基于乳化劑復(fù)配技術(shù)的水泥乳化瀝青混合料性能室內(nèi)試驗研究

肖晶晶，李芝涵，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實驗室，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)

?

基于乳化劑復(fù)配技術(shù)的水泥乳化瀝青混合料性能室內(nèi)試驗研究

肖晶晶1，李芝涵1，沙愛民2，蔣 瑋2，王振軍3

(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實驗室，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)

基于混合料室內(nèi)試驗和SEM等微細(xì)觀分析手段，研究不同破乳速度的乳化劑復(fù)配方案對水泥乳化瀝青混合料的施工性能與路用性能的影響規(guī)律，揭示混合料強(qiáng)度形成機(jī)制。研究結(jié)果表明：乳化瀝青破乳速度過快或過慢都不利于混合料的路用性能；采用MQK-1M和SBT兩種成品乳化劑，按照1.0%SBT+0.8% MQK-1M進(jìn)行復(fù)配，制備的水泥乳化瀝青混合料具有良好的施工性能、力學(xué)性能和路用性能，可以用作于路面中、下面層和柔性基層材料。

道路工程；乳化瀝青；混合料；復(fù)配；性能

0 引 言

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，與石料拌和后，乳化瀝青聚并破乳形成黏結(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，形成一種新的復(fù)合路面材料[1]。水泥在混合料中發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，水泥促進(jìn)了乳液的破乳，提高了混合料的早期強(qiáng)度，且水化產(chǎn)物填充了乳液中水分蒸發(fā)留下的空隙，使混合料更加密實，也相應(yīng)提高了混凝土的穩(wěn)定性和耐久性[2-3]。

國內(nèi)外針對水泥改善乳化瀝青混合料性能方面的研究相對較多[4-8]。乳化瀝青作為結(jié)合料是混合料材料組成中的關(guān)鍵部分，它的破乳、凝結(jié)速度與性能都直接關(guān)系到混合料的力學(xué)特性和路用性能。破乳速度過快，不能保證混合料的拌和時間，從而導(dǎo)致施工無法順利進(jìn)行；凝結(jié)速度過慢，又不利于混合料早期強(qiáng)度的形成和開放交通的需要。譚慶華[9]提出使用慢凝甚至更加穩(wěn)定的乳化瀝青拌制密級配混合料，并選擇了慢裂慢凝型的陽離子瀝青乳化劑SBT制備乳化瀝青，得到的混合料早期強(qiáng)度偏低，不滿足快速開放交通的要求。毛宇，等[10]從穩(wěn)定性和分散性需求出發(fā)，研究了同類型乳化劑復(fù)配技術(shù)。

筆者針對水泥乳化瀝青混合料的施工性能與路用性能的需要，對不同種類的乳化劑進(jìn)行復(fù)配，基于室內(nèi)性能試驗和微細(xì)觀分析手段研究水泥乳化瀝青混合料的性能。為保證乳化瀝青能夠在集料表面均勻分散，順利施工，混合料必須具備足夠的拌和時間；同時，由于通車或者工期的需要，要求混合料快速破乳并形成早期強(qiáng)度，即乳化瀝青的破乳速度或可拌和時間與早期強(qiáng)度存在著矛盾。為此，選取不同破乳速度的乳化劑進(jìn)行試驗分析，對采用不同復(fù)配方案制備的乳化瀝青性能進(jìn)行試驗檢測，綜合乳液性能、混合料施工性能及路用性能這3方面的比較，確定良好施工性能和路用性能的乳化劑復(fù)配方案。

1 試驗原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

采用SK-90基質(zhì)瀝青通過小型膠體磨制備乳化瀝青，基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 SK-90瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 乳化劑

選用MQK-1M和SBT兩種不同破乳速度的陽離子瀝青乳化劑制備乳化瀝青。

1.3 集 料

集料為玄武巖，其中：砂當(dāng)量，81.2%；堅固性，7%；磨光值，46.02(BPN)；洛杉磯磨耗損失，22.2%；壓碎值，11.9%，其余指標(biāo)亦符合規(guī)范要求?；旌狭显囼炈玫V料級配為規(guī)范中值。

