水泥对改性乳化沥青混合料水稳定性影响研究

吴鹏飞

(通号工程局集团建设工程有限公司， 湖南 长沙 410000)

改性乳化沥青作为一种节能环保、经济高效的路用沥青材料，其形成的改性乳化沥青混合料与热拌沥青混合料相比具有施工速度快、养生时间短、成本较低的优点；但其水稳定性相对较差，只能用于较低等级公路的中下面层或基层，这严重阻碍了改性乳化沥青的应用与推广[1]。随着我国对耐久性沥青路面的急切需求，如何提高改性乳化沥青混合料的水稳定性成为相关研究中重要的一项工作[2]。

2015年李科成等[3]在乳化沥青混合料中加入水泥后，发现乳化沥青迅速破乳并在水泥、水化物、沥青膜间形成了稳固的网状结构，成功解决了单纯乳化沥青混合料在破乳后分散的现象，且混合料的力学性能和路用性能与乳化沥青用量成反比，而与水泥用量成正比。2017年秦先涛等[4-5]分析了含纤维水泥乳化沥青混合料的路用性能与微观结构的相互关系，研究表明纤维含量在0.5%时其相互缠绕程度增强，各材料间的相互作用机理可用时间发展规律描述，进一步提出了水泥乳化沥青复合材料粘弹性能的模拟表征方法。2018年王军[6]通过弹性模量试验、蠕变试验进行加水泥前后乳化沥青混合料性能的对比研究，确定了水泥乳化沥青混合料在一定荷载作用下弹性模量、抵抗永久变形的能力显著提高。2019年Wang等[7]系统地评价了水泥对乳化沥青混合料力学性能的影响，指出水泥的加入显著提高了乳化沥青混合料的高温稳定性和水稳定性，但对低温性能有不利影响，并利用扫描电镜(SEM)和计算机断层扫描(CT)等微观学试验手段得出水泥乳化沥青混合料的细观孔隙结构是影响性能的主要因素。

目前国内外评价沥青混合料水稳定性的试验方法多种多样，我国试验规程中评价水稳定性的试验方法为浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验，另外部分学者在考虑水的动力影响因素下采用浸水车辙试验，这些试验方法主要针对热拌沥青混合料，且各具优缺点，是否适用于水泥-改性乳化沥青混合料水稳定性评价有待考究[8-9]。

本研究在改性乳化沥青混合料中加入水泥以期提高其水稳定性，并对上述水稳定性评价方法进行适用性分析，建立以动态模量为指标的水泥-改性乳化沥青混合料水稳定性评价新方法。

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

改性乳化沥青为自制的阳离子慢裂快凝改性乳化沥青，固含量达到62.5%，具体指标如表1所示。石料选用产于当地的石灰岩集料，粗集料针片状颗粒含量和压碎值分别为6.1%和14.4%，细集料的含泥量为0.80%，均满足规范的使用要求。水泥为P·O32.5普通硅酸盐水泥，由于本研究为初步探索水泥对改性乳化沥青混合料水稳定性的影响，根据已有相关文献研究成果确定水泥掺量为2%，基础指标如表2所示。

表1 改性乳化沥青性能指标检测结果类别储存稳定性/%蒸发残留物性质1 d5 d蒸发残留物含量/%针入度(25 ℃)/0.1 mm软化点/℃延度(5 ℃)/cm溶解度/%技术标准≤1≤5≥6040～100≥57≥20≥97.5测定值0.6362.554.56830.498.6

表2 P·O32.5普通硅酸盐水泥技术指标测试项目细度/%密度/(g·cm-3)初凝时间/min终凝时间/min测试值3.63.04220400规范值≤10—≥45≤600

1.2 混合料及级配选择

试验采用普通热拌沥青混合料、改性乳化沥青混合料与水泥-改性乳化沥青混合料进行水稳定性对比分析。为模拟上面层实际情况，选用AC-13C型沥青混合料级配，级配曲线如图1所示。

