硫铝酸盐水泥-乳化沥青混合料性能影响因素研究

2021-04-20牛维宏徐清陈治君蒋聪

新型建筑材料 2021年3期

牛维宏，徐清，陈治君，蒋聪

（1.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650504；2.云南省建筑科学研究院云南省建筑结构与新材料企业重点实验室，云南昆明 650032）

0 引言

乳化沥青混合料作为道路坑槽修补材料，由于其适温性广，施工简单以及绿色环保等特点而广泛应用[1]。但乳化沥青混合料在使用过程中存在早期强度低，成型缓慢等问题，使得路面修补后不能及时开放交通[2]。

在乳化沥青混合料中掺入适量水泥可以较好地改善混合料的路用性能，对早期强度提升较大，以达到较快开放交通的目的[3]。Swayam Siddha Dash 和Mahabir Panda[4]研究了填料类型对沥青冷补料马歇尔稳定度的影响，结果表明，在添加水泥填料后，沥青冷补料的马歇尔稳定度提升显著。Alvaro Garcia等[5]研究了水泥用量对水泥乳化沥青混合料的影响，结果表明，掺入水泥后可以形成水泥石，加强集料之间的连接，进而提高乳化沥青混合料的强度。但水泥掺量过大会使乳化沥青混合料的脆性增大，导致路面开裂[6]。此外，外掺水量及油石比对乳化沥青混合料的性能也有影响。周海生等[7]研究了不同拌合用水量对乳化沥青混合料性能的影响，结果表明，拌合水用量对混合料的击实性能影响较大，拌合用水量过多时混合料不易击实、空隙率大、压实效果差，使施工质量降低。袁文豪等[8]研究了不同乳化沥青用量对沥青混合料性能影响，结果表明，随乳化沥青用量增加，乳化沥青混合料的空隙率下降，饱和度增加。

由于快硬硫铝酸盐水泥（R·SAC）具有水化速度较快、早期强度高、低温工作性好等特点[9]，本研究选用R·SAC 作为乳化沥青混合料的填料，通过正交试验，对水泥掺量、外掺水量和油石比3 个因素对R·SAC-乳化沥青混合料的施工和易性及路用性能的影响进行研究，得出不同因素对沥青混合料性能的影响程度，并用扫描电镜对其内部结构进行微观分析，探究掺R·SAC 提高乳化沥青混合料强度的机理。

1 试验

1.1 原材料及主要仪器设备

（1）乳化沥青：广州市建王防水材料有限公司生产的慢裂型阳离子沥青乳液，符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，其基本技术性能见表1。

表1 乳化沥青的基本技术性能

（2）集料与填料：细集料和粗集料为石灰岩，填料为石灰岩矿粉，性能符合JTG F40—2004 要求，主要技术性能见表2。矿料级配采用LB-13 中值，级配曲线如图1 所示。

表2 集料的主要技术性能

（3）水泥：广西云燕特种水泥建材有限公司生产的42.5级快硬硫铝酸盐水泥（R·SAC），其性能符合GB 20472—2006《硫铝酸盐水泥》要求，主要矿物组成见表3，物理性能见表4。

表3 水泥的主要化学成分 %

表4 水泥的物理性能

（4）主要仪器设备：SYD-F02-20 型自动混合料拌和机、HWY-2 型恒温水浴、SYD-0730A 型多功能全自动沥青压力试验仪，上海昌吉地质仪器有限公司；HG-1000S 型混凝土贯入阻力测定仪，无锡建仪仪器机械有限公司。

1.2 正交试验设计

选择水泥掺量、外掺水量和油石比，设计三因素四水平正交试验。通过测试乳化沥青破乳时间、乳化沥青混合料的贯入力、初始马歇尔稳定度和终期马歇尔稳定度，研究3 个因素对R·SAC-乳化沥青混合料的施工和易性及路用性能的影响。正交试验因素水平设计如表5 所示。

表5 正交试验因素水平

1.3 性能测试方法

（1）施工和易性

①破乳时间测试：参照JTG E-20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

②贯入力测试：采用混凝土贯入度仪进行测定，在室温下将配制好的R·SAC-乳化沥青混合料立即装入贯入力试料容器，将表面刮平，采用贯入度仪对混合料贯入阻力进行测试，贯入深度为25 mm，贯入速度为2.5 mm/s。每个试样作贯入阻力试验6 次，并记录数据，取其算术平均值作为测试结果。

（2）路用性能

①初始马歇尔稳定度测试：将配制好的R·SAC-乳化沥青混合料放于室温环境静置3 h，取乳化沥青混合料[保证试件高度为（63.5±1.3）mm]装入马歇尔试模中正反面各击实75次成型试件，立即脱模测试其马歇尔稳定度，取3 个试件的算术平均值作为测试结果。

②终期马歇尔稳定度测试：参照JTG E-20—2011 中T 0709—2011 进行标准马歇尔试验。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

根据表5 正交设计方案进行试验，结果如表6 所示。

表6 正交试验结果

2.1.1 R·SAC-乳化沥青混合料施工和易性正交试验极差分析（见表7）

从表7 可以看出：对乳化沥青破乳时间影响最大的因素为水泥掺量，油石比次之，外掺水量影响最小；对R·SAC-乳化沥青混合料贯入力影响最大的因素为油石比，水泥掺量次之，外掺水量影响程度最小。

