水泥改性乳化瀝青混合環(huán)保路面材料的性能試驗(yàn)

摘 要：乳化瀝青混合料是工程上可大量使用的安全環(huán)保型路面材料，為了研究水泥對乳化瀝青混合料各方面性能的影響，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)方法研究了2%、3%和4%3種不同摻量水泥對乳化瀝青混合料力學(xué)性能和高低溫、水穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，水泥的加入提高了乳化瀝青混合料的強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性;但同時增加了混合料的彈性模量和低溫脆硬性，降低了混合料的變形能力和低溫性能，建議工程應(yīng)用中對于水泥摻量應(yīng)綜合考慮各方面使用性能，使得效益最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：道路工程；水泥摻量；水泥乳化瀝青混合料；力學(xué)性能；路用性能

中圖分類號：U414;TQ177.6+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0060-04

Study on the performance of environmentally friendly pavement materials prepared by cement modified emulsified asphalt mixture

HU Wenjuan

（Zhengzhou Highway Engineering Company，Zhengzhou 450000，Henan China）

Abstract：Emulsified asphalt mixtures are safe and environmentally friendly road materials that can be widely used in engineering.In order to study the influence of cement on the properties of emulsion asphalt mixture，the effects of cement with 2%，3% and 4% of emulsion asphalt mixture were studied through a series of indoor test methods.The test results showed that the addition of cement improved the strength and high temperature stability and water stability of emulsion asphalt mixture，but increased the elastic modulus and low temperature of the mixture，reducing the deformation ability and low temperature performance. It is suggested that the dosage of cement admixture should be comprehensively considered in engineering application，in order to optimize the benefits.

Key words：road engineering;cement mixing capacity;cement emulsion asphalt mixture;mechanical properties;road performance

熱拌瀝青混合料具有施工快速、周期短、易維護(hù)的特點(diǎn)，大多數(shù)公路和市政道路的瀝青路面都是采用熱拌瀝青混合料鋪筑，但熱拌瀝青混合料拌和施工過程需要消耗大量的燃料并且釋放出有害氣體，尤其是近年來各地頻繁出現(xiàn)霧霾天氣，空氣質(zhì)量指數(shù)越來越高［1-3］。國內(nèi)可用于常溫拌和施工的瀝青材料主要有稀釋瀝青和乳化瀝青2種，由于稀釋瀝青通常是加入易揮發(fā)且有害人體健康的稀釋劑，因此工程上很難大量采用該材料，而乳化瀝青混合料是工程上可大量使用的安全環(huán)保型路面材料，具有能源消耗少、基本無污染的特點(diǎn)，但是由于其早期成型強(qiáng)度較低，需經(jīng)過乳化瀝青破乳、水分蒸發(fā)的漫長過程，且混合料的空隙率大、密實(shí)度小，瀝青粘結(jié)效果也很不理想，導(dǎo)致乳化瀝青混合料的應(yīng)用范圍較為局限，目前主要用于路面修補(bǔ)和瀝青路面冷再生技術(shù)［4-7］。因此，一些道路研究學(xué)者期望能夠研發(fā)一種可改善乳化瀝青混合料性能的材料［7-9］。基于以上問題，研究利用水泥材料的剛性特點(diǎn)擬在乳化瀝青混合料的研究基礎(chǔ)上加入少量水泥，期望能夠提高路面早期強(qiáng)度和使用耐久性，實(shí)現(xiàn)乳化瀝青混合料路面的強(qiáng)度高、密實(shí)度大、通車快的特點(diǎn)。

1 原材料檢測與試驗(yàn)方法

1.1 原材料性能

試驗(yàn)用乳化瀝青為實(shí)驗(yàn)室自制陽離子慢裂型乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示；水泥采用的是P·O42.5普通硅酸鹽，其比表面積為335 m2/kg，燒失量為2.8%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.79%，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.75%，初凝時間153 min，終凝時間295 min，28 d抗壓與抗折強(qiáng)度分別為47.8、8.6 MPa；試驗(yàn)用水可采用自來水，應(yīng)保證透明、無雜質(zhì)顆粒物，pH值為中性；粗集料采用玄武巖，規(guī)格分為3檔：3～5、5～10、10～15 mm，細(xì)集料采用規(guī)格為0～3 mm的石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r磨細(xì)后的礦粉，經(jīng)檢驗(yàn)，各規(guī)格集料與填料的技術(shù)性質(zhì)都滿足《公路瀝青路面技術(shù)規(guī)范》的要求。礦料級配采用AC-13瀝青混合料，具體如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