图1 AC-13C沥青混合料级配曲线图

2 试验方法

2.1 浸水马歇尔试验

选用标准马歇尔试件，试验过程按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求进行[10]，试验装置如图2所示。

图2 浸水马歇尔试验

2.2 冻融劈裂试验

采用双面各击实25、50、75次的马歇尔试件，冻融劈裂强度测试步骤按规范要求进行，试验装置如图3所示。

图3 冻融劈裂试验

2.3 浸水车辙试验

采用标准的轮碾成型车辙板试件，尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，称量试件质量为m1，首先将车辙板置于-18 ℃环境下浸水保温16h，到时间后立即取出放入已保持60 ℃恒温的车辙仪内开始试验，整个过程均在浸水情况下进行。考虑到实际行车过程中的横向分布荷载，本试验采取将试件以50 mm/min的速率横向移动的方法进行模拟试验，其它条件与标准车辙试验一致，试验过程为24 h，最后将试验后车辙板上散落的石料清洗干净并在60 ℃条件下烘干至恒重m2，其质量损失比Δm=(m1-m2)/m1。

2.4 动态模量试验

动态模量试验试件为直径100 mm、高100 mm的圆柱体，是由旋转压实成型仪成型的直径100 mm、高120 mm的圆柱体试件切割加工而成。试验过程采用UTM万能试验机完成。本试验针对改性乳化沥青混合料、水泥-改性乳化沥青混合料、热拌沥青混合料3种混合料，在5种不同温度和5种不同加载频率下进行，共进行75组试验组合，试验设定条件如表3所示，动态模量试验如图4所示。

表3 动态模量试验参数设定表试验温度/℃加载频率/Hz加载波形-100.1101205半正矢波40106025

图4 动态模量试验

试验步骤为：①先将1组试件按设定条件进行单轴压缩动态模量试验；②试验完成后立即进行冻融循环处理；③紧接着在自然条件下干燥处理；④再次进行动态模量试验。

3 试验结果分析

3.1 浸水马歇尔试验结果分析

按照2.1节的方法进行试验，各种沥青混合料的浸水马歇尔试验结果如表4所示。

由表4试验数据可知，3种沥青混合料的稳定度以及浸水稳定度大小排序均为：水泥-改性乳化沥青混合料>热拌沥青混合料>改性乳化沥青混合料，单从稳定度数据可看出加水泥的改性乳化沥青混合料在浸水前后的稳定度较不加水泥有显著提高，即水泥的添加对改性乳化沥青混合料水稳定性有较大改善作用。但残留稳定度指标除热拌沥青混合料外均大于1，这与沥青混合料的材料特性相违背，造成数据不符合实际规律的原因在于较小空隙率下改性乳化沥青混合料的密实度更好，经60 ℃水浴浸泡后试件相对于热拌沥青混合料相对较软，稳定度试验时变形较大，间接导致马歇尔稳定度变大，即浸水马歇尔试验不适于评价改性乳化沥青混合料水稳定性。

表4 浸水马歇尔试验结果kN混合料类型稳定度(MS)浸水稳定度(MS1)残留稳定度(MS0)改性乳化沥青混合料4.835.801.20水泥-改性乳化沥青混合料6.457.551.17热拌沥青混合料6.275.960.95

3.2 冻融劈裂试验结果分析

按照2.2节的方法进行试验，不同击实次数的马歇尔试件空隙率、冻融前后的劈裂强度见表5，冻融劈裂强度比随空隙率的变化规律如图5所示。

表5 冻融劈裂试验结果混合料类型击实次数/次空隙率/%劈裂强度RT1/MPa冻融劈裂强度RT2/ MPa冻融劈裂强度比TSR/%2512.30.60.5591.5改性乳化沥青混合料5010.30.770.6382.4758.80.840.6375.52511.50.640.6194.8水泥-改性乳化沥青混合料509.60.810.7086.6758.20.900.7279.6258.80.710.6895.2热拌沥青混合料506.30.850.7588.7754.50.920.7682.3

