水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

1引言

隨著我國道路建設(shè)的快速發(fā)展，膠凝材料作為一種重要的建筑材料，其性能要求也隨之不斷提高。水泥是一種剛性無機(jī)膠凝材料，具有良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在水化反應(yīng)后，具有較高的強(qiáng)度，但抗變形能力差，易發(fā)生開裂。而瀝青屬于柔性膠凝材料，具有良好的延展性，抵抗變形能力較強(qiáng)，但耐候性差、強(qiáng)度低，在高溫時(shí)容易軟化，低溫時(shí)又易脆裂。

基于上述傳統(tǒng)水泥基材料和瀝青材料在單獨(dú)使用時(shí)各自存在的局限性，水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料(Cement-Emulsified AsphaltComposite，CEAC）進(jìn)人交通和建筑領(lǐng)域的視野。它兼具水泥的高強(qiáng)度、良好耐候性和耐久性，以及瀝青的柔韌性與抗變形能力，能更好地滿足工程需求。此外，水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料在一般工業(yè)固體廢棄物的資源化應(yīng)用領(lǐng)域也可發(fā)揮出更為突出的作用。因此，對(duì)其開展深人研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的基本特性

在水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料中，水泥水化后生成的水化硅酸鈣凝膠等產(chǎn)物，構(gòu)成了材料中的剛性部分，為復(fù)合膠凝材料及其混合料提供了強(qiáng)度和耐久性。

而其中的乳化瀝青成分，在破乳后，會(huì)逐漸凝聚并相互交織，形成連續(xù)的瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予材料柔韌性與抗變形能力，讓整體材料在面對(duì)外力作用時(shí)，能夠通過自身的黏彈特性來緩沖和適應(yīng)變形。

在上述復(fù)合體系的交互作用下，水泥-乳化瀝青復(fù)合膠凝材料具有了綜合水泥與乳化瀝青的優(yōu)良性能，無論在乳化瀝青為主的道路材料中，還是在水泥為主的建筑混凝土類材料中，其強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等多方面均優(yōu)于單一體系材料，這也充分體現(xiàn)了其在實(shí)際道路工程應(yīng)用中的價(jià)值。

3國內(nèi)外研究情況

在水泥-乳化瀝青復(fù)合膠凝體系中，水泥和乳化瀝青屬于兩種性質(zhì)差別較大的膠凝材料，在融合過程中，兩者之間存在著復(fù)雜的交互作用：乳化瀝青中的水和乳液會(huì)影響水泥的水化過程，同時(shí)水泥的水化反應(yīng)也會(huì)影響乳化瀝青的破乳過程。對(duì)此，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了一系列研究。

PouliotN等的研究顯示，在乳化瀝青摻量控制在20% 時(shí)，陰離子乳化瀝青會(huì)明顯地抑制水泥的水化反應(yīng)，水化熱的產(chǎn)生會(huì)大幅降低;J.Plank等采用zeta電位等試驗(yàn)，測(cè)定了水泥顆粒表面的吸附量等指標(biāo)，研究得出，通過螯合作用，陰離子聚合物乳液吸附了水泥顆粒中的大量鈣離子，從而顯著降低了體系的zeta電位絕對(duì)值。MGretz等人在研究水泥漿液中乳化瀝青的高分子乳液的成膜過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰離子乳液的微粒表面吸附了鈣離子，在阻礙高分子乳液大分子擴(kuò)散的水泥漿液中形成界

面相，從而延緩了高分子乳液的成膜過程。

在國內(nèi)，王發(fā)洲8等通過Zeta電位測(cè)定、水化熱測(cè)定、掃描電鏡等試驗(yàn)，提出了水泥與陽離子乳化瀝青之間的相互作用模型。劉云鵬等研究得出，在水泥-乳化瀝青復(fù)合膠凝體系中，水泥對(duì)乳化瀝青的吸附會(huì)加快乳化瀝青的破乳；同時(shí)，水泥水化消耗的水分也會(huì)促進(jìn)乳化瀝青中的瀝青乳液顆粒破乳并形成團(tuán)聚。此外，水泥水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物會(huì)造成瀝青顆粒表面的雙電層變薄，同時(shí)引起其zeta電位降低。

