彩色水泥灌浆沥青混合料的路用性能

郝培文，刘元烈，刘 涛，王 春

1. 长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西 西安 710065 2. 陕西高速公路建设集团公司，陕西 西安 710065

0 引言

彩色水泥灌浆沥青路面是将经特殊设计的彩色水泥胶浆灌入到多孔开级配沥青混合料空隙之中而形成的路面。彩色水泥灌浆沥青混合料作为彩色路面用材料的一种，除具有多彩的外观外，其路用性能也很重要。本文主要研究该复合材料的路用性能。

1 原材料

沥青采用埃索70#沥青， 集料采用石灰岩。水泥选用425普通硅酸盐白色水泥，测定结果见表1。胶结料、砂、矿粉、水、外加剂和色粉等组成。

参照日本道路协会《ァスファルト铺装要纲》（平成四年修订版），水泥灌浆沥青路面用水泥胶浆的主要性能指标如表2所示。

表1 水泥技术指标测定结果

砂选用福建产标准砂，为了能使水泥胶浆中的砂容易灌入沥青混合料的空隙中，其0.6 mm筛孔的通过率要大于80%，最大粒径不能超过1.18 mm。

色粉选用红色、绿色、黄色等色粉。外加剂采用早强剂和减水剂。

2 彩色水泥胶浆的设计

作为彩色灌浆沥青路面用水泥胶浆，它主要由水泥水泥胶浆的配比可以通过不同水平和影响因素经大量试验确定，也可借鉴以往的经验缩小范围，经少量试验确定。本文借鉴以往经验对不同配方的水泥胶浆进行试验，确定早强型彩色水泥胶浆配比为：水灰比0.52，砂用量20%，矿粉用量10%，色粉用量4%，早强剂用量2%，减水剂用量0.1%（占水泥质量的百分比）。1 d抗压强度为5.40 MPa，达到开放交通要求。7 d抗折强度为4.13 MPa，抗压强度为12.3 MPa ，可见该水泥胶浆性能完全达到要求。

表2 水泥胶浆性能指标

为使水泥胶浆在施工时段内仍然满足流动度的要求，测定其经过不同时间的流动度（室温20 ℃），结果如图1所示。

由图1可见，水泥胶浆的流动度随时间的延长而增大。这与水化作用的增加以及水分的散失有关。从试验结果可知，该水泥胶浆70 min内流动度小于14 s，保证了施工期间内流动性满足要求。

3 基体沥青混合料配合比设计

3.1 沥青混合料级配

由于基体沥青混合料设计的空隙率高达20%以上，其最终力学性能又依赖于填充的水泥胶浆，因此马歇尔试验结果不能使用现行沥青路面施工技术标准进行判断。参照国外的研究，基体沥青混合料的设计空隙率要求在20%~28%，沥青用量在3.0%~4.5%，具体指标要求如表3所示。

选用具有大空隙率特性的沥青混合料作为水泥灌浆沥青路面用基体沥青混合料, 由于中国还未有该种级配的推荐范围，借鉴日本《ァスファルト铺装要纲》推荐的沥青混合料级配，如表4所示。

选取设计空隙率为26%，参照以上级配范围选定几种级配，按3.4%的初试油石比成型试件，对比空隙率及灌浆情况（水泥浆是否能顺利灌入，以及填充空隙情况），最后拟订设计级配，如图2所示，级配成型试件空隙率为26%。

3.2 确定最佳沥青用量

本研究采用马歇尔设计法确定沥青用量，并只考虑密度、空隙率、稳定度和流值几个指标，试验结果见图3所示。

最后根据密度、设计空隙率、稳定度和流值等参数，选取最佳沥青用量（OAC）为3.5%，空隙率为26.5%，连通空隙率为24.3%。图4为设计成型的多空隙基体沥青混合料试件。

4 彩色水泥灌浆沥青混合料的路用性能

根据拟订的级配和最佳沥青用量成型沥青混合料试件，然后将提前拌好的彩色水泥胶浆灌入其中，养生7 d后进行各项路用性能试验。本研究采用沥青混合料的各种评价方法来评价该复合材料的性能，并于常用的AC-13沥青混合料做对比。图5即为几种彩色水泥灌浆沥青路面的表观图，图6为剖面图。

