橋面鋪裝用水泥乳化瀝青混合料早期性能研究

張志廳，于 華，陸 均

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

乳化瀝青混合料能夠改善施工條件、減少環(huán)境污染，主要用于路面養(yǎng)護(hù)和橋面鋪裝［1］。但施工后的乳化瀝青混合料需要較長時間才能達(dá)到開放交通要求，因此，向乳化瀝青混合料中摻加水泥是一種提高其強(qiáng)度的途徑［2-5］。水泥乳化瀝青混合料（Cement Emulsified Asphalt Mixture，CEAM）是一種以水泥和乳化瀝青作為膠結(jié)料的復(fù)合材料，與普通水泥混凝土相比提高了柔性，與乳化瀝青混合料相比提高了強(qiáng)度及剛性，兼有水泥混凝土和瀝青混合料的優(yōu)點(diǎn)［6］。此外，乳化瀝青成膜后所釋放的水分可以被水泥水化利用，較好地解決了瀝青“憎水”和水泥水化“需水”間的矛盾，提高了水泥漿體與集料及乳化瀝青與集料界面性能，具有強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性好、施工能耗低以及和環(huán)境友好型等優(yōu)點(diǎn)。

由于CEAM 中的水泥和乳化瀝青兩種膠結(jié)料性能差異大，兩者相容性較差，從而影響混凝土性能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究了水泥摻量、水泥和乳化瀝青質(zhì)量比以及乳化瀝青種類等對CEAM 性能影響［7-9］。WANG 等［10］研究了乳化瀝青和水泥比例（Emulsified Asphalt to Cement，A/C）對兩種CEAM 性能的影響，結(jié)果表明CEAM 的工作性和抗壓強(qiáng)度隨A/C 比的提高而顯著降低；另外，含陰離子乳化瀝青的CEAM 工作性能高于含陽離子乳化瀝青的CEAM。TIAN 等［11］研究了CEAM 組分參數(shù)與其彈性模量之間的關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)A/C 是影響CEAM 力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。LIU 等［12］研究了A/C 對CEAM 靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明隨著A/C 提高，CEAM 的抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及損耗因子呈下降趨勢。LIU 等［13］研究了SBS 和SBR 兩種陽離子改性瀝青對CEAM 工作性、氣體含量以及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明隨著A/C 提高，CEAM 工作性氣體含量以及力學(xué)性能隨之提高，而28 d 彈性模量呈現(xiàn)不同趨勢。近年來，研究主要集中在CEAM 中水泥用量、A/C 以及乳化瀝青種類對CEAM 路用性能的影響，鮮有研究涉及CAEM 早期強(qiáng)度發(fā)展。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）采用早強(qiáng)型硅酸鹽水泥（PO 42.5R），主要性能見表1。（2）乳化瀝青選用陰離子乳化瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表2。（3）細(xì)集料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5。粗集料為5 ～10 mm 連續(xù)級配碎石，技術(shù)指標(biāo)見表3。（4）外加劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為20%，含固量為35%，摻量為水泥質(zhì)量1%。

表1 水泥技術(shù)性能

表2 乳化瀝青技術(shù)性能

表3 碎石技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

通過調(diào)整A/C，以研究乳化瀝青用量對新拌CEAM 早期力學(xué)性能和工作性的影響，試驗(yàn)配合比見表4。

表4 CEAM 配合比設(shè)計

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工作性能

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30—2005）中要求，測試水泥乳化瀝青混合料凝結(jié)時間。

1.3.2 早期力學(xué)性能

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30—2005）中要求，測試水泥乳化瀝青混合料早期力學(xué)性能。每組成型6 個試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm 和150 mm×150 mm×150 mm，試件在20+2 ℃、相對濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.3.3 孔隙率測試

采用壓汞法（MIP）觀察CEAM 孔隙率和孔徑分布。將試樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出破碎，避免選取表面區(qū)域樣品，將選好的塊狀砂漿置于酒精中終止水化預(yù)處理，試驗(yàn)前置于105 ℃下烘干樣品，并置于干燥器中，試樣制備過程中避免用力敲擊樣品，以免造成微細(xì)裂縫影響試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果及討論

