彩色灌浆沥青混合料设计方法及路用性能研究.docx
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彩色灌浆沥青混合料设计方法及路用性能研究
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）
中有关方法进行检验，水泥质量合格，结果见表5-1-1。
表5-1-1水泥技术指标测定结果
初凝时间（h）
终凝时间（h）
标准稠度用水量（%）
三天强度（MPa）
抗折
抗压
2～2.5
4
24
3.5
>17.0
4.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；
✧良好的流动性；
✧在硬化过程中，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《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）
10～14
抗折强度（MPa）
>2
七天养生
抗压强度（MPa）
10～30
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。
（1）实验仪器
流动度仪：
上端内径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。
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》（JTJ053—94）中水泥胶砂强度测定方法，制备试件（4×4×16cm）标准养生条件（20±3℃,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
＝
式中：
R
—抗折强度，Mpa；P—破坏荷载，Mpa；L—支撑圆柱中心距即100mm；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％，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5±0.5KN/s的范围内。
b．抗压强度按下式计算
R
=
式中:
R
—抗压强度，Mpa；P—破坏荷载，N；S—受压面积，为40mm×40mm。
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。
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
5.2.2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
方案
水灰比w/c
砂用量
（%）
矿粉用量（%）
色粉用量（%）
早强剂（%）
减水剂（%）
1天强度（MPa）
3天强（MPa）
7天强（MPa）
流动度
（s）
抗折强度
抗压强度
抗折强度
抗压强度
抗折强度
抗压
强度
1
0.55
20
10
3
0
0
0.70
1.36
2.72
7.90
4.20
13.21
11.40
2
0.55
20
10
5
0
0
0.90
1.60
2.50
7.00
3.85
11.11
12.66
3
0.55
20
10
5
1
0
1.55
3.14
2.70
7.10
3.33
10.55
13.90
4
0.55
20
10
5
2
0
2.28
4.80
3.15
9.00
3.95
10.56
13.20
5
0.52
20
10
4
2
0.1
2.30
5.40
3.79
8.90
4.13
12.30
12.08
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，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。
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）
0
15
30
50
70
85
105
120
流动度
（S）
12.08
12.77
12.99
13.32
14.10
14.45
15.37
15.87
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
≥1.9
20～28
50
3.0～4.5
≥3.0
2～4
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，借鉴日本ァスファルト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）
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
质量通过率，%
100
95～100
－
10～35
5～22
－
4～15
3～12
－
1～6
2．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，mm
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
质量通过率，％
100
97.5
61
15
13
－
－
－
－
4
图5-3-1级配曲线图
初试沥青用量为3.4%,级配成型试件空隙率为26%.
5.3.2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
