乳化沥青改性水泥混凝土力学性能研究

张晓强

(郑州路桥建设投资集团有限公司 河南郑州 450016)

0 引 言

水泥混凝土由于具有强度高、承载力强、板体性好等优点，广泛用于道路及机场路面中，但其也存在一些不足，如脆性大，重载下易产生开裂等，因此，改善水泥混凝土的柔性成为了许多研究学者们的重点课题.

近年来，研究学者致力于聚合物改性水泥混凝土方面的研究取得了一些成果.如熊剑平等[1-3]采用SD622S羧基丁苯乳液聚合物水泥混凝土进行改性，研究了聚合物改性水泥混凝土的机理，并根据室内路用性能和铺筑试验路对聚合物改性水泥混凝土的各方面性能进行了测试与验证；帅立辉[4]依托实体工程对聚合物改性多孔水泥混凝土的施工工艺和质量控制进行了分析，并对所铺筑道路工程的各方面性能进行检测，发现聚合物改性水泥混凝土的各方面性能良好.乳化沥青作为一种多聚物，与胶凝材料水泥一起用于道路路面材料方面已有较多的研究， 如水泥乳化沥青混合料与乳化沥青水泥混凝土两种非常典型的路面材料[5-6].对于乳化沥青掺入水泥混凝土中能否改善水泥混凝土脆性大、易开裂的问题，一直以来都是一个值得研究的课题.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料技术性能

原材料的性能直接决定了混凝土各方面路用性能的好坏，试验用原材料主要由乳化沥青、水泥及集料组成.

1.1.1乳化沥青

采用实验室自制阳离子慢裂快凝型乳化沥青，实测各性能指标都能满足文献[7]要求,见表1.

表1 乳化沥青技术性能

1.1.2水泥

试验用水泥选择某水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其基本技术参数见表2.

表2 水泥技术性能

1.1.3集料

试验用粗集料选用粒径在3～25 mm的石灰岩碎石，细集料选用河沙，其粗细集料技术性质都能满足文献[7]要求，具体见表3.

表3 集料的技术性质

1.1.4添加剂

试验用到的添加剂主要是消泡剂和减水剂两种，其中消泡剂采用淡黄色KR-XP96高性能工业消泡剂，其作用主要是消除水泥混凝土拌和过程中产生的气泡，可起到改善混凝土试件成型后的密实度，减轻混凝土受力时的应力集中，以及提高混凝土的强度的作用，具体性能指标见表4；减水剂选用掺量在0.1%～0.3%范围内的液态高效减水剂，主要性能指标见表5.

表4 KR-XP96高性能工业消泡剂性能指标

表5 高效减水剂性能指标

1.2 室内试验方法

1.2.1实验室用配合比

参考水泥混凝土的级配设计拟定了试验用配合比，见表6.

表6 集料合成级配

本试验中水泥混凝土的各用料，质量比为水泥∶砂∶石子=388.9∶622.4∶1 263.7，水灰比为0.45，砂率为33%，乳化沥青的掺加方式是以乳化沥青有效成分占水泥质量的0%,5%,10%,15%试验时保持水灰比不变，总的用水量为外掺用水量和乳化沥青中所占水量之和.

1.2.2试验方法

首先按比例拌制水泥净浆及掺不同比例的乳化沥青水泥净浆，通过凝结时间测定仪分别测定四种净浆的初凝时间和终凝时间；然后分别测试混凝土的抗压强度、抗折强度和疲劳性能，按照文献[8]中的方法分别成型抗压强度100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度和疲劳试件100 mm×100 mm×400 mm，在成型试件时，为防止乳化沥青尽早破乳，在拌和过程中最后加入乳化沥青快速拌制后迅速入模，成型时首先用捣棒振捣，然后在振动台上振动成型，成型试件后将试件连同试模放入养生室在标准条件下进行养生，经养护48h后脱模，并将脱模后的试件继续在养生室中养护至28d后进行强度和疲劳性能测试，并将试验结果与不掺乳化沥青的水泥混凝土基准试件做对比.

2 试验结果分析

2.1 乳化沥青水泥净浆凝结时间的测定

水泥的凝结时间对水泥混凝土的强度发展有着重要的影响，在刚性的水泥混凝土中掺入柔性的乳化沥青后势必会对水泥混凝土的强度发展起有一定的影响，因此，本文拟通过研究乳化沥青对水泥净浆的凝结时间的影响间接评价了乳化沥青对水泥混凝土强度的影响.试验结果见图1.

图1 不同乳化沥青掺量对水泥净浆凝结时间的影响规律

由图1可知，初凝时间和终凝时间均随着乳化沥青用量的增加而增加，特别是掺5%的乳化沥青用量时增长幅度最大，再继续增加乳化沥青掺量，增长幅度趋于平缓，对凝结时间的作用不显著.与普通水泥净浆相比较，掺5%乳化沥青后初凝时间延迟了85 min，终凝时间延迟了65 min，当乳化沥青掺量增加至15%时初凝时间延迟了109 min，终凝时间延迟了118 min.主要由于在水泥中掺入乳化沥青后，水泥的水化促进了乳化沥青的破乳，乳化沥青的破乳供给了水泥水化反应所需的水分，在此过程中破乳后的乳化沥青吸附或者包裹了水泥颗粒，从而导致了水泥净浆的凝结时间发生了延迟.

