01mm)10390延度(15℃)/cm150112软化点/℃4647溶解度(三氯乙烯)/%994993 1.2 试验内容和方法 本文中试验测试内容包括水泥乳化沥青混凝土的凝结时间、流动度、抗压强度以及粘结强度。试验采用《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE30-2005)测试凝结时间、流动度及抗压强度；粘结强度采用弯曲拉应力法和拉拔试验两种方法测试。 ① 弯曲拉应力法。 预先成型尺寸为100 cm×100 cm×550 cm的普通水泥混凝土试块，养护至28 d。28 d后将试块切割为两个半块，并用粗砂纸将截面打毛。将半块普通水泥混凝土试件放在100 cm×100 cm×550 cm试模的一边，另一边用拌制的早强型水泥乳化沥青混凝土填满成型。在标养室养护6 h后拆模，在水泥混凝土抗折试验机上测试抗折强度，以此代替两种材料的粘结强度。试验示意图如图1所示。  图1 砂浆粘结强度测试示意图 ② 拉拔试验法。 在试件为直径101.6 mm±0.2 mm，高63.5 mm±1.3 mm的沥青混合料圆柱体试件底面或顶面上浇筑相同尺寸的早强型水泥乳化沥青混凝土材料，常温下养护至6 h、3 d、8 d龄期，用拉拔试验仪测试其粘结强度。拉拔试验仪如图2所示。   图2 拉拔试验仪 Figure 2 Drawing tester 室内试验采用的材料配比见表3所示。  表3 试验配合比Table3 Themixtureratioofthetest(kg·m-3)胶凝材料乳化沥青AB水砂石39046115148585996 1.3 外加剂的优选 ① 减水剂。本试验进行了萘系高效减水剂(FDN)和聚羧酸高效减水剂(PC)与胶凝材料(乳化沥青浆体)的相容性研究。图3为2种减水剂掺量对早强型水泥乳化沥青混凝土材料工作性的影响结果。  图3 FND、PC对材料扩展度的影响 由图3可知：聚羧酸减水剂对原材料的敏感性较大，不宜调节控制最佳掺量，而萘系减水剂的试验结果相对均匀，对原材料的敏感性小，因此本文在后续的研究中全部采用萘系减水剂。对于减水剂剂量，试验结果如图4所示。  图4 减水剂对拌和物工作性和强度的影响 由图4可知：随着减水剂掺量增加，早强型水泥乳化沥青混凝土的坍落度和6 h抗压强度逐渐增加，30 min坍落度损失逐渐减小，工作性得到改善。在1.8%时，若减水剂掺量继续增加，对增强6 h抗压强度以及改善坍落度和30 min坍落度损失的改善作用减小，几乎趋于不变。综上所述，减水剂优选掺量确定为1.8%。 ② 膨胀剂。本文试验对比了UEA膨胀剂掺量为0%、5%、10%(相对于胶凝材料用量)时，早强型水泥乳化沥青混凝土膨胀率随龄期的变化规律和UEA掺量对工作性和抗压强度的影响。试验结果见图5和图6所示。 由图5和6可知：随着UEA膨胀剂掺量的增加，膨胀率逐渐增大，但抗压强度逐渐减小，塌落度降低，因此，UEA膨胀剂掺量不宜过大，控制在5%～10%较为合适。  图5 UEA膨胀剂对长期体积稳定性的影响  图6 UEA掺量对工作性和强度的影响
③ 增强组分。研究ZB、ZC、ZD共4种增强组分对早强型水泥乳化沥青混凝土早期强度的影响规律，试验结果见表4所示。  表4 增强组分对早期强度影响试验结果Table4 Testresultsoftheinfluenceofreinforcedcompositiononearlystrength增强组分掺量/%坍落度/mm可工作时间/min6h抗压强度/MPa0%—2403000 ZB082205618310225482251222042223ZC0252302524306220172621022510275ZD082402000 162402000 242402000 由表4可知：增强组分ZD增强效果差，对6 h抗压强度没有影响。ZB的掺量对坍落度无明显影响，对强度影响也较小。ZC对坍落度无不良影响，但对凝结时间影响很明显，不同掺量对6 h抗压强度提升效果也很明显，随着掺量增大6 h抗压强度最大可达27.5 MPa。综上可知，本研究采用ZC为增强组分，掺量控制在0.6%左右较为合适。 ④ 缓凝组分。研究调凝组分HA、HB对早强型水泥乳化沥青混凝土性能调节的影响。试验结果见表5所示。 由表5可知：随着HA掺量增加坍落度减小，可工作时间随着HA掺量增加得到延长，6h抗压强度随HA掺量增加有降低。HB掺入后，坍落度和强度会大幅降低，工作时间也没有改善。综上考虑，调凝组分采用HA，其掺量应控制在0.5%左右。 表5 调凝组份对工作性和强度的影响试验结果Table5 Testresultsoftheinfluenceofwaterreducingagentonworkabilityandstrength调凝剂掺量/%坍落度/mm可操作时间/min6h抗压强度/MPaHA032352327505220362580718545242HB1213025165141201815316—13128 通过以上试验及规范确定了基本配合比参数和减水剂，增强、调凝组分的掺量。配合比最终确定为水灰比0.38，胶砂比1∶1.5，砂率37%，减水剂1.8%，膨胀剂5%，增强组分ZC 0.6%，调凝组分0.5%，消泡剂0.1%。并通过此配合比进行力学性能试验，结果如图7所示。 图7 水泥乳化沥青混凝土力学性能试验结果 由图7可知：随着龄期的增长，早强型水泥乳化沥青混凝土的抗压强度和抗折强度逐渐增大，且2 h抗压强度能够达到17.4 MPa，2 h抗折强度超过3.5 MPa，后期强度不倒缩，满足道路快速修补的要求。 2 粘结强度试验粘结强度反映了修补材料与原路面材料之间的整体性能，决定了修补后路面的使用寿命。早强型水泥乳化沥青混凝土与水泥混凝土之间的粘结性能采用弯曲拉应力法测试，与沥青混合料之间的粘结性能采用拉拔试验测试。试验结果见表6所示。 表6 粘结强度试验结果Table6 Testresultsofbondingstrength试验项目水泥混凝土/MPa沥青混合料/kN6h3d28d6h3d28d强度304351313942 由表6可知：早强型水泥乳化沥青混凝土的粘结强度接近于普通水泥混凝土之间的粘结强度(28 d约为5.8 MPa)，优于沥青混合料之间的粘结强度(28 d约为3.9 kN)。 