硫鋁酸鹽水泥-乳化瀝青混合料性能影響因素研究

牛維宏，徐清，陳治君，蔣聰

（1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650504；2.云南省建筑科學研究院 云南省建筑結構與新材料企業(yè)重點實驗室，云南 昆明 650032）

0 引 言

乳化瀝青混合料作為道路坑槽修補材料，由于其適溫性廣，施工簡單以及綠色環(huán)保等特點而廣泛應用[1]。但乳化瀝青混合料在使用過程中存在早期強度低，成型緩慢等問題，使得路面修補后不能及時開放交通[2]。

在乳化瀝青混合料中摻入適量水泥可以較好地改善混合料的路用性能，對早期強度提升較大，以達到較快開放交通的目的[3]。Swayam Siddha Dash 和Mahabir Panda[4]研究了填料類型對瀝青冷補料馬歇爾穩(wěn)定度的影響，結果表明，在添加水泥填料后，瀝青冷補料的馬歇爾穩(wěn)定度提升顯著。Alvaro Garcia等[5]研究了水泥用量對水泥乳化瀝青混合料的影響，結果表明，摻入水泥后可以形成水泥石，加強集料之間的連接，進而提高乳化瀝青混合料的強度。但水泥摻量過大會使乳化瀝青混合料的脆性增大，導致路面開裂[6]。此外，外摻水量及油石比對乳化瀝青混合料的性能也有影響。周海生等[7]研究了不同拌合用水量對乳化瀝青混合料性能的影響，結果表明，拌合水用量對混合料的擊實性能影響較大，拌合用水量過多時混合料不易擊實、空隙率大、壓實效果差，使施工質量降低。袁文豪等[8]研究了不同乳化瀝青用量對瀝青混合料性能影響，結果表明，隨乳化瀝青用量增加，乳化瀝青混合料的空隙率下降，飽和度增加。

由于快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC）具有水化速度較快、早期強度高、低溫工作性好等特點[9]，本研究選用R·SAC 作為乳化瀝青混合料的填料，通過正交試驗，對水泥摻量、外摻水量和油石比3 個因素對R·SAC-乳化瀝青混合料的施工和易性及路用性能的影響進行研究，得出不同因素對瀝青混合料性能的影響程度，并用掃描電鏡對其內部結構進行微觀分析，探究摻R·SAC 提高乳化瀝青混合料強度的機理。

1 試 驗

1.1 原材料及主要儀器設備

（1）乳化瀝青：廣州市建王防水材料有限公司生產(chǎn)的慢裂型陽離子瀝青乳液，符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求，其基本技術性能見表1。

表1 乳化瀝青的基本技術性能

（2）集料與填料：細集料和粗集料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉，性能符合JTG F40—2004 要求，主要技術性能見表2。礦料級配采用LB-13 中值，級配曲線如圖1 所示。

表2 集料的主要技術性能

（3）水泥：廣西云燕特種水泥建材有限公司生產(chǎn)的42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC），其性能符合GB 20472—2006《硫鋁酸鹽水泥》要求，主要礦物組成見表3，物理性能見表4。

表3 水泥的主要化學成分 %

表4 水泥的物理性能

（4）主要儀器設備：SYD-F02-20 型自動混合料拌和機、HWY-2 型恒溫水浴、SYD-0730A 型多功能全自動瀝青壓力試驗儀，上海昌吉地質儀器有限公司；HG-1000S 型混凝土貫入阻力測定儀，無錫建儀儀器機械有限公司。

1.2 正交試驗設計

選擇水泥摻量、外摻水量和油石比，設計三因素四水平正交試驗。通過測試乳化瀝青破乳時間、乳化瀝青混合料的貫入力、初始馬歇爾穩(wěn)定度和終期馬歇爾穩(wěn)定度，研究3 個因素對R·SAC-乳化瀝青混合料的施工和易性及路用性能的影響。正交試驗因素水平設計如表5 所示。

