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1、65第五章 彩色水泥灌浆沥青混合料设计方法及路用性能研究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，路用性能也很重要。本章主要研究该复合材料的路用性能。彩色水泥灌浆沥青路面,是将特殊设计的彩色水泥胶浆灌入到多孔的开级配沥青混合料的空隙之中而形成的路面。该开级配沥青混合料称之为基体沥青混合料，也叫母体沥青混合料。5-1 原材料试验1沥青：采用埃索 70 号沥青，实验结果见第三章表 3-2-3，各项指标合格。2. 集料：集料采用石灰岩具体指标见第四章表 4-1-1。3. 水泥：选用江西产 425 普通硅酸盐白色水泥，参照公路工程水泥混凝土#实验规程 （JTJ053-94）中
2、有关方法进行检验，水泥质量合格，结果见表5-41-1。表 5-1-1 水泥技术指标测定结果三天强度（MPa）初凝时间（h）终凝时间（h）标准稠度用水量（%)抗折抗压22.54243.517.04. 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，砂通过 0.6mm 筛孔的通过率要大于 80%，最大粒径不能超过 1.18mm。5. 色粉：红色、绿色、黄色等色粉。6. 外加剂：采用早强剂和减水剂。5-2 彩色水泥胶浆的设计作为彩色灌浆沥青路面用水泥胶浆，它主要由水泥胶结料、砂、矿粉、水、外加剂和色粉等组成。必须满足以下性质：足够的抗压强度和抗折强度；66良好的流动性；在硬化
3、过程中，体积变化要小于 0.5；具有较小的干缩、温缩特性；必须具有良好的与混合料结合的性能。考虑以上原则，参照日本道路协会铺装要纲 （平成四年修订版） ，水泥灌浆沥青路面用水泥胶浆主要性能指标如表 5-2-1 所示。表 5-2-1 水泥胶浆性能目标值指标范围备注流动度（s）1014抗折强度（MPa）2抗压强度（MPa）1030七天养生5.2.1 水泥胶浆评价及实验方法1.流动度的测定具有良好的流动性是水泥灌浆沥青路面用水泥胶浆必须满足的性质之一。对于具体的流动度测定方法，国内各个研究机构采用的仪器及方法均不相同，本研究参考日本有关规范，提出具体的流动度测定方法。36（1）实验仪器流动度仪：上端
4、内径 178mm，下端内径 13mm，流出管长 38mm，内容积为1725ml。漏斗形状及尺寸见图 5-2-1。67图 5-2-1 流动度仪（单位：mm）容器：量桶或量杯；秒表：普通秒表。（2） 试验方法a漏斗垂直支撑稳定后，用水冲洗漏斗内壁；b将水泥胶浆充分拌和均匀后，倒入漏斗内，先让适量水泥胶浆从流出管流出，然后用手指堵住流出管口，再向漏斗内注入胶浆，直至规定体积 1725ml位置。c放开手指，水泥胶浆流出的同时开始计时，直至连续流出的水泥胶浆完全流出瞬间计时，读出该瞬间的时间，精确至 0.1 秒，即为流动度。（3）结果整理一种水泥胶浆平行试验三次，取其算术平均值为最后结果。注意事项：在测
5、流动度之前，要用水充分冲洗漏斗内壁；每次测定完后，用水将附着在内壁上的胶浆冲洗干净，防止硬化后的水泥胶浆影响下一次测定的准确度。2强度的测定根据公路工程水泥混凝土试验规程 （JTJ05394）中水泥胶砂强度测定方法，制备试件（4416cm）标准养生条件(203,相对湿度90%)养生到规定零期,测定期抗折、抗压强度。（1） 抗折强度的测定a取出经过规定零期养生的三个试件，清除试件表面的水分和砂砾，将其放入杠杆式抗折试验机夹具内，调整杠杆接近平衡位置，进行抗折强度的测定。b抗折强度按下式计算R f223 bhPL式中： R 抗折强度，Mpa；P 破坏荷载，Mpa；L 支撑圆柱中心距f即 100mm
