水泥瀝青混凝土路面材料研究

商博明    蔡乾東    徐培華   周勝波

1.陜西長大博源公路養(yǎng)護(hù)科技有限公司，陜西 西安 710075；

2.長安大學(xué)，陜西 西安 710064；

3.廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007

    1、水泥瀝青混凝土路面CAC

    水泥瀝青混凝土路面（Cement asphalt concrete pavement，CAC）是通過采用灌注的方式，將摻有水泥瀝青混凝土外加劑CACa的水泥漿體填充在空隙率約為15%～30%的“骨架-空隙”母體瀝青混合料結(jié)構(gòu)中，經(jīng)水泥水化養(yǎng)生硬化后形成“剛?cè)岵��?jì)”的新型路面結(jié)構(gòu)。CAC路面既具有瀝青混凝土路面主要使用品質(zhì)，又具有水泥混凝土路面技術(shù)特性，結(jié)構(gòu)示意如圖1。

    CAC路面可廣泛應(yīng)用于高等級公路重載、長大陡坡路段的瀝青路面車轍處治、水泥混凝土橋面鋪裝、隧道路面、大型停車廠等新建或養(yǎng)護(hù)維修工程，也可用于瀝青路面局部瀝青處治工程，具有良好的抗車轍和耐久性能，同時有效降低路面水敏感性，施工方便、性能優(yōu)越。

    2、水泥乳漿材料

    CAC路面由瀝青混合料和水泥乳漿組成，其中水泥乳漿由水泥、CACa外加劑和水組成。

    2.1 水泥

    在CAC路面結(jié)構(gòu)中，水泥水化速度應(yīng)滿足工程要求。水泥水化快，水化產(chǎn)物將粘結(jié)、附著在瀝青路表面上，無法滲透到路面孔隙中形成CAC路面結(jié)構(gòu)；水泥水化慢，水泥水泥產(chǎn)物早期強(qiáng)度低，開放交通時間延長。不同類型水泥水化速度不同，較常見的水泥類型包括硅酸鹽水泥、礦渣水泥、粉煤灰水泥和復(fù)合水泥。

    2.1.1 不同類型水泥凈漿抗壓強(qiáng)度分析

    為了分析不同類型水泥凈漿的強(qiáng)度，按GB/T17671-1999將粉煤灰、礦渣和硅酸鹽水泥制備成凈漿試樣，尺寸規(guī)格為2×2×2cm，其配料如表1。

    表1  不同類型水泥材料組成

Tab.1 material composition of different type cement

    粉煤灰、礦渣化學(xué)組成如表2。

    表2 粉煤灰和礦渣成分分析  /wt%

 Tab.2 component analysis of fly ash and slag     /wt%

    水泥凈漿抗壓強(qiáng)度如表3。3d抗壓強(qiáng)度：硅酸鹽水泥＞粉煤灰水泥＞礦渣水泥＞礦渣粉煤灰復(fù)合水泥；7d抗壓強(qiáng)度：硅酸鹽水泥＞礦渣粉煤灰復(fù)合水泥＞粉煤灰水泥＞礦渣水泥；28d抗壓強(qiáng)度，礦渣水泥粉煤灰復(fù)合水泥＞礦渣水泥＞硅酸鹽水泥＞粉煤灰水泥。由此可見，在4種類型水泥中，硅酸鹽水泥水化速度快，早期強(qiáng)度高。

    表3  抗壓強(qiáng)度      /Mpa

    2.2.2 不同類型水泥水化微觀分析

    采用掃描電鏡觀察不同水化齡期下4種類型水泥水化產(chǎn)物形成過程。

    （1）3d水化

    如圖2所示，水化3d后礦渣、粉煤灰未發(fā)生明顯水化反應(yīng)，硅酸鹽水泥已發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物相對致密。

    （2）7d水化

    如圖3所示，水化7d后粉煤灰中活性較好的微珠開始水化反應(yīng)，礦渣仍未發(fā)生反應(yīng)。

    （3）28d水化

    如圖4所示，水化28d后礦渣顆粒表面出現(xiàn)大量凹槽，說明礦渣顆粒已進(jìn)行了水化反應(yīng)，粉煤灰顆粒由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部存在大量的微珠，包括沉珠、漂珠、子母珠，對于活性較高的微珠，較容易水化，活性較低的微珠很難水化，特別是粉煤灰內(nèi)燃燒不充分的不規(guī)則炭顆粒，存在于水泥水化產(chǎn)物中，對水化產(chǎn)物強(qiáng)度增長有害。因此，水化28d時，粉煤灰水泥凈漿強(qiáng)度最低。

    根據(jù)不同類型水泥凈漿強(qiáng)度、水化產(chǎn)物掃描電鏡微觀分析結(jié)果，結(jié)合工程要求，CAC路面優(yōu)先選擇硅酸鹽水泥。

    2.2 水泥瀝青混凝土外加劑CACa

    2.2.1 外加劑概述

    水泥遇水后迅速發(fā)生水化反應(yīng)，形成膠凝產(chǎn)物，很難滲透到瀝青路面空隙中，因此必須添加專用的外加劑。水泥瀝青混凝土外加劑CACa是水溶性液體高分子材料，與水泥具有良好的適應(yīng)性，能夠顯著增加水泥乳漿材料的分散性、滲透性和早期強(qiáng)度，同時與瀝青具有較好的親和性。