表5 正交試驗因素水平

1.3 性能測試方法

（1）施工和易性

①破乳時間測試：參照JTG E-20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行。

②貫入力測試：采用混凝土貫入度儀進行測定，在室溫下將配制好的R·SAC-乳化瀝青混合料立即裝入貫入力試料容器，將表面刮平，采用貫入度儀對混合料貫入阻力進行測試，貫入深度為25 mm，貫入速度為2.5 mm/s。每個試樣作貫入阻力試驗6 次，并記錄數(shù)據(jù)，取其算術平均值作為測試結果。

（2）路用性能

①初始馬歇爾穩(wěn)定度測試：將配制好的R·SAC-乳化瀝青混合料放于室溫環(huán)境靜置3 h，取乳化瀝青混合料[保證試件高度為（63.5±1.3）mm]裝入馬歇爾試模中正反面各擊實75次成型試件，立即脫模測試其馬歇爾穩(wěn)定度，取3 個試件的算術平均值作為測試結果。

②終期馬歇爾穩(wěn)定度測試：參照JTG E-20—2011 中T 0709—2011 進行標準馬歇爾試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗結果與分析

根據(jù)表5 正交設計方案進行試驗，結果如表6 所示。

表6 正交試驗結果

2.1.1 R·SAC-乳化瀝青混合料施工和易性正交試驗極差分析（見表7）

從表7 可以看出：對乳化瀝青破乳時間影響最大的因素為水泥摻量，油石比次之，外摻水量影響最小；對R·SAC-乳化瀝青混合料貫入力影響最大的因素為油石比，水泥摻量次之，外摻水量影響程度最小。

表7 破乳時間和貫入力極差分析

乳化瀝青的破乳是在外力攪拌作用下，乳化瀝青與集料接觸，將體系內水分通過物理力擠壓溢出而揮發(fā)消失，使瀝青吸附于集料表面，形成瀝青薄膜的過程[10]。當乳化瀝青破乳過快時，會導致瀝青混合料離析，和易性較差[11]。隨著R·SAC 摻量的增加，水泥填料被瀝青乳液所包裹，通過與瀝青乳液中的水相進行水化反應加快水分消耗，使得乳化瀝青顆粒加速聚集形成薄膜，從而促進了乳化瀝青的破乳過程，使乳化瀝青破乳時間縮短[12]。隨著外摻水量的增加，乳化瀝青被稀釋，瀝青間顆粒碰撞率降低，使乳化瀝青的破乳時間延長[10]。

乳化瀝青混合料的和易性與油石比有關。隨著油石比的增大，集料表面的乳化瀝青分子增多，使集料顆粒之間聚結困難，集料間的聚結力較小，瀝青混合料的內部嵌擠能力較差[13]，貫入度儀的測針在刺穿混合料時所需最大貫入力小，內部抵抗力較弱，瀝青混合料和易性好。隨著水泥摻量的增加，水泥填料促進了乳化瀝青的破乳過程，乳化瀝青破乳時間縮短，促使乳化瀝青顆粒加速聚集形成薄膜，增大瀝青混合料的集料間的粘結力，瀝青混合料貫入力增大，使得瀝青混合料和易性變差。

綜上，隨著水泥摻量的增加，R·SAC-乳化瀝青混合料的施工和易性變差；隨著油石比與外摻水量的增加，R·SAC-乳化瀝青混合料的施工和易性變好。

2.1.2 R·SAC-乳化瀝青混合料路用性能正交試驗極差分析（見表8）

從表8 可以看出：對R·SAC-乳化瀝青混合料初始和終期馬歇爾穩(wěn)定度影響最大的因素均為水泥摻量，油石比次之，外摻水量的影響程度最小。

乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度是由集料間的嵌擠作用提供的，乳化瀝青中摻入快硬硫鋁酸鹽水泥后，由于水泥的水化作用以及填充作用使瀝青乳液的破乳速度加快，較早形成瀝青薄膜，增大集料間的嵌擠力[14]?？煊擦蜾X酸鹽水泥水化速度快，水化產(chǎn)物與瀝青分子相互交織形成水泥瀝青結構[15]。水泥摻量越多，R·SAC-乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度越大，對提早開放交通有利。而隨著外摻水量與油石比的增大，集料間的聚結力減小，瀝青混合料的內部嵌擠能力較差，R·SAC-乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度降低。

