基于細(xì)微觀試驗的水泥乳化瀝青混合料空隙特征

肖晶晶，沙愛民，蔣 瑋，王振軍

（1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安710061；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安710064；3.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710061）

水泥乳化瀝青混合料綜合了熱力學(xué)上互不相容的有機(jī)結(jié)合料乳化瀝青和無機(jī)結(jié)合料水泥的膠結(jié)特性［1－2］，與石料進(jìn)行拌和后，乳化瀝青聚并破乳形成粘結(jié)力，水泥水化結(jié)晶固化并放熱，水泥水化產(chǎn)物與瀝青膜交織纏繞，復(fù)合形成一種新的路面材料［3－5］.由于其能夠?qū)崿F(xiàn)冷拌冷鋪，極大地減少了施工過程中的能耗和碳排放，因而在路面工程中得到了越來越多的應(yīng)用.

在路面混合料配合比設(shè)計和施工質(zhì)量控制中，空隙率是關(guān)鍵指標(biāo)，它與路面的使用狀況及壽命有著密切的關(guān)系［6－9］.當(dāng)瀝青混合料空隙率大于8%時，路面存在早期疲勞裂縫、剛度降低、老化和剝落等問題，當(dāng)空隙率增至9%～11%時，老化將會加速.水泥乳化瀝青混合料這種新型路面材料中含有無機(jī)物的水泥和有機(jī)物的乳化瀝青，在一定條件下可以產(chǎn)生相互作用［10－11］，導(dǎo)致相同集料級配條件下混合料空隙特征與普通瀝青混凝土的差別較大，國內(nèi)外現(xiàn)有資料表明水泥乳化瀝青混合料空隙率一般在5%～12%之間［12］，通過調(diào)整礦料級配，或者改變水泥和乳化瀝青的添加量，均難以使其空隙率降低到4%以下.為此，論文基于CT 及SEM 等細(xì)微觀試驗手段對水泥乳化瀝青混合料的細(xì)觀空隙特征進(jìn)行研究.

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

乳化瀝青為試驗室自行制備，各主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.水泥為32.5R 普通硅酸鹽水泥，各項技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求.

表1 乳化瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of cement asphalt emulsion mixtures

集料采用玄武巖，技術(shù)指標(biāo)符合《公路工程集料試驗規(guī)程》JTG E42的技術(shù)要求.混合料礦料級配如表2所示.

1.2 試驗方案

成型不同水泥和瀝青用量的馬歇爾試件，采用CT 無損檢測技術(shù)獲取混合料的斷面空隙信息.CT掃描設(shè)備為PICKER 公司PQ5000CT，掃描角度為360°.測試時沿試件高度方向每隔2mm 進(jìn)行掃描，獲取的斷面圖片像素為512×512，如圖1a所示，對圖片進(jìn)行閾值處理，得出圖1b 所示空隙分布情況（黑色部分代表空隙），采用ImageJ軟件對圖像進(jìn)行處理，如圖1c所示.獲取斷面空隙面積和單個空隙特征數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像像素和試件面積，計算空隙率，分析空隙細(xì)觀特征，研究乳化瀝青和水泥用量對混合料細(xì)觀空隙特征的影響規(guī)律.

采用Philips－FEI Quanta200掃描電鏡，研究水泥乳化瀝青混合料微觀尺度的空隙特點(diǎn).

表2 試驗所用礦料級配Tab.2 Gradation of mixtures for testing

2 乳化瀝青用量對混合料空隙特征的影響

固定水泥用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為3%，獲取乳化瀝青用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為6%，7%，8%和9%的馬歇爾試件CT 圖像，按照狀態(tài)法進(jìn)行閾值處理后得到混合料的斷面空隙圖像（圖2）.

圖1 CT 圖像和處理Fig.1 CT images and treatment

圖2 不同乳化瀝青用量的混合料斷面空隙圖像Fig.2 Representative images of specimens section with different emulsion asphalt contents

采用ImageJ對不同乳化瀝青用量試件的斷面圖像空隙特征指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計和匯總，得到斷面平均空隙數(shù)量、平均單個空隙面積、空隙等效直徑和CT可視空隙率等空隙特征值，如表3所示.其中空隙的等效直徑是將空隙形狀等效為圓形時對應(yīng)得到的圓直徑，是反映單個空隙大小的指標(biāo)；CT 可視空隙率定義為CT 斷面圖像中空隙總面積與斷面圖像總面積的比值，即通過CT 圖像獲取的試件空隙率.

表3 不同乳化瀝青用量時試件斷面上的空隙特征Tab.3 Air void features of specimens section with different emulsion asphalt contents

2.1 空隙尺寸

由表3可知，隨著乳化瀝青用量的增大，混合料內(nèi)部空隙尺寸有所減小，表現(xiàn)為CT 斷面圖像上的空隙總面積和平均單個空隙面積的減小，如圖3所示.