2.1 工作性

乳化瀝青用量對CEAM 工作性的影響見圖1，工作性包括流動性和可工作時間兩方面，流動性用拌合物的坍落度表征，可工作時間用拌合物的初凝時間表征。

圖1 CEAM 工作性能測試結(jié)果

由圖1 可知，在膠凝材料用量一定的情況下，CEAM 的坍落度和可工作時間隨乳化瀝青用量增加而提高，當(dāng)A/B 值從0.3 提高到0.5 時，CEAM 坍落度提高了15.8%，可工作時間增加了112.5%。因?yàn)槿榛癁r青用量增加使?jié){體總量增加，從而提高了坍落度，同時乳化瀝青用量的增加增大了對水泥顆粒的包裹厚度，阻礙了水泥的水化，使可工作時間延長。

2.2 早期力學(xué)性能

采用6 h 和28 d 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、28 d彈性模量評價CEAM 早期力學(xué)性能，研究A/C 對CEAM 早期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

A/C 為 0.3、0.4、0.5 時，CEAM 的6 h 和28 d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見圖2。

圖2 瀝青用量對CEAM 抗壓強(qiáng)度影響

由圖2 可知，隨著水化齡期延長，不同A/C對CEAM 抗壓強(qiáng)度提高規(guī)律基本一致，其中6 h 的CEAM 強(qiáng)度增長速率遠(yuǎn)高于之后。（1）隨著瀝青用量增加，CEAM 抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低趨勢，當(dāng)A/C 為0.3時，CEAM 6 h 抗壓強(qiáng)度為24.6 MPa，當(dāng)A/C 為0.5 時，其抗壓強(qiáng)度降低了24.8%。（2）當(dāng)A/C 為0.3 時，CEAM 28 d 抗壓強(qiáng)度為28.7 MPa，當(dāng)A/C 為0.5 時，其抗壓強(qiáng)度降低了22.9%。結(jié)果表明隨乳化瀝青增多，試件抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷降低趨勢。

2.2.2 抗折強(qiáng)度

當(dāng)A/C 為0.3、0.4、0.5 時，CEAM 的6 h 和28 d抗折強(qiáng)度測試結(jié)果見圖3。可知，水泥乳化瀝青混合料抗折強(qiáng)度隨乳化瀝青摻量增加而增加。（1）當(dāng)A/C為0.3 和0.4 時，CEAM 抗折強(qiáng)度變化趨勢基本一致，而當(dāng)A/C 為0.5 時，CEAM 抗折強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度降低，且水化齡期6 h 前抗折強(qiáng)度波動很大。（2）當(dāng)A/C為0.3 時，CEAM 6 h 抗折強(qiáng)度為5.1 MPa，當(dāng)A/C 為0.5 時，其抗折強(qiáng)度降低了25.5%。（3）當(dāng)A/C 為0.3時，CEAM 28 d 抗折強(qiáng)度為5.7 MPa，當(dāng)A/C 為0.5時，其抗折強(qiáng)度降低了28.1%。因?yàn)槿榛癁r青用量增加，CEAM 漿體內(nèi)瀝青對水泥顆粒包裹數(shù)量和瀝青膜厚度增加，阻礙水泥水化反應(yīng)。當(dāng)乳化瀝青用量適量增加時（A/C 為0.4），水泥顆粒部分和瀝青接觸，另外部分與水相接觸，發(fā)生水化反應(yīng)，此時對強(qiáng)度影響較??；當(dāng)乳化瀝青用量超過一定值時（A/C為0.5），瀝青完全包裹水泥顆粒，阻止水泥顆粒與漿體中自由水接觸，水泥水化初期只能與瀝青成膜后排出的水發(fā)生反應(yīng)，水泥顆粒并未完全水化，因此，對早期的力學(xué)性能影響較為明顯，并且隨著乳化瀝青用量增加，漿體內(nèi)部引入的原生缺陷隨之增加，從而導(dǎo)致后期力學(xué)性能出現(xiàn)降低，故CEAM 的A/C值在0.4 左右較為合適。