2.2 抗压与抗折强度

按照文献[8]中的试验方法分别对养生28 d的混凝土试件进行抗压和抗折强度试验，抗压强度测试采用压力试验机(见图2)，试验机加载速率为0.5 MPa/s，得到了加载时的最大荷载值，试验时并采用千分表记录试件至破坏时的挠度值；抗折强度选用MTS万能试验机(见图2)加载速率为50 mm/min，得到了荷载最大值与其对应的最大位移变形值.以研究不同乳化沥青用量对其混凝土强度及脆性产生的影响，试验结果见图3～4.

图2 抗压与抗折强度试验图

图3 不同乳化沥青掺量对混凝土抗压强度及挠度的影响规律

由图3可知，随着乳化沥青掺量的增加，抗压强度逐渐减小，与普通水泥混凝土相比，添加了5%，10%，15%的乳化沥青时混凝土抗压强度分别减小了34.23%，42.82%，52.66%，表明掺量5%时降低幅度最大，随后降低幅度有所减小并趋于缓和，混凝土的挠度变形逐渐增加，说明乳化沥青作为一种柔性材料加入到刚性的水泥混凝土中，削弱了水泥混凝土的刚性，提高了其柔性，降低了脆性.

图4 不同乳化沥青掺量对混凝土抗折强度及位移的影响规律

由图4可知，随着乳化沥青掺量的逐渐加入，乳化沥青改性水泥混凝土的抗折强度大幅度降低，5%，10%和15%乳化沥青掺量时的混凝土抗折强度分别比未掺乳化沥青时降低了1.57%，6.46%和11.17%，可看出5%掺量时对混凝土抗折强度的影响还不是很明显，10%掺量时降低的程度就已经很明显了.另外，随乳化沥青掺量增加，试件破坏时产生的位移变形量逐渐增加，掺量为5%，10%和15%时的混凝土破坏变形量分别比未掺时增加了5.77%，13.12%和34.31%，说明乳化沥青可以改善混凝土的柔性，提高混凝土的破坏变形.

压折比也称脆度系数，其在一定程度上表征了混凝土的脆性，其值越大，脆性越大[9-10].由表8中压折比的数据可看出，随着乳化沥青掺量的增加，水泥混凝土的压折比逐渐降低，与未掺乳化沥青的普通水泥混凝土相比，乳化沥青掺量为5%，10%，15%的混凝土压折比分别降低了33.17%，38.81%，46.77%.说明一定量的乳化沥青能够明显降低水泥混凝土的脆性，提高混凝土的柔性变形性能.

2.3 疲劳性能

试验采用MTS810万能材料试验机对养生28 d的乳化沥青改性水泥混凝土试件进行四点弯曲疲劳加载试验(见图5)，试验采用应力控制模式，加载频率采用10 Hz，选用0.60，0.65，0.70，0.75和0.80等五种应力比，每组设置3个平行试件，算取3组试验的平均值.试验结果见表7.

图5 乳化沥青改性水泥混凝土四点弯曲疲劳加载试验图

表7 乳化沥青改性水泥混凝土试件四点弯曲疲劳试验结果

由表7的疲劳试验结果，按照应力控制模式下的疲劳寿命方程(1)对不同乳化沥青掺量下的水泥混凝土疲劳寿命进行回归拟合分析[11-12]，获得了各混凝土的疲劳寿命方程曲线(见图6)，并通过回归分析计算得到了疲劳方程的回归分析参数见表8.

lgNf=K+n(σ/S)

(1)

式中：lgNf为疲劳寿命；K为应力、疲劳寿命对数曲线的截距；n为应力、疲劳寿命对数曲线的斜率；(σ/s)为应力比.

图6 应力控制模式下乳化沥青改性水泥混凝土疲劳寿命回归分析

表8 乳化沥青改性水泥混凝土疲劳方程回归分析参数表

由图6和表8可知，无论是水泥混凝土还是掺了乳化沥青的改性水泥混凝土，其疲劳寿命方程相关系数都在0.95以上，说明此疲劳寿命方程能够较好的预测混凝土在不同应力比下的疲劳寿命.在同样的应力比下，与不掺乳化沥青相比，掺了乳化沥青后一定程度上提高了混凝土的疲劳寿命，且随着乳化沥青掺量的增加，其疲劳寿命也呈整体提升趋势.也因此说明一定量的乳化沥青能够改善水泥混凝土的柔性，提高其可变形能力.

在疲劳寿命方程中，n是应力比与疲劳寿命曲线的斜率，其可用于表征应力比对混凝土疲劳寿命的影响，其绝对值越大说明混凝土疲劳寿命受应力比敏感程度愈大 .由表8的疲劳寿命方程回归参数表可知，在四种混凝土中，未掺乳化沥青的水泥混凝土的疲劳方程斜率最大，且随着乳化沥青掺量的增加，混凝土的疲劳寿命方程斜率逐渐减小，乳化沥青掺量为15%时的混凝土的疲劳寿命方程斜率最小.说明了水泥混凝土由于自身的刚性和脆性使得混凝土的疲劳寿命受到了表现出很强的应力比敏感性，而乳化沥青的掺入改善了混凝土的应力比敏感性.

3 结 论

1) 掺入一定量的乳化沥青后净浆的初凝时间和终凝时间均有较大幅度的延迟.

2) 掺入乳化沥青可降低水泥混凝土的抗压和抗折强度，但能提升混凝土的柔性变形能力.

3) 乳化沥青能提高水泥混凝土的疲劳寿命，降低混凝土的脆性，改善混凝土的应力比敏感性.