    CACa產(chǎn)品按用途可分為普適型CACa-P和早強(qiáng)型CACa-S兩種。普適型CACa-P產(chǎn)品滲透性和早期強(qiáng)度適中，適用于一般工程；早強(qiáng)型CACa-S產(chǎn)品可促進(jìn)水泥乳漿快速凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度，適用于高海拔、寒冷、多雨地區(qū)。水泥瀝青混凝土外加劑CACa如圖5所示。

    2.2.2功能特性

    CACa產(chǎn)品水溶性好，溫和、無毒、無污染，使用方便，性能優(yōu)越，主要功能如下：

    （1） 滲透能力強(qiáng)。強(qiáng)化水泥乳漿的滲透性能，在水泥水化之前快速滲透、填充到瀝青路面結(jié)構(gòu)孔隙中，防止水泥乳漿覆蓋在路表面上。

    （2） 早期強(qiáng)度高。可促進(jìn)水泥乳漿水化并形成強(qiáng)度，縮短開放交通時間。

    （3）交聯(lián)性穩(wěn)定。可將水泥水化產(chǎn)物與瀝青混合料連接起來，形成穩(wěn)定強(qiáng)化的路面結(jié)構(gòu)。

    2.2.3 作用原理

    水泥瀝青混凝土外加劑CACa具有高滲透性、穩(wěn)定性和早強(qiáng)性，可使水泥乳漿迅速均勻滲透填充到母體瀝青混合料內(nèi)部空隙中，水泥水化產(chǎn)物起到物理填充作用，形成半剛半柔性路面結(jié)構(gòu)。水泥瀝青混凝土外加劑CACa中含有高分子表面活性劑，可降低水泥乳漿的表面張力，從而降低了接觸角，使水泥乳漿與瀝青路面能夠充分潤濕，達(dá)到快速、均勻擴(kuò)散滲透的效果；水泥瀝青混凝土外加劑CACa中的高分子表面活性劑具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，當(dāng)水泥乳漿滲透、擴(kuò)散、填充到瀝青路面孔隙中后，在水泥瀝青混凝土外加劑CACa的作用下，水泥乳漿及其水化產(chǎn)物快速與瀝青緊密結(jié)合，形成穩(wěn)固的結(jié)合體；水泥瀝青混凝土外加劑CACa均勻穩(wěn)定，水泥乳漿填充到瀝青路面孔隙后，水泥乳漿迅速水化凝固，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物具有很高的強(qiáng)度，增加了路面的剛度。

    2.2.4 路用性能

    某高速公路彎坡橋橋面鋪裝層采用CAC-20型路面結(jié)構(gòu)，母體瀝青混合料空隙率設(shè)計(jì)為20%，水泥乳漿配比：普通硅酸鹽42.5水泥；水灰比0.65； CACa外加劑占水泥質(zhì)量的1.5%。水泥瀝青混凝土路面CAC路用性能檢測結(jié)果如表3所示。

    表3 水泥瀝青混凝土CAC路面路用性能檢測結(jié)果

Table 3 pavement performance test result of CAC

    3、結(jié)論

    CAC路面屬于半剛半柔型路面結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于對抗車轍性能要求較高的特殊路段；可作為下面層或基層（5～15cm）使用，也可作為瀝青路面局部離析處治技術(shù)措施，對于低等級道路也可直接作為面層使用。

    水泥乳漿材料是CAC路面的重要組成部分，通過試驗(yàn)分析及掃描電鏡觀察，硅酸鹽水泥水化速度快、早期強(qiáng)度高，是CAC路面優(yōu)選的水泥類型；CACa外加劑對水泥乳漿的滲透性、水化速度、早期強(qiáng)度及與瀝青混合料的結(jié)合強(qiáng)度起重要作用；結(jié)合工程應(yīng)用情況，CACa外加劑盡管用量少，但在CAC路面起“四兩撥千斤”的作用，是CAC路面不可或缺的材料。

    參考文獻(xiàn):

    商博明、粉煤灰結(jié)構(gòu)及粉煤灰膠凝材料水化的微觀研究西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

    徐培華、宋哲玉等、灌注式半剛性路面面層復(fù)合材料試驗(yàn)研究北京：中國公路學(xué)報(bào)，2002.

    徐培華、汪增凱等、灌注式半剛性路面材料室內(nèi)試驗(yàn)研究西安：西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1995.

    吳敏剛、蔡乾東等著、高等級公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)讀本北京：人民交通出版社，2010

    作者信息：

    第一作者：商博明、工作單位：陜西長大博源公路養(yǎng)護(hù)科技有限公司

    詳細(xì)地址：陜西省西安市高新區(qū)唐延路25號銀海新坐標(biāo)10907室 郵編：710075

    學(xué)歷：材料學(xué)碩士。

    職稱：工程師

    簡歷：1980年10月出生，本科就讀于西安建筑科技大學(xué)無機(jī)非金屬材料專業(yè)，研究生就讀于西安建筑科技大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，畢業(yè)后一直從事路面材料的研發(fā)和推廣工作，主要研發(fā)方向：改性瀝青材料、乳化瀝青材料、改性瀝青混合料添加劑材料、水泥瀝青混凝土外加劑材料。

    電話：15009256522

    郵箱：120912300@qq.com

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍 呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)