2.2.3 壓折比

當(dāng)A/C 為 0.3、0.4、0.5 時，CEAM 的6 h 和28 d壓折強(qiáng)度測試結(jié)果見圖4?？芍珹/C 為0.3 和0.4的試件，其壓折比基本一致，表明當(dāng)A/C 低于0.4 時，試件韌性變化幅度不大。而CEAM-3 試件的6 h 和28 d 壓折比分別為4.8 和5.3，即當(dāng)A/C 為0.5 時，試件壓折比達(dá)到最佳值。

圖3 瀝青用量對CEAM 抗折強(qiáng)度影響

圖4 水泥乳化瀝青混合料壓折比測試結(jié)果

2.2.4 彈性模量

瀝青混合料28 d 彈性模量測試結(jié)果見圖5?？芍?，隨著乳化瀝青用量增加，CEAM 彈性模量逐漸降低。例如，CAEM-1 的28 d 抗壓模量為25.1 GPa，而CAEM-2 和CAEM-3 抗壓模量分別為2.50 GPa 和1.57 GPa。結(jié)果表明，試件28 d 彈性模量隨乳化瀝青摻量增多而降低，水泥乳化瀝青具有良好的變形能力。因?yàn)槿榛癁r青殘留物水泥和集料與其相互纏繞在一起，在漿體內(nèi)部形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種結(jié)構(gòu)受到外部激勵荷載作用時，漿體內(nèi)部通過空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接、相互牽制形成一個統(tǒng)一整體，共同應(yīng)對外部激勵。

圖5 水泥乳化瀝青混合料28 d 彈性模量測試結(jié)果

2.3 孔結(jié)構(gòu)分析

不同乳化瀝青用量的CEAM 6 h 和28 d 水化齡期的孔隙率和孔徑分布見圖6、圖7。

圖6 水泥乳化瀝青混合料孔隙率測試結(jié)果

圖7 水泥乳化瀝青混合料孔徑分布

可以看出，乳化瀝青用量增加，CEAM 總孔隙率增加，當(dāng)A/C 從0.3 增加到0.5 時，水化齡期為28 d的 CEAM 總孔隙率由0.023 9 ml/g 增加到0.085 8 ml/g。對于瀝青用量相同的CEAM試樣，隨著水化齡期延長，漿體內(nèi)部孔隙率降低。隨著乳化瀝青用量增多，有害孔（50 ～200 nm）和多害孔（＞200 nm）數(shù)量逐漸提高，而少害孔（20 ～50 nm）和無害孔（＜20 nm）數(shù)量降低。表明過高的乳化瀝青用量對水泥乳化瀝青砂漿的孔結(jié)構(gòu)存在不利的影響。因?yàn)镃EAM 漿體內(nèi)部水分因參加水化反應(yīng)或蒸發(fā)作用會在漿體內(nèi)部形成“空位”，影響漿體內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，生成水化產(chǎn)物的量逐漸增多，這些水化產(chǎn)物會填充漿體內(nèi)部的部分孔隙，因此出現(xiàn)孔隙率和平均孔徑降低的現(xiàn)象，當(dāng)提高瀝青用量后，會增加漿體黏度，因此在拌和與成型過程中引入的氣泡不易排出，從而對漿體的孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

3 結(jié)語

（1）A/C 對新拌CEAM 早期力學(xué)性能和工作性影響是有限的。當(dāng)A/C 為0.3 和0.5 時，拌合物工作性較差，CEAM 漿體黏度差導(dǎo)致沉降和分層，故建議A/C 為0.4。（2）水泥乳化瀝青混合料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨A/C 增加而降低，乳化瀝青摻量越多，越不利于混合料強(qiáng)度形成。（3）加入乳化瀝青后，CEAM 的強(qiáng)度形成與乳化瀝青破乳成膜和水泥顆粒水化相互作用，而CEAM 變形能力主要與乳化瀝青形成連續(xù)的互相交織纏繞形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)A/C 為0.5 時，試件壓折比和彈性模量達(dá)到最低值，即擁有較好的變形能力。（4）乳化瀝青成膜后所釋放的水分被水泥利用，解決了瀝青“憎水”和水泥水化“需水”間的矛盾，提高了水泥漿體與集料及乳化瀝青與集料界面性能，實(shí)現(xiàn)CEAM“剛?cè)岵?jì)”。