不同成型工藝對水泥乳化瀝青性能影響研究

符美鑫

(海南路橋工程有限公司 三亞 572000)

瀝青和水泥混凝土2種結(jié)構(gòu)是目前道路鋪筑材料采用的主流。前者施工方便，性能良好，開放交通快，但是其溫度敏感性較高，尤其是在夏季，受到溫度影響較大，與集料之間的黏結(jié)力較弱，會產(chǎn)生車轍、波浪、壅包等破壞；在冬季，瀝青材料容易變脆，在車輛荷載和溫度的共同作用下容易產(chǎn)生裂縫。水泥混凝土路面具有耐磨性好、強度高及耐久性強的特點，但是必須設(shè)置接縫和施工縫，因此影響行車舒適性，且在工藝上需要養(yǎng)護(hù)的時間較長，唧泥、錯臺、裂縫等都容易產(chǎn)生，影響使用性能和壽命[1-2]。為了解決水泥混凝土路面舒適性差的問題，同時改善瀝青路面的高、低溫性能，采用水泥乳化瀝青復(fù)合材料作為替代。該材料是將水泥摻入冷拌乳化瀝青混合料中，經(jīng)過冷拌冷鋪過程形成半剛性路面材料，該材料具有以下優(yōu)點。

1) 早期強度高。水泥可以與乳化瀝青破乳后的水分反應(yīng)，促進(jìn)強度形成，很好地平衡了乳化瀝青破乳憎水的問題。

2) 降低建設(shè)成本，節(jié)約能源和資源，緩解環(huán)境污染。相比于熱瀝青而言，乳化瀝青可以節(jié)省20%左右的瀝青用量，且能夠節(jié)省50%以上的熱能消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。水泥乳化瀝青是在常溫下施工的，可以避免產(chǎn)生污染性氣體，施工條件也得到明顯改善。

3) 施工條件改善，施工方便。施工過程中污染氣體減少，施工條件明顯改善。

4) 解決了普通乳化瀝青混合料開放交通慢、早期強度低等問題，且由于半剛性面層顏色淺，可顯著降低溫度應(yīng)力，對夜間行車也十分有利。

在整個配合比設(shè)計中，成型工藝的不同將直接影響成型混合料試件的性能，與現(xiàn)實路用性能直接相關(guān)，最佳的成型工藝總能最真實地反映材料在實際環(huán)境中的工作特性。而水泥乳化瀝青由于同時存在乳化瀝青的破乳和水泥初凝形成強度的過程，故需要在成型工藝方面重新研究，以便獲得最佳的路面材料性能。

本文研究的目的即從水泥乳化瀝青復(fù)合材料成型工藝角度進(jìn)行探究，優(yōu)化成型工藝，研究水泥乳化瀝青復(fù)合材料在真實環(huán)境中的工作特性。主要研究內(nèi)容包括對原材料性能指標(biāo)測試分析、不同成型方法設(shè)計(包括拌和順序、擊實方法和試件制備)及試驗結(jié)果的分析，以期進(jìn)一步推廣水泥乳化瀝青材料的應(yīng)用范圍。

1 原材料

水泥乳化瀝青混合料原材料主要包括乳化瀝青、集料和水泥。乳化瀝青采用慢裂陽離子乳化瀝青，參照相關(guān)文獻(xiàn)[3]，其性能指標(biāo)結(jié)果見表1。集料采用石灰?guī)r，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4-6]，測得其主要技術(shù)性質(zhì)試驗結(jié)果見表2～4，礦粉技術(shù)性質(zhì)見表5，水泥采用32.5號普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見表6。

表1 乳化瀝青性能指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)試驗結(jié)果

表3 細(xì)集料物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo) %

表4 集料表觀密度

表5 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

表6 水泥技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果

2 不同成型方法確定

考慮到水泥的特殊作用，其既是填料又是結(jié)合料，考慮不同成型方式的同時,也需要考慮水泥乳化瀝青混合料的合理拌和順序。

2.1 拌和順序

對于水泥乳化瀝青，拌和順序的研究較為重要。雖然水泥占比較少，但是其比表面積非常大，如果處理不好，很容易不能形成均勻的水泥瀝青膠漿；此外，合理的拌和順序有利于結(jié)合料充分裹附在集料上，起到一定結(jié)構(gòu)性黏結(jié)。而水作為乳化瀝青中不可忽視的部分，如果加入順序不當(dāng)，乳化瀝青會提前破乳，集料礦粉等分散性變差，嚴(yán)重影響混合料的路用性能和力學(xué)性能。在拌和順序上，主要選擇以下2種方式進(jìn)行研究。

方式一。先將粗、細(xì)、水泥、礦粉等均勻拌和，然后加入乳化瀝青進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

