水泥改性乳化沥青混合环保路面材料的性能试验

2023-07-12胡文娟

粘接 2023年6期

摘要：乳化沥青混合料是工程上可大量使用的安全环保型路面材料，为了研究水泥对乳化沥青混合料各方面性能的影响，通过一系列室内试验方法研究了2%、3%和4%3种不同掺量水泥对乳化沥青混合料力学性能和高低温、水稳定性的影响。结果表明，水泥的加入提高了乳化沥青混合料的强度和高温稳定性、水稳定性;但同时增加了混合料的弹性模量和低温脆硬性，降低了混合料的变形能力和低温性能，建议工程应用中对于水泥掺量应综合考虑各方面使用性能，使得效益最优化。

关键词：道路工程；水泥掺量；水泥乳化沥青混合料；力学性能；路用性能

中图分类号：U414;TQ177.6+3 文献标志码：A文章编号：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

熱拌沥青混合料具有施工快速、周期短、易维护的特点，大多数公路和市政道路的沥青路面都是采用热拌沥青混合料铺筑，但热拌沥青混合料拌和施工过程需要消耗大量的燃料并且释放出有害气体，尤其是近年来各地频繁出现雾霾天气，空气质量指数越来越高［1-3］。国内可用于常温拌和施工的沥青材料主要有稀释沥青和乳化沥青2种，由于稀释沥青通常是加入易挥发且有害人体健康的稀释剂，因此工程上很难大量采用该材料，而乳化沥青混合料是工程上可大量使用的安全环保型路面材料，具有能源消耗少、基本无污染的特点，但是由于其早期成型强度较低，需经过乳化沥青破乳、水分蒸发的漫长过程，且混合料的空隙率大、密实度小，沥青粘结效果也很不理想，导致乳化沥青混合料的应用范围较为局限，目前主要用于路面修补和沥青路面冷再生技术［4-7］。因此，一些道路研究学者期望能够研发一种可改善乳化沥青混合料性能的材料［7-9］。基于以上问题，研究利用水泥材料的刚性特点拟在乳化沥青混合料的研究基础上加入少量水泥，期望能够提高路面早期强度和使用耐久性，实现乳化沥青混合料路面的强度高、密实度大、通车快的特点。

1 原材料检测与试验方法

1.1 原材料性能

试验用乳化沥青为实验室自制阳离子慢裂型乳化沥青，其技术指标如表1所示；水泥采用的是P·O42.5普通硅酸盐，其比表面积为335 m2/kg，烧失量为2.8%，MgO质量分数为1.79%，SO3质量分数为1.75%，初凝时间153 min，终凝时间295 min，28 d抗压与抗折强度分别为47.8、8.6 MPa；试验用水可采用自来水，应保证透明、无杂质颗粒物，pH值为中性；粗集料采用玄武岩，规格分为3档：3～5、5～10、10～15 mm，细集料采用规格为0～3 mm的石灰岩，填料为石灰岩磨细后的矿粉，经检验，各规格集料与填料的技术性质都满足《公路沥青路面技术规范》的要求。矿料级配采用AC-13沥青混合料，具体如表2所示。

1.2 试验方法

研究参考同济大学计算乳化沥青用量的经验公式确定乳化沥青用量［10］。经计算得到乳化沥青用量为5.23%，由于自制的实际乳化沥青固含量为65.2%，因此换算后的实际乳化沥青用量折合为8%。固定乳化沥青用量8%，采用不同的水泥掺量（2.5%、3.5%和4.5%）进行试验，以确定不同的水泥掺量对乳化沥青混合料性能的变化规律。

在成型混合料试件时，应先将按比例称取的矿料、水泥倒入搅拌器中，经搅拌均匀后加入自来水使矿料表面润湿，然后加入预制好的乳化沥青拌合均匀后即可入模成型试件并养护28 d后进行相应试验。由于在实际试验中发现一次击实或碾压成型时试件表面会有大量的水分和乳化沥青冒出，因此本文采用二次击实方式，即在水泥达到初凝时间的20 min前进行二次击实或碾压［11］。

2 混合料力学性能

水泥乳化沥青混合料不同于热拌沥青混合料，经破乳后的乳化沥青与集料作用才会产生粘附性，且加入的水泥会与水發生水化反应生成具有一定强度的水化产物，是一种刚柔并济的路面材料，因此需要对其强度进行研究［12］。本文采用UTM伺服仪和MTS万能材料试验机对养护28 d的试件进行单轴压缩、劈裂强度和压缩动态模量试验，试验结果如图1、图2所示。