表8 初始和終期馬歇爾穩(wěn)定度極差分析

由于水泥與瀝青混合料中的水分發(fā)生水化反應，生成的水化產(chǎn)物不斷填充瀝青混合料的內部孔隙，提高了乳化瀝青混合料的密實度，使終期馬歇爾穩(wěn)定度得以提高[16]。而外摻水在乳化瀝青混合料中主要起骨料潤濕的作用[17]，對終期馬歇爾穩(wěn)定度的影響較小。隨著油石比的增大，瀝青混合料的終期馬歇爾穩(wěn)定度有所提高。此外，水泥水化產(chǎn)物與瀝青膠漿于內部形成一定的空間立體結構，改善了膠漿與集料界面的微觀結構，使內聚力和粘結力提高[15]。水泥摻量越多，R·SAC-乳化瀝青混合料的終期馬歇爾穩(wěn)定度越大，路面承載力及抵抗變形的能力越強。

綜上，對R·SAC-乳化瀝青混合料的路用性能影響最大的因素為水泥摻量。隨著水泥摻量的增加，R·SAC-乳化瀝青混合料的初始和終期馬歇爾穩(wěn)定度均顯著提高。

2.2 微觀結構分析

選取表6 中的3#、7#、10#、13#R·SAC-乳化瀝青混合料分別成型馬歇爾試件，將試件連同試模于110 ℃烘箱中養(yǎng)生24 h，于室溫下冷卻24 h 后脫模。制成薄片，進行噴金處理后，采用掃描電鏡對乳化瀝青混合料膠漿的微觀結構及水泥水化產(chǎn)物的微觀結構進行分析，結果如圖2 所示。

圖2 R·SAC-乳化瀝青混合料膠漿及水泥水化產(chǎn)物微觀結構

由圖2（a）可見，未摻加R·SAC 的乳化瀝青混合料膠漿表面為瀝青薄膜包裹集料，表面較為光滑。由圖2（b）、（c）、（d）可見，摻入R·SAC 的乳化瀝青混合料膠漿表面出現(xiàn)針狀和簇狀結構。這些針狀和簇狀物是水泥與乳化瀝青中的水相水化后生成的鈣礬石[15]。當R·SAC 摻量為1%時，瀝青混合料膠漿表面析出少量鈣礬石晶體；當R·SAC 摻量為2%時，瀝青混合料膠漿表面鈣礬石晶體數(shù)量增加；當R·SAC 摻量為3%時，乳化瀝青混合料膠漿表面析出鈣礬石晶體數(shù)量較多，晶體水化物插入乳化瀝青混合料膠漿薄膜內部，或裸露在膠漿表面，或相互緊密搭接，形成空間立體骨架結構，使得R·SAC-乳化瀝青混合料的終期馬歇爾穩(wěn)定度提高[18]。由圖2（e）可見，水泥的水化產(chǎn)物鈣礬石與瀝青薄膜接觸過渡面光滑，沒有裂紋產(chǎn)生，對R·SAC-乳化瀝青混合料起到了“加筋”的作用，有利于乳化瀝青混合料的強度發(fā)展。

3 結 論

（1）水泥摻量對乳化瀝青破乳時間影響最大，油石比對R·SAC-乳化瀝青混合料貫入力影響最大。R·SAC-乳化瀝青混合料的施工和易性隨著水泥摻量的增加而變差；隨著油石比與外摻水量的增加而變好。

（2）水泥摻量對R·SAC-乳化瀝青混合料的路用性能影響最大。外摻水量與油石比的增大使得初始馬歇爾穩(wěn)定度降低；而水泥摻量的增加有利于提高R·SAC-乳化瀝青混合料的初始和終期馬歇爾穩(wěn)定度，可提早開放交通，提高路面承載力及抵抗變形的能力。

（3）未摻加R·SAC 的乳化瀝青混合料膠漿表面較光滑，摻加R·SAC 后，水泥與乳化瀝青混合料中的水相發(fā)生水化反應，產(chǎn)生了針狀和簇狀的鈣礬石。鈣礬石存在于集料與瀝青薄膜間，并且表面接觸過渡良好，沒有裂紋，對R·SAC-乳化瀝青混合料起到了“加筋”作用，有利于乳化瀝青混合料的強度發(fā)展。