6、；b、h试件断面宽及高，均为 40mm。c抗折强度结果取三个试件的平均值。当三个强度中有超过平均值10，68应剔除后再平均，此平均值作为抗折强度试验结果。彩色水泥胶砂试件见图 5-2-2。图 5-2-2 抗折强度试验后的彩色水泥胶砂试件（2）抗压强度的测定a将抗折试验后的两个断块放入抗压夹具中，在压力试验机上进行抗压强度的测定。压力机加荷速度控制在 50.5KN/s 的范围内。b抗压强度按下式计算R =CSP式中: R 抗压强度，Mpa；P 破坏荷载，N； S 受压面积，为C40mm40mm。c六个抗压强度结果中剔除最大、最小两个数值，以剩下的四个值平均值作为抗压强度结果。入不足六个，取平均值
7、。图 5-2-3 为抗压强度试验后的彩色水泥胶砂试件。图 5-2-3 抗压强度试验后的彩色水泥胶砂试件695.2.2 水泥胶浆试验结果与分析水泥胶浆的配比可以通过不同水平和影响因素的试验设计经大量试验确定，也可借鉴以往的经验，缩小范围，经少量试验确定，可称之为经验法。本研究借鉴以往经验对不同配方的水泥胶浆进行实验，结果见表 5-2-2。表 5-2-2 彩色水泥胶浆性能指标1 天强度（MPa）3 天强（MPa）7 天强（MPa）方案水灰比w/c砂用量(%)矿粉用量(%)色粉用量 (%)早强剂(%)减水剂(%)抗折 强度抗压强度抗折 强度抗压强度抗折 强度抗压强度流动度(s)10.55201030
8、00.701.362.727.904.2013.2111.4020.5520105000.901.602.507.003.8511.1112.6630.5520105101.553.142.707.103.3310.5513.9040.5520105202.284.803.159.003.9510.5613.2050.522010420.12.305.403.798.904.1312.3012.08彩色水泥灌浆沥青路面用水泥胶浆按养生时间可分为普通型，早强型和超早强型，养生时间的长短大都是根据所使用的水泥种类按经验来确定的，普通型一般在水泥胶浆洒铺成型标准养生约三天后即可开放交通，早强型为一天
9、，超早强型为 3 到 5 小时。但是，也有规定养生时间不能按经验来确定，而是根据该复合混合料耐磨和抗车辙性与水泥抗压强度的关系，以水泥的抗压强度在4.9MPa 以上的标准来确定路面养生时间的。本研究根据一般需要，水泥胶浆46设计为早强型，借鉴以往研究经验，由方案 1 选水灰比 0.55，砂用量 20，矿粉用量 10，验证得七天抗压、抗折强度和流动度均满足要求，但一天的强度太低无法开放交通。固需要添加早强剂，进行方案 2、方案 3 和方案 4 的试验，早强剂用量与强度的关系见图 5-2-4。701天抗折强度1天抗压强度 7天抗折强度7天抗压强度3天抗折强度3天抗压强度01234567891011
10、120123 早强剂用量（）强度（MPa）图 5-2-4 早强剂用量与强度关系由图 5-2-4 可见，随着早强剂剂量的增加，水泥胶浆的一天抗折、抗压强度和三天的抗压强度增加越多，而对于七天的抗折、抗压强度则影响较小。当早强剂用量为 2时，一天的抗压强度达到 4.8MPa，基本达到 4.9MPa 的要求；要进一步提高一天的抗压强度，但早强剂用量不宜太高，否则可能导致水化太快、收缩加大和影响后期强度等问题，所以进行方案 5 的试验，用降低水灰比来提高强度，同时添加 0.1的减水剂保证流动度的要求。通过添加 3、4和 5的色粉，比较色彩效果并考虑造价，最后确定其用量为 4。经试验结果表明方案 5 的
11、各项指标满足要求，最后选定方案 5 为该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 2，减水剂 0.1（用量为占水泥之质量百分比） ，该水泥胶浆性能完全达到要求。1 天抗压强度为 5.40MPa，达到开放交通要求。为使其在施工时段内仍然满足流动度的要求，测定该水泥胶浆经过不同时段的流动度（室温 20） ，结果如表 5-2-3。表 5-2-3 彩色水泥胶浆流动度测定结果流经时间 （min）01530507085105120流动度 （S）12.0812.7712.9913.3214.1014.4515.3715.877111121314151617