1.4 礦 粉

采用石灰?guī)r礦粉，指標(biāo)見表2。

表2 礦粉指標(biāo)檢測結(jié)果

1.5 水 泥

采用普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 水泥的物理及力學(xué)性能

2 試驗材料配制

2.1 乳化瀝青配制

室內(nèi)試驗過程中，1.8%的SBT能夠制得性能良好的乳化瀝青，該乳化瀝青與集料具有很長的拌和時間，馬歇爾試件成型0.5 h后，表面仍為灰褐色，未見明顯破乳，早期強(qiáng)度較低，難以滿足快速開放交通的要求。MQK-1M比SBT破乳速度快，常用于微表處用乳化瀝青的制備，而水泥乳化瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)層，需要碾壓，采用乳化劑MQK-1M的破乳速度又顯得過快，可拌和時間太短。由于MQK-1M和SBT之間尚沒有合適的成品乳化劑能夠同時提供適宜的拌和時間和較快的凝結(jié)速度，筆者將兩種乳化劑進(jìn)行復(fù)配，得到5種乳化瀝青，又稱乳液(如表4)，乳液性能指標(biāo)如表5。由表5可見，這5種乳化瀝青均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于道路拌和用乳化瀝青技術(shù)要求。

表4 乳化劑的復(fù)配方案

表5 5種乳化瀝青的性能檢驗

(續(xù)表5)

檢測項目乳液A乳液B乳液C乳液D乳液E技術(shù)指標(biāo)與粗、細(xì)粒式集料拌和試驗均勻均勻均勻均勻均勻均勻常溫貯存穩(wěn)定性/%0．40．30．30．50．6≤1%(1d)3．73．52．92．74．2≤5%(5d)

2.2 水泥乳化瀝青混合料的拌制

通過可拌和時間和不可施工時間評價乳化瀝青的可施工性能。合理的可拌和時間是水泥乳化瀝青混合料獲得良好施工性能的前提。5種乳化瀝青與集料的可拌和時間及不可施工時間如圖1。

圖1 乳化瀝青與集料的拌和試驗(24 ℃)

乳化瀝青混合料配料如下：2.36～4.75 mm石屑250 g，0.15～0.6 mm細(xì)砂180 g，礦粉15 g，外加水20 g，水泥摻量3%，分別摻加乳液A～乳液E8%進(jìn)行拌和試驗，依次得到水泥乳化瀝青混合料A～水泥乳化瀝青混合料E。

根據(jù)乳化瀝青與集料的拌和試驗結(jié)果可見：隨著快凝型瀝青乳化劑MQK-1M在配方中所占比例的增大，乳化瀝青與集料的可拌和時間明顯縮短。不可施工時間與可拌和時間具有良好的相關(guān)性，可拌和時間短的乳液，其不可施工時間也較短。在試驗過程中，乳液E破乳最快，拌和3 min混合料即出現(xiàn)破乳現(xiàn)象；繼續(xù)拌和，至7 min時，混合料即開始抱團(tuán)結(jié)塊，不適合用于水泥乳化瀝青混合料拌和。因此后續(xù)試驗僅對水泥乳化瀝青混合料A～水泥乳化瀝青混合料D進(jìn)行研究。

4種水泥乳化瀝青混合料在拌和過程中，表現(xiàn)出來的干濕狀態(tài)相同，但是擊實過程中，水泥乳化瀝青混合料D有水慢慢從試模底部滲出，換面擊實時有小的水珠飛濺出來，而其他3種水泥乳化瀝青混合料則沒有這些現(xiàn)象，說明水泥乳化瀝青混合料D在擊實甚至拌和時已開始破乳，水分析出。為進(jìn)一步確認(rèn)，將這 3 種水泥乳化瀝青混合料擊實后立即脫模并置于干凈白紙上，30 min后可見：水泥乳化瀝青混合料D有明顯的水分析出，且試件顏色逐漸變黑，表面已顯得比較干燥，用面巾紙輕壓試件表面，紙巾很干凈，未見褐色斑點；而水泥乳化瀝青混合料A仍保持灰褐色，表面較濕，紙上水漬較少，面巾紙輕壓試件表面，紙巾上有褐色斑點，見圖2。這也表明，乳液D與集料拌和時具有更快的破乳凝結(jié)速度，而乳液A則擁有更充裕的拌和時間。