图5 冻融劈裂强度比随空隙率的变化规律

由表5可以看出，加水泥后改性乳化沥青混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度以及劈裂强度比均有不同程度提高，显然单从独立的数据上看，水泥对改性乳化沥青混合料的水稳定性有较强促进作用。但从图5的变化规律看，3种沥青混合料的冻融劈裂强度比随空隙率的增加而增大，即水稳定性与空隙率大小呈正比关系，这显然与实际情况不符。这一现象说明冻融劈裂试验评价水稳定性具有一定的局限性，尤其不适用于高温多雨沥青路面胀缩明显的南方地区，它只适用处于体积指标不变的情况。

3.3 浸水车辙试验结果分析

根据2.3节的方法进行浸水车辙试验，按照试件的松散剥落程度来评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见表6。

表6 浸水车辙试验结果混合料类型平行试验/次m1/gm2/g(m1-m2)/gΔm/%19 8868 9269609.71改性乳化沥青混合料29 9068 8441 06210.7239 8738 7921 08110.95110 1129 4087046.96水泥-改性乳化沥青混合料210 0689 4735955.91310 0549 5225325.29111 06510 4176485.86热拌沥青混合料211 08310 5964874.39311 07010 3117596.86

3种沥青混合料试件经过轮碾荷载、温度、水等因素作用均出现不同程度的松散剥落，其中改性乳化沥青混合料的松散剥落程度最严重，而水泥-改性乳化沥青混合料和热拌沥青混合料松散剥落程度相当。由此可知，水泥加入后改性乳化沥青混合料的抗水损害能力明显提高，但平行试验中各平行试验的误差均出现大于1%的情况，试验离散性较大，造成这种现象的原因有： ① 在清洗试件时的人为因素；② 试件制作过程中不均匀性。虽然浸水车辙试验能模拟反映轮碾荷载、温度、水等作用，但评价指标受人为因素试件不均匀性影响较大，所以采用浸水车辙试验评价水稳定性较不适用。

3.4 动态模量试验结果分析

3.4.1平移因子确定

本研究获得设定条件下的动态模量是拟合动态模量主曲线的关键，它的核心理论是时间-温度等效原理，运用此原理的关键性步骤是准确地将设定条件下的动态模量平移到参考温度下，平移距离定义为平移因子αT，其与频率的关系式如式(1)所示。

fr=f·αT

(1)

式中：f为试验的加载频率；fr为参考温度下的缩减频率；αT为平移因子。

国内外计算平移因子通常采用的方法为解威廉姆斯·兰德尔·费里(W.L.F方程)方程，如式(2)。

(2)

式中：C1、C2为材料参数；T为试验选取温度；T0为参考温度。

3.4.2动态模量主曲线模型的拟合

动态模量主曲线的拟合是利用时温等效的原理将试验温度下的频率换算成参考温度下频率，采用拟合模型将其拟合成一条有规律的光滑曲线。参考温度是拟合的关键模型参数，通常可由不同温度和不同频率下的动态模量计算得出。国内外学者通常采用广义的Sigmoidal模型进行拟合，此模型可最大程度减轻偏差的影响，其模型如式(3)所示。

(3)

式中：E(fr)为动态模量，MPa；fr为参考温度下的缩减频率，Hz；δ为较低渐近线值，MPa；α为较高渐近线值与较低渐近线值的差值，MPa；β、γ、λ均为不同性质的系数[10]。

3.4.3动态模量主曲线拟合

根据2.4节的条件进行不同类型沥青混合料冻融前后的动态模量试验，在不同温度和不同频率下对3种沥青混合料的动态模量进行拟合，变化趋势如图6和图7所示。

图6 不同沥青混合料冻融前动态模量随温度和频率的变化规律

图7 不同沥青混合料冻融后动态模量随温度和频率的变化规律

由图6和图7可知，3种沥青混合料冻融前后的动态模量总是随温度升高和频率降低而减小，这与规范所要求的沥青混合料动态模量试验温度由低到高、频率由高到低一致。各频率下经过冻融循环后沥青混合料动态模量均变小，这是由于在水侵害影响下，沥青膜在集料间的黏附作用逐渐减弱，导致试件的整体性降低，抵抗外来荷载的能力逐渐变弱。从动态模量下降幅度看，冻融循环对水泥-改性乳化沥青混合料的影响最小，从而判定水泥在提高改性乳化沥青混合料水稳定性方面效果显著。

