不同水泥掺量下的乳化沥青混凝土力学性能分析

GXF360 2019-09-21

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引言

沥青作为温度敏感性较高的材料，用于路面时在高温和重载车辆的反复作用下会出现波浪、拥包、车辙、裂缝等问题，影响使用性能和寿命［1-2］。国内外许多学者对水泥乳化沥青混合料进行研究，期望其能够兼顾水泥路面和沥青路面的优越性。水泥乳化沥青混凝土的优点：（1）混合料的早期强度比传统高。因为加入的水泥可以与乳化沥青破乳后的水分发生化学反应，强度形成速度快，很好地平衡了乳化沥青破乳憎水的难题。（2）能够减少传统沥青混合料经过高温加热对能源的大量消耗，降低建设成本，减少路面施工对自然环境带来的废气污染。据粗略估算，乳化沥青可以比热拌沥青混合料节省20%左右的沥青用量，且能够减少50%以上的燃料消耗，节约施工成本。同时，水泥乳化沥青在常温下就能施工，可减少热拌沥青混合料高温加热产生的有害气体，明显改善施工条件，节能环保。与常规乳化沥青相比，水泥的加入和掺量至关重要，水泥掺量对乳化沥青混凝土力学性能影响分析是非常有价值的［3］。

1 水泥乳化沥青混凝土强度形成机理［4-5］

水泥乳化沥青混凝土主要是通过在乳化沥青中加入水泥，水泥发生水化吸水过程，从而加快乳化沥青的破乳速度，进一步生成水泥水化物，水化物与沥青相互交织融合并裹附在集料表面，最终形成具有一定咬合作用的结构性网络结构，进而提高乳化沥青混凝土的早期强度即力学性能。水泥的主要作用：（1）水泥水化产物在混合料中起到“加筋”效果。乳化沥青混凝土中的结合料主要就是破乳后的沥青，粘度比较小、亲润性好，便于包裹在集料表面。当在乳化沥青中加入水泥后，水泥便可以与破乳后的水分充分发生化学反应，形成水化产物，该产物可以很好的对矿粉进行包括，且可以形成密实的水泥-沥青胶浆，有效改善集料和胶浆之间的过渡方式。由于沥青膜和水化产物的相互交织，可以覆盖集料周围的同时，形成立体网络结构，在乳化沥青中起到类似于“加筋”的效果，提高材料的强度，可以有效控制高温条件下沥青变形大的问题。（2）提高沥青与集料的粘附性。水泥水化反应的过程中，乳化沥青破乳后也在也在同步形成沥青膜，因此沥青膜和水化产物之间可以相互独立也可以相互渗透交织在一起。对于未发生水化反应的那些水泥，在混合料中可以起到活性矿粉的效果。这些水泥颗粒可以与沥青分子发生化学吸附作用，使得改性沥青生成具有特殊空间网状胶着结构的力学薄膜，极大改善沥青与集料间的粘附性。此外，水泥遇水发生化学反应产生的水化产物会在沥青表面形成一种兼有良好刚性和柔韧性的薄膜，使得结合料粘结更加紧密，同时也可以起到一定隔离作用，提高乳化沥青的力学性能。（3）弥补混凝土的自身缺陷。由于水泥发生水化反应，混凝土内部的微孔被水化产物填充，混合料的密实性和均匀性得以提高。另一方面，水分蒸发形成的空隙正好被水化产物填充，混合料的密实性得以提高，力学性能随之改善。

2 原材料

乳化沥青采用慢裂阳离子乳化沥青，集料采用石灰岩，水泥采用32.5#普通硅酸盐水泥，根据相关规范［6-8］，其相应技术性能见表～表4。

表1 乳化沥青性能指标

1 d 0.3 ≤1 T0655 5 d 2 ≤5筛上残留物（%） 0 ≯0.1 T0652恩格拉粘度E25 2.5 2~30 T0622粗集料粘附性 2/3 ≮2/3 T0654粗细式集料拌和试验均匀均匀 T0659水泥拌合试验的筛上剩余（%） 2 ＜5 T0657试验项目试验结果规范要求试验方法粒子电荷阳离子（+） - T0653破乳速度慢裂 - T0658常温储存稳定性（%）残留分含量（%） 49.7 - T0651蒸发残留物溶解度（%） 98.3 ≮97.5 T0607针入度25℃（0.1 mm） 79 - T0604粘度15℃（cm） 47 ≮40 T0605

表2 粗集料技术性质试验结果

集料类型技术项目结果试验方法压碎值（%） 15.84 T0316洛杉矶磨耗损失（%） 16.75 T0317对沥青粘附性 4级 T0616石料磨光值BPN 39 T0321细集料含泥量（%） 0.85 T0333吸水率（%） 1.63 T0330粗集料

表3 矿粉的技术性质

试验项目技术标准实测结果含水量（%） ≤1 0.64亲水系数＜1 0.86外观不结块，无团粒不结块，无团粒粒度范围＜0.6 mm（%） 100 100＜0.15 mm（%） 90～100 96＜0.075 mm（%） 75～100 93