水泥乳化瀝青混合料內(nèi)部空隙尺寸減小的原因可以解釋如下：一方面，在相同水泥用量下，隨著乳液用量的增多，混合料的拌和和易性得到改善，集料表面被更多的乳液包裹，集料之間更加潤滑，混合料的壓實(shí)性能變好，集料與集料之間有更多的瀝青膠漿填充，空隙率和單個空隙尺寸有所降低.另一方面，水泥水化Zeta電位為負(fù)值，加入到乳化瀝青中與陽離子乳化瀝青會產(chǎn)生電荷吸附；同時水泥顆粒有強(qiáng)烈的親水性，會將乳化瀝青中的水相吸附于其表面，作為水泥水化所需的反應(yīng)用水，生成牢固的化學(xué)結(jié)合水，降低混凝土水分蒸發(fā).較多的乳化瀝青也提供了更多的水分以供水泥發(fā)生水化反應(yīng)，水泥發(fā)生水化反應(yīng)后體積膨脹，也會大大減小混合料內(nèi)部的孔體積，這也是導(dǎo)致空隙率和空隙尺寸發(fā)生變化的原因.

圖3 乳化瀝青用量對試件斷面空隙總面積和平均單個空隙面積的影響Fig.3 Emulsion asphalt content influence on pore area and average single air void area of specimens section

2.2 空隙數(shù)量

當(dāng)乳化瀝青用量由6%增大至9%時，CT 斷面圖像上的平均空隙數(shù)量沒有顯著的變化規(guī)律，空隙數(shù)量范圍為120～138個.不同尺寸空隙數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果表明乳化瀝青用量的增大能夠顯著降低混合料中較大空隙的數(shù)量，如圖4所示.當(dāng)乳化瀝青用量為6%時，CT 圖像斷面中面積大于10 mm2的空隙個數(shù)占空隙總數(shù)的8.3%，而當(dāng)乳化瀝青用量增大到9%時，這一比例降低至2.2%；與此同時，CT 圖像斷面中面積小于1mm2的空隙個數(shù)占空隙總數(shù)的百分比相應(yīng)的由33.8%增至44.8%.

圖4 乳化瀝青用量對試件斷面不同尺寸空隙數(shù)量分布的影響Fig.4 Emulsion asphalt content influence on air void number with different area of specimens section

試驗結(jié)果表明，乳化瀝青用量的變化不會造成混合料中空隙數(shù)量的變化，但適當(dāng)?shù)卦龃笕榛癁r青用量至8%～9%時，可以優(yōu)化混合料中空隙尺寸的分布結(jié)構(gòu)，顯著減小較大空隙（面積大于10mm2）的數(shù)量，使空隙分布趨于細(xì)致及均勻.

2.3 CT可視空隙率

隨著乳化瀝青用量的增大，試件的CT 可視空隙率呈下降趨勢，如圖5所示.較大的乳化瀝青用量使得集料表面包裹的瀝青膜增厚，集料與集料之間的摩擦力大大降低，混凝土易于拌和，易于擊實(shí)，混凝土空隙率降低.

圖5 乳化瀝青用量對混合料CT 可視空隙率的影響Fig.5 Emulsion asphalt content influence on CT visible air void of mixtures

3 水泥用量對混合料空隙特征的影響

固定乳化瀝青用量為8%，獲取水泥用量分別為0，2%，3%和4%的馬歇爾試件CT 圖像，閾值處理后如圖6所示.計算統(tǒng)計斷面圖像空隙特征指標(biāo)，如表4所示.

3.1 空隙尺寸

空隙等效直徑指標(biāo)反映了試件中空隙的尺寸，由圖7可以看出，當(dāng)水泥用量不超過3%時，對混合料中的單個空隙尺寸沒有顯著影響，約為1.8mm；而當(dāng)水泥用量增大至4%時，混合料中的空隙等效直徑顯著增大，約為2.2mm.

圖6 不同水泥用量的混合料斷面空隙代表圖像Fig.2 Representative images of specimens section with different cement content

表4 不同水泥用量時試件斷面上的空隙特征指標(biāo)Tab.4 Air void features of specimens section with different cement content

圖7 水泥用量對試件斷面圖像空隙等效直徑的影響Fig.7 Cement content influence on air void equivalent diameter of specimens section

當(dāng)水泥用量增大到一定程度后，與乳化瀝青聚集并裹附成團(tuán)，且水泥的比表面積很大，消耗掉大量的乳化瀝青，使得集料表面的有效瀝青含量變少，集料與集料之間的摩擦力大，混合料壓實(shí)性能較差；同時，水泥用量高，水泥乳化瀝青膠漿的粘度大，流動性差，混合料成型后膠漿難以流動自動分配，留下較多大尺寸空隙.因此，乳化瀝青混合料中的水泥用量一般不宜超過3%.