研究參考同濟(jì)大學(xué)計(jì)算乳化瀝青用量的經(jīng)驗(yàn)公式確定乳化瀝青用量［10］。經(jīng)計(jì)算得到乳化瀝青用量為5.23%，由于自制的實(shí)際乳化瀝青固含量為65.2%，因此換算后的實(shí)際乳化瀝青用量折合為8%。固定乳化瀝青用量8%，采用不同的水泥摻量（2.5%、3.5%和4.5%）進(jìn)行試驗(yàn)，以確定不同的水泥摻量對乳化瀝青混合料性能的變化規(guī)律。

在成型混合料試件時，應(yīng)先將按比例稱取的礦料、水泥倒入攪拌器中，經(jīng)攪拌均勻后加入自來水使礦料表面潤濕，然后加入預(yù)制好的乳化瀝青拌合均勻后即可入模成型試件并養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。由于在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一次擊實(shí)或碾壓成型時試件表面會有大量的水分和乳化瀝青冒出，因此本文采用二次擊實(shí)方式，即在水泥達(dá)到初凝時間的20 min前進(jìn)行二次擊實(shí)或碾壓［11］。

2 混合料力學(xué)性能

水泥乳化瀝青混合料不同于熱拌瀝青混合料，經(jīng)破乳后的乳化瀝青與集料作用才會產(chǎn)生粘附性，且加入的水泥會與水發(fā)生水化反應(yīng)生成具有一定強(qiáng)度的水化產(chǎn)物，是一種剛?cè)岵?jì)的路面材料，因此需要對其強(qiáng)度進(jìn)行研究［12］。本文采用UTM伺服儀和MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)對養(yǎng)護(hù)28 d的試件進(jìn)行單軸壓縮、劈裂強(qiáng)度和壓縮動態(tài)模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，隨著水泥用量的增加，乳化瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量持續(xù)增加，劈裂強(qiáng)度先增加并于3%摻量后有所降低。2%、3%和4%不同水泥摻量的乳化瀝青混合料抗壓強(qiáng)度分別比不摻水泥時提高了33.3%、46.8%、50.7%，相應(yīng)的彈性模量分別增加了30.5%、56.9%和65.8%。說明乳化瀝青混合料中加入水泥后，在提高混合料強(qiáng)度的同時也相應(yīng)的增加了混合料的彈性模量。主要是由于水泥與水反應(yīng)后生成了剛性的水化產(chǎn)物，增加了混合料的密實(shí)度、強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致混合料的脆硬性增加，材料的彈性變形能力變小。

3混合料路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

在夏季高溫地區(qū)，高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料路面耐久性的關(guān)鍵，由于瀝青混合料本身的流變特性，高溫穩(wěn)定性不足時很容易會發(fā)生車轍、推移擁包等病害，嚴(yán)重影響行車駕駛感。本文為研究水泥摻量對乳化瀝青混合料高溫性能的影響，以普通乳化瀝青和熱拌瀝青混合料為對照組，采用車轍試驗(yàn)分別對不同摻量（2%、3%、4%）的水泥乳化瀝青混合料車轍板試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度取60 ℃，車轍板厚度為5 cm，輪碾速率為42次/min，以單位車轍深度對應(yīng)的輪碾次數(shù)和60 min時的變形量作為評價指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，相對于乳化瀝青混合料，加入水泥后動穩(wěn)定度有了顯著的提升，且60 min車轍變形量也明顯減??；從動穩(wěn)定度指標(biāo)看，水泥摻量為2%、3%和4%時的乳化瀝青混合料動穩(wěn)定度相對不摻水泥時分別增加了377%、681%和803%，相應(yīng)的60 min變形量分別減小了38.5%、72.5%和78.7%。說明當(dāng)水泥摻量為2%和3%時的動穩(wěn)定度增加幅度與60 min變形量減小幅度較大，當(dāng)其摻量大于3%后幅度明顯減緩。相對于普通熱拌瀝青混合料，摻加水泥的水泥乳化瀝青混合料動穩(wěn)定度明顯增加，60 min變形量也明顯減小。說明加入水泥后乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性提高，高溫條件下的抗永久變形能力增強(qiáng)。高溫性能改善的主要原因是水泥與水發(fā)生反應(yīng)生成了強(qiáng)度較高的水泥石，且乳化瀝青混合料中的水分蒸發(fā)后留下的孔隙被水泥水化產(chǎn)物所填充，增加了混合料的密實(shí)度，因而動穩(wěn)定度明顯增加，變形量明顯降低［13］。