4.1 高温稳定性

彩色水泥灌浆沥青混合料车辙试验结果如图7所示。

现行规范采用动稳定度作为沥青混合料的高温性能技术指标，认为动稳定度越大，其高温性能越好，经过多年实践已证明了该评价指标的有效性。现行沥青混合料技术规范给出了七月份平均气温大于30 ℃时沥青混合料的动稳定度要求，见表5。

彩色水泥灌浆沥青路面的动稳定度为12 660.7次·mm－1，是普通沥青混合料AC-13C的9.8倍，也远远超过规范对于上述各种沥青混合料的要求，具有绝对的优势。

由图7还可看出，该种复合材料的车辙相对变形也很小，在60 min时还不到2%，这也证明了该材料的优良高温性能。图8为经过车辙试验后的试件，可以发现表面几乎看不出车辙痕迹。

不论从动稳定度还是从车辙相对变形来看，都可以看出彩色水泥灌浆沥青路面复合材料的高温稳定性非常好。

4.2 彩色水泥灌浆沥青混合料水稳定性

水稳定性试验结果见图9。

根据中国气候分区特征，现行规范给出了沥青混合料水稳定性的技术要求，如表6所示。

由图9可以看出，彩色水泥灌浆沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比分别比普通的AC-13C沥青混合料大21.5%和20.7%，这说明其抗水侵害能力比普通沥青混合料强；其浸水48 h残留稳定度达到108.7%，也远大于对表6中各混合料的要求，适用于潮湿地区，而且冻融循环劈裂强度比TSR也可达77.5%，可以达到普通沥青混合料在潮湿地区的要求，证明其有良好的水稳定性。

4.3 低温抗裂性能

小梁低温弯曲试验结果见图10。

由图10可以看出以下几点。

（1）从-10 ℃抗弯拉强度来看，彩色水泥灌浆沥青混合料比AC-13C型沥青混合料小，这说明低温下该复合材料承受荷载的能力比AC-13C型沥青混合料略小。

（2）从破坏弯拉应变来看，该复合材料的低温破坏弯拉应变要大于AC-13C沥青混合料，是其1.7倍多，这又说明复合材料破坏时的低温延展性比该沥青混合料强。

（3）该复合材料的弯曲劲度模量比AC-13C沥青混合料小得多，差不多为AC-13C混合料的1/3，劲度模量越大说明脆性越强，低温性能越不好，从这点上可以看出水泥灌浆沥青混合料的低温抗裂性好。

（4）从低温应变能来看，彩色水泥灌浆沥青混合料比沥青混合料大16.7%，说明在受低温破坏时水泥灌浆沥青混合料比AC-13C沥青混合料稍大，低温抗裂性强。

综合以上分析认为，彩色水泥灌浆沥青混合料的低温性能与普通AC型密级配沥青混合料相当。

4.4 疲劳性能

不同混合料的疲劳方程图如图11所示。

由图11可见，彩色水泥灌浆沥青混合料的疲劳方程曲线位于AC-13C沥青混合料的上侧，疲劳曲线越靠上，说明其疲劳性能越好，故该复合材料的疲劳性能要优于普通沥青混合料。

5 结语

本文研究了彩色水泥灌浆沥青混合料的设计方法，包括彩色水泥胶浆的配比和基体沥青混合料的配合比设计，并对其复合材料进行了高温稳定性、抗水损害性能、低温抗裂性和疲劳特性的检验。可以得出以下结论。

（1）彩色水泥灌浆沥青路面具有优良的高温稳定性，在高温地区使用效果良好。

（2）彩色水泥灌浆沥青路面抗水损害性能较强，适用于多雨潮湿的地区。

（3）彩色水泥灌浆沥青复合材料的低温性能与普通密级配沥青混合料相当，但要用于低温严酷的地区仍需进一步研究，以采取一定措施提高其低温性能。

（4）彩色水泥灌浆沥青复合材料的疲劳性能优于AC型密级配沥青混合料。

（5）基体沥青混合料的设计要注重其空隙率。空隙率关系到水泥胶浆灌入的多少和能否顺利灌入，从而影响到复合材料的性能。一般来说，母体沥青混合料空隙率越大，水泥胶砂所占比例就会越大，刚性越强，高温性能就越好；空隙率越小，就越偏于柔性，低温性能就越好。