3.2 空隙數(shù)量

由表2中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)不摻加水泥時，混合料空隙數(shù)量最多，以小尺寸孔隙為主.這是由于當(dāng)乳化瀝青用量為8%，不摻水泥時，混合料的拌和和易性及壓實(shí)性都較好.CT 掃描下存在于混合料內(nèi)部的可視空隙主要是集料與集料之間的間隙，混合料拌和過程中引入的較大的氣泡爆破后留下的空隙，以及乳液中水分蒸發(fā)留下的空隙；同時乳化瀝青相對含量較高，稀漿流淌性好，混合料內(nèi)部大的空隙在乳液完全破乳之前得到一定程度的填充，因而試件中以小尺寸空隙為主，只在上下兩個斷面有少數(shù)幾個大尺寸空隙.

當(dāng)水泥用量為4%時，混合料中空隙數(shù)量較少，但單個空隙面積較大，這主要是因為水泥用量比較多，水泥吸附大量乳化瀝青，使集料表面裹附的瀝青相應(yīng)減少，集料與集料之間的摩擦力變大，混合料不易壓實(shí)，留下許多空隙.水泥遇水會發(fā)生水化反應(yīng)，但是水泥乳化瀝青混合料中的環(huán)境比較復(fù)雜，只有少量的水泥能夠發(fā)生水化反應(yīng).所以在混合料中，并沒有因為水泥用量加大，水泥的水化反應(yīng)程度就有所提高，水化產(chǎn)物就有所增加，混合料就更加密實(shí)，相反地，過多的水泥只是一種惰性的填料，消耗了大量的乳液，使得混合料的拌和和易性和壓實(shí)性都有所降低，從而導(dǎo)致試件在CT 圖像中出現(xiàn)較多個可視的大尺寸空隙.

3.3 CT可視空隙率

圖8所示為試件的CT 可視空隙率同混合料中水泥用量的關(guān)系.可以看出，水泥用量由0 增大至3%的過程中，混合料的CT 可視空隙率沒有明顯變化，而當(dāng)水泥用量增至4%時，混合料的CT 可視空隙率顯著增大.同樣證明了水泥用量過大不利于混合料的拌和和易性和壓實(shí)性能，試件的CT 可視空隙率增大.乳化瀝青和水泥石內(nèi)部存在的微孔隙體積的存在，導(dǎo)致不同水泥用量下的混合料CT 可視空隙率值亦明顯小于表干法試驗得到的空隙率值.

圖8 水泥用量與混合料CT 可視空隙率的關(guān)系Fig.8 Cement content influence on CT visible air void of mixtures

4 混合料微觀空隙結(jié)構(gòu)

水泥乳化瀝青混合料中含有無機(jī)物的水泥和有機(jī)物的乳化瀝青，在一定條件下可以產(chǎn)生相互作用，因而混合料的空隙不僅包括集料內(nèi)部的孔隙、集料與集料之間的間隙，還包括水泥乳化瀝青復(fù)合膠漿硬化后內(nèi)部存在的孔隙，這些孔隙包括混合料成型過程中引入空氣形成氣泡、氣泡破裂后留下的“空位”、乳化瀝青破乳、水分蒸發(fā)后留下的孔隙，以及水泥水化產(chǎn)物中存在的球形大孔、毛細(xì)孔和凝膠孔.而泥石內(nèi)部存在的這些孔隙體積都非常小，在CT 掃描下肉眼幾乎不可視，并且數(shù)量巨大，難以統(tǒng)計.因此采用PHILIPS－FEI Quanta 200掃描電鏡進(jìn)一步對水泥乳化瀝青膠漿的微觀特征進(jìn)行研究，并與普通瀝青膠漿進(jìn)行對比.

與圖9所示的基質(zhì)瀝青膠漿相比，乳化瀝青破乳產(chǎn)生的水分雖然能夠提供水泥水化所需水分，但也會使自身漿體結(jié)構(gòu)變得疏松，空隙增大.如圖10所示，硬化成型后的水泥乳化瀝青漿體表面不光滑，存在許多突起，顯得凹凸不平，漿體內(nèi)部存在許多孔隙，整體結(jié)構(gòu)較為疏松.

圖9 瀝青膠漿SEM 圖像（1 000×）Fig.9 SEM image of hot asphalt mortar（1 000×）

圖10 水泥乳化瀝青膠漿SEM 圖像（1 000×）Fig.10 SEM image of cement emulsified asphalt mortar（1 000×）

5 混合料性能

對不同水泥和乳化瀝青用量的水泥乳化瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗，結(jié)果如表5所示，不同的水泥和乳化瀝青用量下混合料的性能差異顯著.總體上來看，乳化瀝青用量為8%，水泥用量為3%時，此時混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)和力學(xué)性能均表現(xiàn)良好.這與前面空隙特征分析的結(jié)果是一致的.