3.2 水穩(wěn)定性

研究表明，乳化瀝青混合料中的水分蒸發(fā)后會留下較多的空隙，雨水會通過空隙或者路面裂縫滲透到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，在長時間車輛荷載或瞬時沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生動水壓力，使集料表面的瀝青逐漸脫落形成水損害［14-15］。本文為研究加入不同摻量水泥后乳化瀝青混合料的抗水損害變化規(guī)律，采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，普通乳化瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均不滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求，加入水泥后的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比提升明顯，在水泥摻量為2%時殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比相對不摻水泥時分別增加了25%、39%，且其數(shù)值高于普通熱拌瀝青混合料，從水泥摻量3%增加到4%時殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比增加了1.9%和1.0%。說明一定量的水泥可顯著改善乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性，主要是由于水泥水化產(chǎn)物和瀝青相互作用，其不但增加了與集料的粘附性，而且填充了混合料內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)，使混合料粘接強(qiáng)度和密實(shí)度增加，阻礙水分浸入或剝蝕水泥乳化瀝青膠結(jié)料與集料的界面，從而使水泥乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性增強(qiáng)［16］。

3.3 低溫抗裂性

為評價乳化瀝青混合料中加入水泥后對其混合料低溫性能的影響，本文采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)對制備及養(yǎng)護(hù)28 d的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行低溫劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，以通過最大荷載和豎向位移計(jì)算出的劈裂強(qiáng)度及相應(yīng)的破壞應(yīng)變和勁度模量進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，摻水泥后乳化瀝青混合料雖然強(qiáng)度在增加，但隨著水泥摻量增加，破壞應(yīng)變在減小，勁度模量在增大，說明水泥的加入增加了乳化瀝青混合料的剛度，但同時增加了混合料在低溫時的脆硬性，在外力作用下容易發(fā)生低溫脆斷，降低了混合料的低溫抗裂性能，因此并不是水泥的摻量越多越好，需要同時考慮混合料的各方面性能。

4 結(jié)語

（1）結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)可以得出，水泥的加入雖然提高了乳化瀝青混合料的密實(shí)度和強(qiáng)度，但同時增加了材料的剛度和脆硬性，使材料的變性能力變差；

（2）從高溫車轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入水泥明顯提高了乳化瀝青混合料的動穩(wěn)定度，降低了車轍深度，提高了乳化瀝青混合料的高溫抗車轍和抗永久變形性能；

（3）從水穩(wěn)定性試驗(yàn)得出，適當(dāng)摻量的水泥可改善水泥乳化瀝青膠結(jié)料與集料的界面粘結(jié)強(qiáng)度和混合料的密實(shí)度，提高混合料的水穩(wěn)定性，但摻量較大效果并不理想；

（4）從低溫劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入水泥后，乳化瀝青混合料在低溫條件下受到外力作用后容易產(chǎn)生脆斷，降低了混合料的低溫抗裂性能。在選擇水泥摻量時應(yīng)綜合考慮各方面使用性能，取得效益最大化。

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收稿日期：2022-06-16；修回日期：2023-04-20

作者簡介：胡文娟（1978-），女，高級工程師，研究方向：交通、土木工程;E-mail：784389388@qq.com。

引文格式：胡文娟.水泥改性乳化瀝青混合環(huán)保路面材料的性能試驗(yàn)[J].粘接，2023，50（6）：60-63.