方式二。先將乳化瀝青與粗、細(xì)集料拌和均勻，最后與水泥和礦粉進(jìn)行拌和。

2.2 擊實方法

擊實、揉搓、旋轉(zhuǎn)、振動等成型方法中，主要采用的還是馬歇爾擊實法，但是不同材料，其成型工藝均有不同。若材料為普通熱拌瀝青混合料，則相應(yīng)的擊實次數(shù)為75次；若材料為瀝青瑪蹄脂碎石SMA混合料，則通常擊實次數(shù)為50次，而在一些重載條件需求較高的路面上，會將擊實次數(shù)提高到75次，前提是不會導(dǎo)致集料在擊實過程中出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。而水泥乳化瀝青作為半剛性材料，與普通熱拌瀝青和SMA有較大差別，故其最佳成型方式也必然有所區(qū)別?；趪鴥?nèi)外研究成果，為尋找合適的擊實次數(shù)，擬定一次成型(雙面50次，雙面75次)和二次成型(先雙面擊實50次，待水泥初凝時，再雙面擊實25次)方案。

2.3 試件制備

水泥的摻量為集料總質(zhì)量的3%，外加拌和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)取2.5%，乳化瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4%，按照熱拌瀝青混合料AC-16的級配中值，其具體通過質(zhì)量百分率見表7。制作的試件需要7 d的養(yǎng)生齡期，20 ℃的養(yǎng)生溫度，且需要保濕處理。在養(yǎng)生24 h之后再進(jìn)行脫模，以防止在脫模過程試件發(fā)生變形而影響其性能。

表7 AC-16級配各篩孔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 試驗結(jié)果及分析

在不同成型工藝下進(jìn)行馬歇爾試驗，并測其密度、孔隙率和飽和度等參數(shù)，最終測試結(jié)果見表8。

表8 不同成型工藝下馬歇爾試驗結(jié)果

由表8可見：

1) 不同成型工藝條件下，其馬歇爾試驗結(jié)果差別較大。在不同拌和方式下，方式二(即后加入水泥和礦粉)具有更小的孔隙率，更大的飽和度，更優(yōu)的穩(wěn)定度。從原理分析講，方式一由于先將水泥、礦粉、粗細(xì)集料等均勻拌和，當(dāng)加入乳化瀝青中時，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，乳化瀝青難以充分裹附先前的拌和料，這些預(yù)拌和料不易均勻分散在混合料中。而方式二由于乳化瀝青的提前加入，將粗細(xì)集料充分包裹后，水泥和礦粉能夠在后續(xù)物料加入時較好地均勻分散在體系中，更好地形成水泥-瀝青膜粘結(jié)，確保集料之間的“結(jié)構(gòu)性”，測試性能也比方式一更好。故在成型過程中，要先將乳化瀝青與粗、細(xì)集料拌和均勻，最后與水泥和礦粉進(jìn)行拌和。

2) 與常見的雙面擊實50次相比，當(dāng)雙面擊實75次時，相應(yīng)的密度增大，孔隙率降低，飽和度增加，穩(wěn)定度增加，且水泥乳化瀝青混合料并沒有出現(xiàn)破損變形問題，故其是可以承受雙面擊實75次的。

3) 將一次性擊實75次和二次擊實共75次相比，后者在穩(wěn)定度方面有明顯改善，且孔隙率降到最低，故采用二次擊實方法是最佳的工藝。

由此可以確定最終的水泥乳化瀝青成型工藝為將乳化瀝青與粗、細(xì)集料先拌和均勻，再與水泥和礦粉進(jìn)行拌和，采用先雙面擊實50次，待延遲到水泥初凝時再雙面擊實25次，最后成型混合料試件。

4 試驗路段性能效果分析

按照最佳的成型工藝方法，用AC-16級配鋪筑500 m乳化瀝青試驗路段，通過檢測試驗路段鋪筑后質(zhì)量，碾壓后測得壓實度均值為98.6%，滿足規(guī)范要求。通過鉆芯取樣，分別進(jìn)行動穩(wěn)定度試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗[5]，測試結(jié)果見表9。

表9 試驗路段檢測結(jié)果

由表9可見，整個路段測試點的動穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均滿足規(guī)范要求，即在高溫性能和水穩(wěn)定性能方面表現(xiàn)較好。

5 結(jié)語

為擴(kuò)大水泥乳化瀝青的使用，結(jié)合馬歇爾擊實試驗，考慮混合料拌料順序和擊實次數(shù)2個工藝參數(shù)，對乳化瀝青的成型工藝進(jìn)行研究。最終確定水泥乳化瀝青合理工藝為將乳化瀝青與粗、細(xì)集料先拌和均勻，再與水泥和礦粉進(jìn)行拌和，采用先雙面擊實50次，待延遲到水泥初凝時再雙面擊實25次，最后成型混合料試件。在借鑒該工藝時要結(jié)合具體采用的原材料性能進(jìn)行針對性調(diào)整，以便獲得最佳的成型工藝。