）
最大相对理论密度
空隙率
（%）
连通空隙率
（％）
稳定度（KN）
流值
（mm）
2.0
1.842
2.601
29.2
27.0
2.28
2.08
2.5
1.842
2.581
28.8
26.3
2.33
2.10
3.0
1.852
2.563
27.7
25.5
2.37
2.55
3.5
1.871
2.545
26.5
24.3
2.56
2.63
4.0
1.865
2.527
26.2
23.0
2.18
2.35
图5-3-2油石比与各指标关系图
最后根据密度,设计空隙率，稳定度和流值等参数，选取OAC＝3.5％，VV=26.5%，连通空隙率VV
＝24.3％。
图5-3-3即为设计成型的多空隙基体沥青混合料。
图5-3-3多空隙基体沥青混合料试件
基体沥青混合料中的空隙包括封闭空隙和连通空隙，其中连通空隙率指混合料中相互贯通的空隙占试件体积的百分率，连通空隙为水泥胶浆理论上所能完全填充到的空隙，基体沥青混合料即使具有相同的空隙率，也会存在水泥胶浆填充效果不相同的情况，原因在于空隙中存在着不可填充的封闭空隙。
所以为了准确反映基体混合料的可填充性能，对连通空隙率进行计算非常必要。
连通空隙率与空隙率越接近说明该基体沥青混合料的填充效率越高，此外，施工中混合料中水泥胶浆的用量也可由该指标计算确定。
根据下式进行连通空隙率的计算：
连通空隙率VV
（％）＝（V-C
）/V×100
式中:
V—试件的体积，cm
；
C
—集料与封闭空隙的体积（cm
），C
＝（A-C）/
；
A—试件的干重量，g；
C—试件的水中重量，g；
—常温下水的密度，
≈1.0g/cm
。
§5-4彩色水泥灌浆沥青混合料路用性能研究
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，养生七天后进行各项路用性能试验（试件灌浆时为避免水泥浆漏出，应对沥青混合料试件的四周和底面采取封堵措施）。
该种复合材料的主体仍为沥青混凝土，偏于柔性，因为目前尚无评价该种复合材料各种路用性能的方法，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,并与第四章AC-13C沥青混合料作对比分析。
图5-4-1即为几种彩色水泥灌浆沥青路面的表观图，图5-4-2为剖面图。
图5-4-1四种颜色的彩色水泥灌浆沥青路面表面图
图5-4-2彩色水泥灌浆沥青混合料剖面图
5.4.1彩色水泥灌浆沥青混合料高温稳定性
1．试验结果
彩色水泥灌浆沥青混合料车辙试验结果见表5-4-1。
表5-4-1车辙试验结果
混合料类型
动稳定度
（次/mm）
45min变形（mm）
60min变形（mm）
相对变形（％）
彩色水泥灌浆沥青混合料
12660.7
0.813
0.863
1.7
AC-13C
1294.6
4.046
4.525
9.1
图5-4-3车辙试验结果对比
2．试验结果分析
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，经过多年实践证明了其有效性。
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5-4-2。
表5-4-2沥青混合料车辙动稳定度技术要求
气候条件与技术指标
要求的动稳定度（次/mm）
七月份平均最高气温（℃）
及气候分区
>30
夏炎热区
1-1
1-2
1-3
1-4
普通沥青混合料，不小于
800
1000
改性沥青混合料，不小于
2400
2800
SMA
混合料
非改性，不小于
1500
改性，不小于
3000
OGFC混合料
1500（一般交通）、3000（重交通量路段）
彩色水泥灌浆沥青路面的动稳定度为12660.7次/mm，是普通沥青混合料AC-13C的9.8倍，也大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。
可知该种材料的高温抗车辙性能非常优越，可用于所有高温气候地区。
由图5-4-3还可知，该种复合材料的车辙相对变形也很小，在60min时还不到2％，这也证明了该种材料的优良高温性能。
图5-4-4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。
图5-4-4车辙试验后的试件
不论从动稳定度还是从车辙相对变形来看，都可以看出该种路面复合材料的高温稳定性非常好。
沥青混合料的高温稳定性主要是指材料在高温下抵抗剪切流动变形的能力，该材料中由于水泥的加入刚性增大，抵抗剪切变形的能力大为增强，因此其抗车辙能力也随之增大。
5.4.2彩色水泥灌浆沥青混合料水稳定性
1．试验结果
水稳定性试验结果见表5-4-3。
表5-4-3水稳定性试验结果
混合料类型
浸水马歇尔试验
冻融循环劈裂试验
浸水48h稳定度MS
（KN）
未浸水40min稳定度MS（KN）
浸水残留稳定度MS
（％）
未冻融循环劈裂强度R
（MPa）
冻融循环后劈裂强度R
（MPa）
冻融劈裂强度比TSR
（％）
彩色水泥灌浆沥青混合料
21.45
19.74
108.7
0.930
0.721
77.5
AC-13C
8.75
9.78
89.5
1.070
0.687
64.2
图5-4-5水稳定性试验结果对比
2．试验结果分析
根据我国气候分区特征，现行规范给出了沥青混合料水稳定性的技术要求，如表5-4-4所示。