表4 水泥技术指标试验结果

项目试验结果细度（%） 3.6密度（g/cm3） 3.02初凝时间（h） 3（湿度95%，常温）终凝时间（h） 5（湿度95%，常温）

3 试验设计方案

3.1 混合料试件制备

在混合料配制时，需要先将乳化沥青与符合设计要求的粗、细集料拌合均匀，最后与水泥和矿粉进行拌和。为了得到更好的密实度，采用改进马歇尔击实成型方法，先双面击实50次，待水泥初凝时，再双面击实25次。在水泥乳化沥青中，虽然水泥含量比较少，但是其比表面积大，对于形成半刚性结构路面有至关重要的作用，严重影响混合料的力学性能。故水泥的掺量对混合料力学性能研究是非常重要的，结合文献调研，选择三种水泥掺量进行研究，分别为1.5%，2.5%和3.5%（掺量为集料总量）。乳化沥青的用量为6.4%，外加拌和水量取2.5%。级配设计采用AC-16的级配中值，各档集料质量通过百分率见表5。由于水泥加入后发生水化反应，需要对试件进行养生，养生温度为20℃，龄期为7 d，要进行保湿处理。为防止脱模过程试件发生变形，需要养生24 h后再进行脱模，以便试件具有最佳的力学性能。

表5 AC-16级配各筛孔通过百分率

筛孔（mm） 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075通过率（%） 100 95 84 75 48 34 24.5 13.5 12.5 9.5 6

3.2 力学性能测试

测试强度指标主要是抗压强度和抗折强度，模量指标主要是抗压模量和抗折模量两种。（1）按照规范［6］进行无侧限抗压强度试验。试件采用静压成型的圆柱体形，规格为100 mm×100 mm，2 mm/min的加载速率，试件养生时间分为7 d和28 d。（2）按照规范［9］规定，采用路面强度仪器进行抗折试验，以三分点方式施加荷载，试件为小梁试件，规格为100 mm×100 mm×400 mm，同样采用2 mm/min的加载速率，试验温度为25℃，养护时间为28 d。（3）参照相关规范［6-9］，进行抗压模量试验和抗折模量试验。

The gate–source capacity Cgs/L was calculated as below:

英国PSI公司在紧密耦合雾化技术的基础上对紧耦合环缝式喷嘴结构进行了结构优化和改进，使气流的出口速度超过声速，可在较小的雾化压力下获得高速气流，在2.5 MPa压力下，气体速率可达到540 m/s，此外超声紧密耦合雾化技术可以提高粉末的冷却速度，效率高，成本低，且应用范围广，是气雾化技术重要的发展方向之一，且具有工业实用意义，对于促进3D打印用金属粉末的工业化生产制备有着重要的意义[7,11]。

4 试验结果及其分析

4.1 强度测试结果及分析

不同水泥掺量下AC-16混凝土7 d和28 d抗压强度及抗折强度结果见图1。可以看出，在水泥含量从1.5%逐渐增加到3.5%的过程中，改性乳化沥青混合料的7 d和28 d抗压强度及抗折强度都有一定程度的增加，即在该范围内，水泥掺量的增加是有利于水泥乳化沥青强度形成的，表现出了较好的力学性能。在相同水泥含量下，28 d抗压强度比7d抗压强度有一定程度的增加。随着水泥含量的增加，增幅有所变缓，表明水泥掺量增加后，乳化沥青破乳速度加快，大部分强度在7 d已经形成，故在28 d龄期后增长幅度变缓，抗折强度存在相同的趋势。值得注意的是在1.5%的水泥掺量增加到2.5%的过程，抗压强度和抗折强度均有比较明显的提高，而在2.5%的水泥掺量增加到3.5%的过程中两种强度指标虽然都有一定的增加，但是明显可以看出增加幅度变小。水泥乳化沥青抵抗破坏能力的增强，究其原因，是因为混合料强度随着水泥含量及水泥水化产物的增多而逐渐增加。

图1 不同水泥掺量下混合料试件强度测试结果

4.2 模量试验结果及分析

不同水泥掺量下AC-16混凝土7 d和28 d抗压模量及抗折模量结果见图2。可以看出，混合料的7 d和28 d抗压模量及28 d的抗折模量随着水泥含量的不断增加均有所增加，即在该范围内，水泥掺量的增加有助于水泥乳化沥青模量的形成，而且可以明显改善混合料抵抗高温变形的能力。在添加同一种含量的水泥时，对比养护7 d、28 d的试件抗压模量，后者模量更大，随着水泥含量的增加，模量值增幅有所变缓，而抗折回弹模量与抗折强度一样，苏子和水泥含量增加而增大。而且，水泥含量从1.5%向2.5%增加的过程中，抗压模量和抗折模量均有明显的加强，而在2.5%增加到3.5%的过程中，虽然抗压模量和抗折模量均有所增加，但是增加幅度明显变小。这个增长过程中，水泥乳化沥青的抵抗变形能力增强。加入适当剂量的水泥后，混合料中的水泥水化反应也会随之产生更多的水化物，混凝土回弹模量也随之提高。对比模量试验数据和强度试验数据随水泥掺量的变化情况，二者趋势基本一致。结合水泥乳化沥青在强度和模量方面的结果看，不论是水泥掺量是2.5%还是3.5%，都可以明显提高混合料的模量及强度，但是3.5%增加幅度明显减小，考虑到经济型问题，可以确定采用2.5%的掺量是相对较好的。