綜合研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外的研究學(xué)者目前對(duì)水泥-乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的研究主要集中于復(fù)合材料的力學(xué)性能、流變性等方面，而對(duì)乳化瀝青-水泥復(fù)合膠凝材料中各組分之間的交互作用機(jī)理還沒有明確的結(jié)論。

4工程應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1高鐵建設(shè)應(yīng)用

水泥-乳化瀝青砂漿(Cement-AsphaltMortar，簡稱CA砂漿）作為高速鐵路板式無砟軌道的核心材料，在我國高鐵建設(shè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。CA砂漿主要用作高速鐵路無砟軌道的填充材料，灌注在軌道板和混凝土底座之間的狹長、扁平的結(jié)構(gòu)內(nèi)[。主要作用包括：施工調(diào)整，傳遞荷載，并吸收列車在高速運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)以及約束軌道板。其優(yōu)異的緩沖性能、協(xié)調(diào)變形能力以及防水能力，有效緩解了列車高速運(yùn)行帶來的振動(dòng)沖擊，顯著提升了軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

4.2道路工程應(yīng)用

4.2.1水泥－乳化瀝青穩(wěn)定基層

在我國道路建設(shè)中，水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料在道路基層建設(shè)的應(yīng)用取得了一定成效。水泥－乳化瀝青穩(wěn)定基層，相較于傳統(tǒng)的半剛性基層材料，其抗壓強(qiáng)度能更好地應(yīng)對(duì)車輛荷載帶來的壓力，有效避免了路面出現(xiàn)凹陷、變形等問題；解決了傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定材料剛度較大帶來的反射裂縫問題，使基層在承受車輛反復(fù)碾壓以及溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，能夠通過自身的黏彈特性進(jìn)行緩沖，減少了裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，極大地增強(qiáng)了基層的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，在抗水損害方面，水泥本身的抗?jié)B性結(jié)合乳化瀝青滲透到石料孔隙中形成防水層的特性，二者相輔相成，有效阻正了水分的滲入，避免了因水分侵蝕導(dǎo)致基層軟化、唧泥等病害的出現(xiàn)，保障了道路基層在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的長期穩(wěn)定，進(jìn)而提升了道路整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，為面層提供了堅(jiān)實(shí)可靠的支撐。

4.2.2冷再生路面技術(shù)

通過將廢舊路面材料(RAP)與水泥、乳化瀝青、水等混合，形成水泥-乳化瀝青復(fù)合膠凝體系的冷再生混合料，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，這種技術(shù)不僅環(huán)保節(jié)能，還能顯著提高道路修復(fù)效率和質(zhì)量。在此混合材料體系中，水泥提供早期強(qiáng)度，乳化瀝青改善混合料柔性，降低溫度敏感性，可有效提升道路路面的壽命和安全性。

4.3橋梁工程應(yīng)用

在橋梁的橋面鋪裝層修復(fù)與加固中，通過冷拌工藝將水泥-乳化瀝青復(fù)合材料鋪筑于橋面，形成兼具剛?cè)崽匦缘墓δ軐?。乳化瀝青的滲透性可填充橋面微裂縫，柔韌性則可以適應(yīng)橋梁在承受交通荷載和溫度變化等產(chǎn)生的微小變形，避免修補(bǔ)處再次因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂縫；C-S-H凝膠等水泥的水化產(chǎn)物提供剛性支撐，兩者協(xié)同作用提升抗車轍和抗疲勞性能。同時(shí)，乳化瀝青還能起到一定的防水作用，將該材料用作橋面防水及防腐涂層，可防止水分進(jìn)一步侵蝕橋梁內(nèi)部的鋼筋等結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，有效保障了交通運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

5不足與展望

盡管水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料在諸多方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)并取得了一定的研究與應(yīng)用成果，但目前仍存在一些不足之處，有待進(jìn)一步探索和完善。

5.1存在的不足

5.1.1路用性能仍有待加強(qiáng)

隨著現(xiàn)代交通流量的不斷增大以及道路使用年限的增長，水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料在道路工程的應(yīng)用中面臨著更大的壓力，對(duì)材料的各方面性能提出了更高的要求。乳化瀝青的加入雖能提升材料的柔韌性，但會(huì)導(dǎo)致早期強(qiáng)度顯著降低。此外，水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能受溫度影響較大，低溫環(huán)境下易發(fā)生脆性斷裂，而高溫環(huán)境下瀝青相的老化會(huì)加速材料性能退化。因此，如何激發(fā)復(fù)合膠凝材料中的兩種組分的最大性能優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)復(fù)雜而困難的工作。