圖2 脫模后放置30 min的馬歇爾試件

3 水泥乳化瀝青混合料性能測定

水泥乳化瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理與熱拌瀝青混合料存在較大差異[11-12]。對水泥乳化瀝青混合料A～水泥乳化瀝青混合料D分別養(yǎng)生7，28 d，進(jìn)行試驗分析。

3.1 劈裂試驗

測試溫度為-10 ℃，加載速率為1 mm/min。劈裂試驗試驗結(jié)果如圖3。

圖3 復(fù)配乳化瀝青混合料劈裂強(qiáng)度

試驗結(jié)果表明：水泥乳化瀝青混合料C具有較高的劈裂強(qiáng)度，表明該混合料低溫性能相對較好。

3.2 馬歇爾試驗

馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖4。

圖4 復(fù)配乳化瀝青混合料30 min穩(wěn)定度

由圖4可以看出：①水泥乳化瀝青混合料C具有較高馬歇爾穩(wěn)定度。乳化瀝青混合料在合適的時間段內(nèi)沒有及時破乳，后期無論如何養(yǎng)生，養(yǎng)生多長時間都很難完全破乳[13]；②水泥乳化瀝青混合料C的馬歇爾試件表面有蜂窩狀小孔〔圖5(a)〕，這些小孔是乳化瀝青破乳后，水分蒸發(fā)以及氣泡破滅留下的孔洞，這些孔洞為混合料內(nèi)部乳液破乳水分蒸發(fā)開通通道，為混合料強(qiáng)度的持續(xù)增長提供了條件；③水泥乳化瀝青混合料A表面相對光滑〔圖5(b)〕，乳液破乳速度慢，當(dāng)試件外表面與空氣直接接觸的部分破乳后，混合料內(nèi)部的乳液仍不能破乳，很快外表面自身破乳、水分蒸發(fā)留下的孔洞逐漸封閉，混合料內(nèi)部的乳液就難及時脫水破乳，不利于整體強(qiáng)度形成。

圖5 混合料馬歇爾試件表面

3.3 飛散性能試驗

采用飛散試驗評價水泥乳化瀝青混合料的整體黏結(jié)強(qiáng)度。測試時，將馬歇爾試件放置在洛杉磯試驗機(jī)中旋轉(zhuǎn)300次，用試件散落材料的質(zhì)量百分率表示飛散損失。得到試驗結(jié)果如圖6。

圖6 復(fù)配乳化瀝青混合料飛散損失

由圖6可見，與普通熱拌瀝青混合料相比，水泥乳化瀝青混合料的飛散損失相對較大，一方面是由于水泥乳化瀝青混合料的空隙率較相同級配的熱拌瀝青混合料更大，沖擊力的作用下較易松散；另一方面在于乳化瀝青混合料中瀝青的存在狀態(tài)及其與集料的相互作用方式與普通瀝青混合料中存在差異，使得其在試驗狀態(tài)下質(zhì)量更容易發(fā)生損失。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 黏結(jié)性能分析

采用LW200-48LFT高性能熒光顯微鏡對乳化瀝青進(jìn)行熒光顯微分析，如圖7。乳化瀝青破乳后的殘留物是由無數(shù)的圓形瀝青微珠緊密有序的連結(jié)在一起，使得乳化瀝青難以像熱瀝青那樣在整個集料表面自由的流淌、鋪展、潤濕，形成均勻致密的瀝青膜，而是通過拌和分散于整個礦質(zhì)混合料中，破乳后化作無數(shù)的瀝青小微滴。在壓實功的作用下，以類似于點黏結(jié)的方式將大小集料連結(jié)起來(圖8)，因而黏結(jié)力相對較小。

圖7 乳化瀝青的熒光顯微圖像(400×)

圖8 乳化瀝青混合料中瀝青分散狀態(tài)

這4種復(fù)配方案中，水泥乳化瀝青混合料C飛散損失相對較小，養(yǎng)生期 28 d的飛散損失約為15%。水泥乳化瀝青混合料D飛散損失最大，其原因在于其乳液破乳凝結(jié)速度太快，在混合料拌和時已經(jīng)開始破乳，擊實過程中，瀝青和石料各自分別形成結(jié)團(tuán)，乳化瀝青難以在骨料表面形成均勻的整體瀝青薄膜，結(jié)團(tuán)與結(jié)團(tuán)之間黏結(jié)力弱，最終導(dǎo)致混合料整體空隙率大、黏聚力低、強(qiáng)度不足。