表5-4-4沥青混合料水稳定性检验技术要求
气候条件与技术指标
相应于下面气候分区的技术要求（％）
试验
方法
年降雨量（mm）
及气候分区
>1000
500～1000
250～500
<250
1.潮湿区
2.湿润区
3.半干区
4.干旱区
浸水马歇尔试验残留稳定度（％），不小于
普通沥青混合料
80
75
T0790
改性沥青混合料
85
80
SMA
混合料
普通沥青
75
改性沥青
80
冻融劈裂试验的残留强度比（％），不小于
普通沥青混合料
75
70
T0729
改性沥青混合料
80
75
SMA
混合料
普通沥青
75
改性沥青
80
由图5-4-5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48h残留稳定度达到108.7％，也远大于对表5-4-4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。
值得注意的是，该种材料的稳定度和残留稳定度都可达20KN左右，强度很高。
主要是是由于灌入其中的水泥起了很大的作用，增加了混合料的刚性。
从表5-4-3中还可看出，该复合材料在60℃水中浸泡48小时后的稳定度大于之前的稳定度，分析原因有：
灌入沥青混合料中水泥浆的强度不是一尘不变的，在较长一段时间内将仍会缓慢增长；在高温和湿度很大的环境下，水泥缓慢的水化作用大大提高，强度得到较大增长，所以复合材料48小时浸水残留稳定度会比浸水40分钟的要高。
这也可以从另一个角度说明该种材料的水稳定比较好。
另外，在几种水稳定性的试验中都有将成型好的马歇尔试件在水中充分浸泡这么一个过程（冻融劈裂试验甚至还要经过真空饱水），水还可以从试件的底面，四周浸入，而彩色水泥灌浆沥青路面在铺装完毕后，表面空隙完全被水泥所填充，水很难从路表进入到路面内部，这就使路面更有利于抗水侵害。
5.4.3彩色水泥灌浆沥青混合料低温抗裂性能
1．试验结果
本研究采用小梁低温弯曲试验，结果见表5-4-5。
表5-4-5低温弯曲试验结果
混合料类型
抗弯拉
强度RB，MPa
极限弯拉应变εB，με
弯曲劲度模量SB，
MPa
应变能密度，KJ/m
彩色水泥灌浆沥青混合料
8.287
1370
6778.8
5.59
AC-13C
10.183
791
12925.8
4.79
图5-4-6两种材料低温弯曲试验比较
2．试验结果分析
由表5-4-5和图5-4-6可以看出：
从-10℃抗弯拉强度来看，彩色水泥灌浆沥青混合料较AC-13C型沥青混合料为小，这说明低温下该复合材料承受荷载作用比AC-13C型沥青混合料略小。
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该沥青混合料，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。
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型的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低温抗裂性好。
从低温应变能来看，彩色水泥灌浆沥青混合料也比沥青混合料大16.7％，说明在受低温破坏时水泥灌浆沥青混合料比该沥青混合料稍大，低温抗裂性强。
由于沥青材料的温度敏感性较强，使得沥青混合料低温下的抗裂性能要比常温时下降不少，而水泥石的温度敏感性较小，水泥灌浆沥青混合料中由于相当数量的水泥石的存在，使混合料的温度敏感性降低，高低温条件下性能差别小于普通的沥青混合料，所以该水泥灌浆沥青混合料的低温抗裂性不会比该沥青混合料差，可以得到解释。
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。
5.4.4彩色水泥灌浆沥青混合料疲劳性能
1．试验结果
不同材料疲劳试验结果如表5-4-6。
表5-4-615℃不同混合料疲劳试验结果
混合料种类
应力比
应力水平
（MPa）
疲劳寿命
（次）
回归方程
彩色水泥灌浆沥青混合料
0.2
1.185
36987
Nf=k（1/σ）n
n=4.1516
k=87837
R2=0.9848
0.3
1.778
10757
0.4
2.370
2433
0.5
2.963
853
AC-13C普通沥青混合料
0.2
1.919
14275
Nf=k（1/σ）n
n=3.3290
k=120634
R2=0.9972
0.3
2.878
3255
0.4
3.837
1468
0.5
4.797
646
2．试验结果分析
不同混合料的疲劳方程图见下图5-4-5所示。
图5-4-7两种不同混合料疲劳试验对比
由图5-4-7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，固该复合材料的疲劳性能要优于普通沥青混合料。
§5-5小结
本章首先研究了彩色水泥灌浆沥青混合的设计方法，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，并主要对复合材料进行了高温稳定性、抗水损害、低温抗裂性和疲劳特性的路用性能检验。
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也较强，适用于多雨潮湿的地区。
3．低温性能与普通密级配沥青混
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