表5 不同水泥和乳化瀝青用量的混合料性能Tab.5 Mixture performance with different cement ＆emulsified asphalt content

6 結(jié)論

（1）隨著乳化瀝青用量的增大，混合料內(nèi)部空隙尺寸有所減小，水平斷面上的空隙總面積和平均單個空隙面積減??；乳化瀝青用量的變化不會造成混合料中的空隙數(shù)量的變化，但適當(dāng)?shù)卦龃笕榛癁r青用量至8%～9%時，可以優(yōu)化混合料中空隙尺寸的分布結(jié)構(gòu)，使空隙分布趨于細(xì)致及均勻.

（2）乳化瀝青混合料中，水泥用量超過3%時，混合料的CT 可視空隙率明顯增大，且空隙中的大尺寸空隙比例增高，其原因是因為水泥用量過大消耗了大量的乳液，使得混合料的拌和和易性和壓實(shí)性都有所降低，試件內(nèi)部出現(xiàn)較多的因壓實(shí)不足形成的集料與集料的間隙.

（3）由于乳化瀝青及水泥材料的特殊性，水泥乳化瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料疏松.混合料成型過程中引入空氣形成氣泡，氣泡破裂后留下的“空位”、乳化瀝青破乳、水分蒸發(fā)后留下的空隙、水泥水化產(chǎn)物中存在的各種尺寸孔隙以及壓實(shí)后存在的集料與集料之間的間隙共同構(gòu)成了水泥乳化瀝青混合料復(fù)雜的空隙結(jié)構(gòu).

（4）水泥乳化混合料斷面的細(xì)觀空隙特征隨水泥和乳化瀝青用量的變化規(guī)律同混合料的性能具有一定的聯(lián)系，乳化瀝青用量為8%，水泥用量為3%時，水泥乳化瀝青混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)和力學(xué)性能均表現(xiàn)良好.

［1］ Niazi Y，Jalili M.Effect of portland cement and lime additives on properties of cold in－place recycled mixtures with asphalt emulsion［J］.Construction and Building Materials，2009，23（3）：1338.

［2］ Amir K，Amir M.Laboratory fatigue models for recycled mixes with bitumen emulsion and cement［J］.Construction and Building Materials，2010，24（10）：1920.

［3］ Oruc S，Celik F，Akpinar M V.Effect of cement on emulsified asphalt mixtures［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，2007，16（5）：578.

［4］ 沙愛民，王振軍.水泥乳化瀝青混凝土膠漿－集料界面微觀結(jié)構(gòu)［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，28（4）：1.SHA Aimin，WANG Zhenjun.Microstructure of mastics－aggregate interface in cement emulsified asphalt concrete［J］.Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2008，28（4）：1.

［5］ 杜少文，王振軍.水泥改性乳化瀝青混凝土力學(xué)性能及微觀機(jī)理［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37（8）：1040.DU Shaowen，WANG Zhenjun.Mechanical properties and microcosmic mechanism of cement modified asphalt emulsion concrete［J］.Journal of Tongji University：Natural Science，2009，37（8）：1040.

［6］ Dubois V，Roche C D L，Burban O.Influence of the compaction process on the air void homogeneity of asphalt mixtures samples［J］.Construction and Building Materials，2010，24（6）：885.

［7］ Wimpy S.Determination of critical asphalt pavement voids through laboratory aging［D］.Storrs：Civil Engineering of University of Connecticut，1992.

［8］ Prithvi S K，Sanjoy C.Evaluation of voids in the mineral aggregate for HMA paving mixtures（NCAT report No.96－4）［R］.Auburn：National Center for Asphalt Technology of Auburn University，1996.

［9］ The Asphalt Institute.Mix design methods for asphalt concrete and other hot－mix types（MS－2）［M］.Lanham：National Asphalt Pavement Association of America，1997.

［10］ Lu Chengtsung，Kuo Mingfeng，Shen Der－h(huán)sien.Composition and reaction mechanism of cement－asphalt mastic ［J］ .Construction and BuildingMaterials，2009，23（7）：2580.

［11］ Dubois V，Roche C D L，Burban O.Influence of the compaction process on the air void homogeneity of asphalt mix tures samples［J］.Construction and Building Materials，2010，24（6）：885.

［12］ 王振軍.水泥乳化瀝青混凝土漿體－集料界面區(qū)結(jié)構(gòu)與性能研究［D］.西安：長安大學(xué)公路學(xué)院，2007.WANG Zhenjun.Study on structure and performance of mortaraggregate interface zone in cement emulsified asphalt concrete［D］.Xi’an：Chang’an University，2007.