借助抗剪試驗設(shè)備，將性能差異最大的水泥乳化瀝青混合料C與水泥乳化瀝青混合料D的馬歇爾試件剪開，得到馬歇爾試件內(nèi)部狀態(tài)，如圖9。

圖9 剪切后馬歇爾試件內(nèi)部狀況

由圖9可見，水泥乳化瀝青混合料C未見裸露的石料，破裂面呈黑色，說明破裂位置集中在結(jié)合料內(nèi)部，混合料C中油石界面黏結(jié)力良好。而水泥乳化瀝青混合料D則呈現(xiàn)出較多的花白料，不少石料明顯裸露在外，瀝青與集料的裹覆情況較差，油石界面黏結(jié)力弱，混合料整體強(qiáng)度低。這也證明了乳液D破乳凝結(jié)速度太快，乳液未能完全裹覆并黏附集料。

水泥乳化瀝青混合料A和水泥乳化瀝青混合料B由于沒有及時破乳，水分未能及時脫出，油石界面存在水分，結(jié)合料的黏度較低，難以對集料形成強(qiáng)握裹力，混合料整體的黏附性能差，因而抗飛散損失較大。

4.2 綜合性能分析

由試驗結(jié)果可知，水泥乳化瀝青混合料C性能相對較好，其養(yǎng)生28 d后的高溫、低溫、水穩(wěn)定性及力學(xué)特性見表6。

表6 復(fù)配乳化劑C制備的混合料綜合性能

從表6可以看出，在保證良好施工性能的前提下，水泥乳化瀝青混合料能夠達(dá)到較高的路用性能。水泥乳化瀝青混合料C解決了混合料拌和時間和初期成型強(qiáng)度之間的矛盾，在保證拌和時間的前提下，混合料能夠提供理想的初期強(qiáng)度，滿足路用性能要求。從混合料界面黏結(jié)處的SEM圖像(圖10)，可以看到細(xì)小的纖維，長約0.5～2 μm，在尖端上有略微分叉現(xiàn)象，這是水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠，說明部分水泥水化產(chǎn)物能夠從瀝青膜中生長出來，并與周圍的自由瀝青相互交織，形成局部范圍的立體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些水化產(chǎn)物降低了水泥乳化瀝青混合料的黏性，使其更趨于彈性材料；同時水化產(chǎn)物的生成也改善了混合料的溫度敏感性和水穩(wěn)定性能，提高了混合料的高溫穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度。

圖10 水泥乳化瀝青膠漿的SEM圖像(5000×)

5 結(jié) 論

1)乳化瀝青的破乳和凝結(jié)速度除了對水泥乳化瀝青混合料的可拌和時間和不可施工時間有直接影響外，還對其力學(xué)性能和路用性能影響顯著。破乳速度過快或過慢都不利于混合料的路用性能改善。

2)采用MQK-1M和SBT兩種成品乳化劑，按照1.0%SBT+0.8% MQK-1M進(jìn)行復(fù)配，制備得到了具有良好的施工性能和路用性能的水泥乳化瀝青混合料。復(fù)配后的水泥乳化瀝青混合料在保證良好施工性能的前提下，能夠達(dá)到較高的路用性能，這是由于混合料中水泥水化產(chǎn)物與周圍的自由瀝青相互交織，形成局部范圍的立體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改善了混合料力學(xué)性能、溫度敏感性和水穩(wěn)定性。

[1] 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)，2007. Wang Zhenjun.Study on Structure and Performance of Mortar- Aggregate Interface Zone in Cement Emulsified Asphalt Concrete[D].Xi’an:Chang’an University,2007.

[2] 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):1-6. Sha Aimin,Wang Zhenjun.Microstructure of mastics-aggregate interface in cement emulsified asphalt concrete[J].Journal of Chang’an University:Natural Science,2008,28(4):1-6.

[3] 杜少文,王振軍.水泥改善乳化瀝青混合料的使用性能[J].建筑材料學(xué)報,2009,12(1):71-75. Du Shaowen,Wang Zhenjun.Performance of cement modified asphalt emulsion mixture[J].Journal of Building Material,2009,12(1):71-75.