5.1.2微觀機(jī)理與界面作用研究不足

目前對(duì)水泥水化產(chǎn)物與瀝青的界面相互作用機(jī)制尚不明確，乳化瀝青的破乳和水泥水化反應(yīng)之間的相互影響機(jī)制也在探索中。因此，在應(yīng)用中，材料設(shè)計(jì)多依賴經(jīng)驗(yàn)而非理論指導(dǎo)，常出現(xiàn)混合料分層或強(qiáng)度不均。

5.1.3規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)化缺失

目前，尚未形成完備的乳化瀝青-水泥復(fù)合膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)化體系。我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系中，只有針對(duì)乳化瀝青、水泥等單一材料的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏針對(duì)水泥－復(fù)合膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，也缺乏設(shè)計(jì)規(guī)范、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、檢測(cè)試驗(yàn)規(guī)程、施工指南、施工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)等配套標(biāo)準(zhǔn)提供有力支持，限制了其工程推廣。

5.2未來展望

5.2.1技術(shù)研究方向

借助SEM、XRD等微觀分析技術(shù)，加深對(duì)水泥與乳化瀝青在不同條件下的相互作用微觀機(jī)理研究，探索材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的特定性能需求，實(shí)現(xiàn)定向設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)調(diào)控材料性能，進(jìn)而開發(fā)出性能更加優(yōu)異、針對(duì)性更強(qiáng)的復(fù)合材料產(chǎn)品

另一方面，水泥-乳化瀝青復(fù)合膠凝材料常溫拌合和施工，奠定了其在低碳環(huán)保材料領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)。結(jié)合粉煤灰、鋼渣等工業(yè)廢渣的資源化應(yīng)用，制備綠色環(huán)保復(fù)合材料，全方位降低材料生產(chǎn)和使用全生命周期對(duì)環(huán)境的影響，契合我國“雙碳\"政策，助力產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

5.2.2應(yīng)用拓展方向

在提升水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料性能的基礎(chǔ)上，可積極拓展在交通基礎(chǔ)建設(shè)、城市建設(shè)、海洋工程等領(lǐng)域的應(yīng)用。利用其高抗壓強(qiáng)度和抗車轍性能，開發(fā)適用于機(jī)場(chǎng)跑道的高性能復(fù)合膠凝材料，滿足飛機(jī)起降的高承載、高抗沖擊等嚴(yán)苛要求。通過優(yōu)化復(fù)合膠凝混合材料的孔隙結(jié)構(gòu)，開發(fā)適用于海綿城市透水路面的材料，實(shí)現(xiàn)雨水快速滲透與地下水補(bǔ)給，緩解城市內(nèi)澇；開發(fā)耐鹽霧腐蝕的復(fù)合材料，用于跨海大橋或海上平臺(tái)防護(hù)等，解決海水腐蝕、海浪沖擊等帶來的材料耐久性問題。

5.2.3標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)

構(gòu)建“材料研發(fā)－設(shè)備配套-工程應(yīng)用”一體化產(chǎn)業(yè)鏈，將產(chǎn)業(yè)鏈中的各關(guān)鍵環(huán)節(jié)分別建立標(biāo)準(zhǔn)，從材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、施工指南、檢測(cè)指標(biāo)等多個(gè)環(huán)節(jié)，建立水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)化體系。緊跟行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)，結(jié)合3D打印、無人攤鋪等先進(jìn)技術(shù)，制定相應(yīng)施工指南，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)向高端方向發(fā)展。聯(lián)動(dòng)工業(yè)固體廢棄物的資源化應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，制定相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)、檢測(cè)、施工等標(biāo)準(zhǔn)，助力產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

6結(jié)論

水泥－乳化瀝青復(fù)合膠凝材料雖然目前存在一定的不足，但通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用拓展探索，其未來發(fā)展前景十分廣闊，有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，為推動(dòng)我國乃至全球的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展以及相關(guān)行業(yè)的技術(shù)升級(jí)提供強(qiáng)有力的支撐。

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