本研究以20 ℃为参考温度拟合不同沥青混合料冻融前后的动态模量主曲线，以水泥-改性乳化沥青混合料冻融后为例，其动态模量主曲线拟合过程如图8所示，3种沥青混合料冻融前后的动态模量主曲线如图9和图10所示。

图8 水泥-改性乳化沥青混合料冻融后动态模量主曲线拟合

图9 沥青混合料冻融前动态模量主曲线

图10 沥青混合料冻融后动态模量主曲线

由图8可知，水泥-改性乳化沥青冻融后的动态模量主曲线在较低频率或高温情况下的动态模量下降趋势明显，而在较高频率或低温情况下变化趋势不显著，即水泥-改性乳化沥青混合料在高温低频时的粘弹性对动态模量试验的冻融循环更加敏感，经历荷载作用后内部骨架结构开始发生破坏，整体性迅速下降。低温高频时，粘弹性的敏感程度降低，对混合料强度起决定性作用的是沥青，因此冻融前后动态模量变化小。在高温低频条件下，水损害发展得更快更严重，因此在路面结构设计时应针对实际交通频率和温度变化，着重考虑此条件下的力学性能变化。综上所述，采用动态模量主曲线来评价改性乳化沥青混合料的水稳定性较为科学合理，它可以表征水稳定性动态变化的特性，符合水作用下路面实际发展情况。

由图9和图10的变化趋势可以看出，在相对较低荷载频率范围内，相同温度环境下冻融前后沥青混合料动态模量大小排序为：水泥-改性乳化沥青混合料>热拌沥青混合料>改性乳化沥青混合料，说明水泥-改性乳化沥青混合料的力学性能最优，水泥的加入可显著改善改性乳化沥青混合料的水稳定性；随着频率的升高，3种沥青混合料冻融前后的动态模量变化趋势逐渐变缓，在某一相对较高的频率下改性乳化沥青混合料和热拌沥青混合料的动态模量可与水泥-改性乳化沥青混合料接近，所以针对交通荷载频率较高的情况下设计时，考虑到水稳定性特殊情况，也可采取改性乳化沥青混合料。

4 机理分析

1) 水泥填料的水化作用正好吸收了游离在乳化沥青混合料中的多余水分，避免了因多余游离水产生的骨料间嵌挤摩擦力不足问题，维持了混合料强度的稳定发展。同时水泥水化放热可以加快破乳速度，加快强度的形成。

2) 呈针状的水泥水化产物在乳化沥青破乳过程中，可穿插在沥青膜、矿料表面，水化产物、沥青膜、集料三者可形成三维骨架网状结构，内部相互交织、穿插，使得各界面的有效连接更加稳固，受动水作用侵蚀减弱。

3) 水化产物的产生可有效填充混合料内部空隙，使混合料致密程度提高，试件抗剥落能力显著提升。

5 结语

1) 现有的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水车辙试验等水稳定性评价方法对于水泥-改性乳化沥青混合料评价均存在明显的不适用性，而采用动态模量试验形成的动态模量主曲线评价方法，具有表征水稳定性动态变化特性的优势，符合水作用下路面实际发展情况。

2) 水泥填料的水化正好吸收了游离在改性乳化沥青混合料中的多余水分，避免了因多余游离水产生的骨料间嵌挤摩擦力不足问题，维持了混合料强度稳定发展；同时水化产物、沥青膜、集料三者可形成三维骨架网状结构，内部相互交织、穿插，使得各界面的有效连接更加稳固，受动水作用侵蚀减弱。由此得出水泥填料可显著提升改性乳化沥青混合料的水稳定性。