[4] Oruc S,Celik F,Akpinar M V.Effect of cement on emulsified asphalt mixtures[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2007,16(5):578-583.

[5] Amir K,Amir M.Laboratory fatigue models for recycled mixes with bitumen emulsion and cement[J].Construction and Building Materials,2010,24(10):1920-1927.

[6] 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):1338-1343.

[7] 王振軍,杜少文.水泥對乳化瀝青混合料路用性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2009,33(3):194-197. Wang Zhenjun,Du Shaowen.Effects of cement on road performances of emulsified asphalt mixtures[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering,2009,33(3):194-197.

[8] 高英,凌天青,喬冠華,等.水泥-乳化瀝青混合料配合比設(shè)計[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1998,26(6):674-677. Gao Ying,Ling Tianqing,Qiao Guanhua,et al.Proportioning of cement-emulsified asphalt mixture[J].Journal of Tongji University:Natural Science,1998,26(6):674-677.

[9] 譚慶華.稀漿封層/微表處材料的選擇及配伍性[R].成都:第四屆瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)交流培訓(xùn)會,2010. Tan Qinghua.The Choice and Compatibility of Materials for Slurry Seal and Micro-Surfacing[R].Chengdu:The 4thISSA China Workshop on Asphalt Pavement Maintenance Technologies,2010.

[10] 毛宇,王虹橋,紀(jì)東,等.乳化SBS改性瀝青試驗研究及應(yīng)用[J].石油瀝青,2010,24(5):43-47. Mao Yu,Wang Hongqiao,Ji Dong,et al.Experimental research and application of emulsified SBS modified asphalt [J].Petroleum Asphalt,2010,24(5):43-47.

[11] 何亮,張捷,金康康,等.乳化瀝青冷再生混合料水穩(wěn)定性試驗[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,29(6):900-903. He Liang,Zhang Jie,Jin Kangkang,et al.Research on water stability of cold recycled mixtures with emulsified asphalt[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2010,29(6):900-903.

[12] 孫吉書,肖田,楊春風(fēng),等.溫拌再生瀝青混合料的路用性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,30 (2):250-253. Sun Jishu,Xiao Tian,Yang Chunfeng,et al.On properties of warm mix recycled asphalt mixture in highway[J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30 (2):250-253.

[13] 肖晶晶.水泥乳化瀝青混合料結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與特征研究[D] .西安:長安大學(xué),2011. Xiao Jingjing.Study on Structure Formation Mechanism and Features of Cement Emulsified Asphalt Mixture[D].Xi’an:Chang’an University,2011.

Laboratory Test Study of Cement Emulsified-Asphalt Mixture Performance Based on Emulsifier Complex Technology

Xiao Jingjing1, Li Zhihan1, Sha Aimin2, Jiang Wei2, Wang Zhenjun3

(1. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061，Shaanxi, China; 2. Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064,Shaanxi, China;3. School of Materials Science and Engineering,Chang’an University, Xi’an 710061, Shaanxi, China)

Through laboratory test and microscopic concept analysis means such as scanning electron microscope, the demulsification speed’s influence law on cement emulsified-asphalt mixture’s construction performance and pavement performance of different emulsifier complex scheme were studied to reveal the mixture’s strength formation mechanism. The results show too fast or too slow demulsification speed is not conducive to mixture’s pavement performance. The two different emulsifiers MQK-1M and SBT were remixed with the scheme of 0.8%+1.0% to produce emulsion. And the mixture which used this emulsion possessed good construction performance, mechanical performance and pavement performance. And this mixture can be used for the pavement’s mid-layer, lower layer and flexible base.

road engineering; asphalt emulsion; mixture; emulsifier complex; performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.03.11

2014-01-18；

2014-03-01

國家自然科學(xué)基金項目(51208049)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2013JQ7013)；陜西省青年科技新星資助項目(2015KJXX-23)；中國博士后科學(xué)基金項目(294T70898)

肖晶晶(1982—)，女，湖北武漢人，講師，博士，主要從事路面材料與結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail: xiaojj029@sina.com。

U414

A

1674-0696(2015)03-052-05