12、020406080100120140 时间（min）流动度（s）图 5-2-5 流动度与时间关系由表 5-2-3 及图 5-2-5 可见，水泥胶浆的流动度随时间的增长而增大。这与水化作用的增加以及随时间的增长水分有一定的散失有关。从实验结果可知，该水泥胶浆可以在 70 分钟时间内流动度小于 14 秒，保证了施工时间流动性的要求。具体施工时间与水泥胶浆一次洒铺面积，结构层厚度和施工效率有关。5-3 基体沥青混合料配合比设计沥青混合料结构层随矿料级配的不同而构成不同的组成结构，诸如悬浮密实结构、骨架空隙结构、骨架密实结构。水泥灌浆沥青混合料属于骨架密实结构，而基体沥青混合料则属于骨架空隙结构，即在
13、形成骨架的同时提供足够大的空隙以使水泥胶浆充分灌入。基体沥青混合料的体积特征对该路面的力学性能可产生重大影响，因此，在基体沥青混合料的设计过程中要突出混合料的体积特征，使其具有良好的体积特性。基体沥青混合料跟 OGFC 混合料在体积特征上相类似。本研究采用简单的马歇尔设计方确定其沥青用量。5.3.1 沥青混合料级配1指标要求及级配范围由于基体沥青混合料设计空隙率高达 20以上，其最终力学性能又依赖于填充的水泥胶浆，其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。对于该混合料来说，马歇尔试验结果仅供确定基体沥青混合料沥青用量时参考。由于目前国内开展这项研究极少，还不能制定相应的标准来指
14、导施工，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%之间,沥青用72量在 3.0%4.5%之间，具体指标要求如表 5-3-1 所示。表 5-3-1 基体沥青混合料指标要求项 目密度(g/cm3)空隙率(%)击实次 数（次）沥青用量(%)稳定度(KN)流值(mm)指标要求1.92028503.04.53.024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, 由于我国还未有该种级配的推荐范围，借鉴日本铺装要纲推荐的沥青混合料级配如表 5-3-2。表 5-3-2 基体沥青混合料级配推荐范围筛孔(mm)1613.29.54.752.361.180.60.30.
15、150.075质量通 过率，%100951001035522415312162拟定矿料级配选取设计空隙率为 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表 5-3-3 所示。表 5-3-3 设计级配表筛孔，mm1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075质量通过率，10097.561151340204060801001613.29.54.752.360.0750 筛孔尺寸（mm）通过率（）级配下限级配上限目标级配图 5-3-1 级配曲线图初试沥青用量为 3
16、.4%, 级配成型试件空隙率为 26%.735.3.2 确定最佳沥青用量本研究采用马歇尔设计法确定其沥青用量，并只考虑密度、空隙率、稳定度和流值几个指标，试验结果见表 5-3-4。表 5-3-4 马歇尔实验结果油石比 （ ）毛体积密 度（g/cm ）3最大相对 理论密度空隙率 （%）连通空隙率 （）稳定度 （KN）流值 （mm）2.01.8422.60129.227.02.282.082.51.8422.58128.826.32.332.103.01.8522.56327.725.52.372.553.51.8712.54526.524.32.562.634.01.8652.52726.223.02.182.351.841.8451.851.8551.861.8651.871.8751.522.533.54