3 实体工程应用本文在陕西省咸阳市境内某沥青路面对早强型水泥乳化沥青混凝土修补材料的性能进行了验证，该路段昼夜车流量大于10 000辆，其中重型货车居多，修补病害为二次损坏，修补面积为130 cm×40 cm×10 cm。 修补材料主要技术指标如表7所示。 表7 材料主要技术指标Table7 Themaintechnologydataofmaterial6h强度/MPa7h强度/MPa工作时间/min坍落度/mm>20>30>40200～220 修复效果见图8所示。 图8 试验路修复及使用效果图 Figure 8 The picture of repaired experimental road 图8中从左到右为修复前后路面情况，由图8中可以看出：该处路面经修复后使用效果良好，与原路面粘结性好，表面平整、密实，没有出现剥落、坑槽等二次破坏现象，说明早强型水泥乳化沥青混凝土材料的应用达到了预期效果。 4 结论① 通过对减水剂、膨胀剂、增强组分以及缓凝组分掺量的定量对比研究获得了早强型水泥乳化沥青混凝土最优配合比：水灰比0.38，胶砂比1∶1.5，砂率37%，减水剂1.8%，膨胀剂5%，增强组分0.6%，调凝组分0.5%，消泡剂0.1%。 ② 早强型水泥乳化沥青混凝土的2 h抗压强度和2 h抗折强度分别达到17.4 MPa和3.8 MPa，且后期强度不倒缩，具有早强快硬的特点。 ③ 通过粘结强度试验结果发现，早强型水泥乳化沥青混凝土的粘结强度接近于普通水泥混凝土之间的粘结强度，优于沥青混合料之间的粘结强度。 ④ 通过试验路验证可知，早强型水泥乳化沥青混凝土修复效果良好，与原路面粘结性好，修复后表面平整、密实，没有出现剥落、坑槽等二次破坏现象，达到了预期应用效果。 [参考文献] [1] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001. [2] 程文静.半刚性基层沥青路面早期病害及其防治研究[M].济南：山东大学出版社，2013. [3] 陈华.水泥混凝土路面病害的防治与维修技术研究[M].重庆：重庆交通大学出版社，2008. [4] 卢映红.水泥混凝土路面养护维修技术的探究[J].中外建筑，2009(06)：225-227. [5] 童立.沥青路面坑槽快速修补材料研究[M].西安：长安大学出版社，2014. [6] 许菲菲，刘黎萍，唐海威，等.温拌沥青混合料与热拌沥青混合料性能对比[J].公路工程，2009(03)：73-76. [7] 杜少文，王振军.水泥改善乳化沥青混合料的使用性能[J].建筑材料学报，2009(01)：71-76. [8] 包双雁，王坤，陈长征，等.刚性结构水泥混凝土道面砂浆恢复层材料研究[J].公路，2013(08)：169-173. [9] Huang B Sh，Shu X.Laboratory investigation of portland ceme-ntconcrete containing recycled asphalt pavements [J].Cement and Concrete Research，2005，35(10)：2208-2013. Development and Application of Patching Materials of High Early Strength Cement Emulsified Asphalt Mixture SHAN Hongyu1， LI Qian1， YE Qing2， WANG Yanfang2， LI Weiguang3 (1.Guiyang Engineering Corporationg Limited， Power China， Guiyang， Guizhou 550001， China； 2.Guizhou Transportation Planning Survey & Design Academe Co.Ltd.， Guiyang， Guizhou 550001， China； 3.Chang'an University， Xi’an， Shaanxi 710064， China) Abstract：This paper presented a study in which the semi-flexible patching materials of high early strength cement emulsified asphalt mixture was developed according to the particular requirements for correcting initial distress of asphalt pavement.The lab tests and demonstration test road indicated that the developed environmentally-friendly patching material performed better in early strength，bonding ability，and durability.The performance of patching material was also demonstrated by the field validation test. [Key words] the road maintenance； cement emulsified asphalt； early strength rapid hardening； bond strength [收稿日期] 2015 — 08 — 26 [基金项目] 河南省交通厅重点项目(2012D11) [作者简介] 山宏宇(1985 — )，男，贵州遵义人,硕士研究生，工程师，主要从事路面设计及养护工作。 [中图分类号] U 414.1 [文献标识码]A [文章编号]1674 — 0610(2017)01 — 0131 — 05 |
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