表7 破乳时间和贯入力极差分析

乳化沥青的破乳是在外力搅拌作用下，乳化沥青与集料接触，将体系内水分通过物理力挤压溢出而挥发消失，使沥青吸附于集料表面，形成沥青薄膜的过程[10]。当乳化沥青破乳过快时，会导致沥青混合料离析，和易性较差[11]。随着R·SAC 掺量的增加，水泥填料被沥青乳液所包裹，通过与沥青乳液中的水相进行水化反应加快水分消耗，使得乳化沥青颗粒加速聚集形成薄膜，从而促进了乳化沥青的破乳过程，使乳化沥青破乳时间缩短[12]。随着外掺水量的增加，乳化沥青被稀释，沥青间颗粒碰撞率降低，使乳化沥青的破乳时间延长[10]。

乳化沥青混合料的和易性与油石比有关。随着油石比的增大，集料表面的乳化沥青分子增多，使集料颗粒之间聚结困难，集料间的聚结力较小，沥青混合料的内部嵌挤能力较差[13]，贯入度仪的测针在刺穿混合料时所需最大贯入力小，内部抵抗力较弱，沥青混合料和易性好。随着水泥掺量的增加，水泥填料促进了乳化沥青的破乳过程，乳化沥青破乳时间缩短，促使乳化沥青颗粒加速聚集形成薄膜，增大沥青混合料的集料间的粘结力，沥青混合料贯入力增大，使得沥青混合料和易性变差。

综上，随着水泥掺量的增加，R·SAC-乳化沥青混合料的施工和易性变差；随着油石比与外掺水量的增加，R·SAC-乳化沥青混合料的施工和易性变好。

2.1.2 R·SAC-乳化沥青混合料路用性能正交试验极差分析（见表8）

从表8 可以看出：对R·SAC-乳化沥青混合料初始和终期马歇尔稳定度影响最大的因素均为水泥掺量，油石比次之，外掺水量的影响程度最小。

乳化沥青混合料的初始马歇尔稳定度是由集料间的嵌挤作用提供的，乳化沥青中掺入快硬硫铝酸盐水泥后，由于水泥的水化作用以及填充作用使沥青乳液的破乳速度加快，较早形成沥青薄膜，增大集料间的嵌挤力[14]。快硬硫铝酸盐水泥水化速度快，水化产物与沥青分子相互交织形成水泥沥青结构[15]。水泥掺量越多，R·SAC-乳化沥青混合料的初始马歇尔稳定度越大，对提早开放交通有利。而随着外掺水量与油石比的增大，集料间的聚结力减小，沥青混合料的内部嵌挤能力较差，R·SAC-乳化沥青混合料的初始马歇尔稳定度降低。

表8 初始和终期马歇尔稳定度极差分析

由于水泥与沥青混合料中的水分发生水化反应，生成的水化产物不断填充沥青混合料的内部孔隙，提高了乳化沥青混合料的密实度，使终期马歇尔稳定度得以提高[16]。而外掺水在乳化沥青混合料中主要起骨料润湿的作用[17]，对终期马歇尔稳定度的影响较小。随着油石比的增大，沥青混合料的终期马歇尔稳定度有所提高。此外，水泥水化产物与沥青胶浆于内部形成一定的空间立体结构，改善了胶浆与集料界面的微观结构，使内聚力和粘结力提高[15]。水泥掺量越多，R·SAC-乳化沥青混合料的终期马歇尔稳定度越大，路面承载力及抵抗变形的能力越强。

综上，对R·SAC-乳化沥青混合料的路用性能影响最大的因素为水泥掺量。随着水泥掺量的增加，R·SAC-乳化沥青混合料的初始和终期马歇尔稳定度均显著提高。

2.2 微观结构分析

选取表6 中的3#、7#、10#、13#R·SAC-乳化沥青混合料分别成型马歇尔试件，将试件连同试模于110 ℃烘箱中养生24 h，于室温下冷却24 h 后脱模。制成薄片，进行喷金处理后，采用扫描电镜对乳化沥青混合料胶浆的微观结构及水泥水化产物的微观结构进行分析，结果如图2 所示。

图2 R·SAC-乳化沥青混合料胶浆及水泥水化产物微观结构

由图2（a）可见，未掺加R·SAC 的乳化沥青混合料胶浆表面为沥青薄膜包裹集料，表面较为光滑。由图2（b）、（c）、（d）可见，掺入R·SAC 的乳化沥青混合料胶浆表面出现针状和簇状结构。这些针状和簇状物是水泥与乳化沥青中的水相水化后生成的钙矾石[15]。当R·SAC 掺量为1%时，沥青混合料胶浆表面析出少量钙矾石晶体；当R·SAC 掺量为2%时，沥青混合料胶浆表面钙矾石晶体数量增加；当R·SAC 掺量为3%时，乳化沥青混合料胶浆表面析出钙矾石晶体数量较多，晶体水化物插入乳化沥青混合料胶浆薄膜内部，或裸露在胶浆表面，或相互紧密搭接，形成空间立体骨架结构，使得R·SAC-乳化沥青混合料的终期马歇尔稳定度提高[18]。由图2（e）可见，水泥的水化产物钙矾石与沥青薄膜接触过渡面光滑，没有裂纹产生，对R·SAC-乳化沥青混合料起到了“加筋”的作用，有利于乳化沥青混合料的强度发展。