从图1、图2可以看出，随着水泥用量的增加，乳化沥青混合料的抗压强度和弹性模量持续增加，劈裂强度先增加并于3%掺量后有所降低。2%、3%和4%不同水泥掺量的乳化沥青混合料抗压强度分别比不掺水泥时提高了33.3%、46.8%、50.7%，相应的弹性模量分别增加了30.5%、56.9%和65.8%。说明乳化沥青混合料中加入水泥后，在提高混合料强度的同时也相应的增加了混合料的弹性模量。主要是由于水泥与水反应后生成了刚性的水化产物，增加了混合料的密实度、强度和刚度，导致混合料的脆硬性增加，材料的弹性变形能力变小。

3混合料路用性能

3.1 高温稳定性

在夏季高温地区，高温稳定性是沥青混合料路面耐久性的关键，由于沥青混合料本身的流变特性，高温稳定性不足时很容易会发生车辙、推移拥包等病害，严重影响行车驾驶感。本文为研究水泥掺量对乳化沥青混合料高温性能的影响，以普通乳化沥青和热拌沥青混合料为对照组，采用车辙试验分别对不同掺量（2%、3%、4%）的水泥乳化沥青混合料车辙板试件进行试验，试验温度取60 ℃，车辙板厚度为5 cm，轮碾速率为42次/min，以单位车辙深度对应的轮碾次数和60 min时的变形量作为评价指标，试验结果如图3所示。

从图3可以看出，相对于乳化沥青混合料，加入水泥后动稳定度有了显著的提升，且60 min车辙变形量也明显减小；从动稳定度指标看，水泥掺量为2%、3%和4%时的乳化沥青混合料动稳定度相对不掺水泥时分别增加了377%、681%和803%，相应的60 min变形量分别减小了38.5%、72.5%和78.7%。说明当水泥掺量为2%和3%时的动稳定度增加幅度与60 min变形量减小幅度较大，当其掺量大于3%后幅度明显减缓。相对于普通热拌沥青混合料，掺加水泥的水泥乳化沥青混合料动稳定度明显增加，60 min变形量也明显减小。说明加入水泥后乳化沥青混合料的高温稳定性提高，高温条件下的抗永久变形能力增强。高温性能改善的主要原因是水泥与水发生反应生成了强度较高的水泥石，且乳化沥青混合料中的水分蒸发后留下的孔隙被水泥水化产物所填充，增加了混合料的密实度，因而动稳定度明显增加，变形量明显降低［13］。

3.2 水稳定性

研究表明，乳化沥青混合料中的水分蒸发后会留下较多的空隙，雨水会通过空隙或者路面裂缝渗透到路面结构内，在长时间车辆荷载或瞬时冲击荷载作用下结构内部产生动水压力，使集料表面的沥青逐渐脱落形成水损害［14-15］。本文为研究加入不同掺量水泥后乳化沥青混合料的抗水损害变化规律，采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验进行检验，试验结果如图4所示。

从图4可以看出，普通乳化沥青混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比均不满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求，加入水泥后的残留稳定度和冻融劈裂强度比提升明显，在水泥掺量为2%时残留稳定度和冻融劈裂强度比相对不掺水泥时分别增加了25%、39%，且其数值高于普通热拌沥青混合料，从水泥掺量3%增加到4%时残留稳定度和冻融劈裂强度比增加了1.9%和1.0%。说明一定量的水泥可显著改善乳化沥青混合料的水稳定性，主要是由于水泥水化产物和沥青相互作用，其不但增加了与集料的粘附性，而且填充了混合料内部的空隙结构，使混合料粘接强度和密实度增加，阻碍水分浸入或剥蚀水泥乳化沥青胶结料与集料的界面，从而使水泥乳化沥青混合料的水稳定性增强［16］。

3.3 低温抗裂性

为评价乳化沥青混合料中加入水泥后对其混合料低温性能的影响，本文采用MTS万能材料试验机对制备及养护28 d的标准马歇尔试件进行低温劈裂试验，试验温度为-10 ℃，以通过最大荷载和竖向位移计算出的劈裂强度及相应的破坏应变和劲度模量进行评价，试验结果如图5所示。

从图5可以看出，掺水泥后乳化沥青混合料虽然强度在增加，但随着水泥掺量增加，破坏应变在减小，劲度模量在增大，说明水泥的加入增加了乳化沥青混合料的刚度，但同时增加了混合料在低温时的脆硬性，在外力作用下容易发生低温脆断，降低了混合料的低温抗裂性能，因此并不是水泥的掺量越多越好，需要同时考虑混合料的各方面性能。

4 结语

（1）结合力学试验可以得出，水泥的加入虽然提高了乳化沥青混合料的密实度和强度，但同时增加了材料的刚度和脆硬性，使材料的变性能力变差；

（2）从高温车辙试验发现，掺入水泥明显提高了乳化沥青混合料的动稳定度，降低了车辙深度，提高了乳化沥青混合料的高温抗车辙和抗永久变形性能；

（3）从水稳定性试验得出，适当掺量的水泥可改善水泥乳化沥青胶结料与集料的界面粘结强度和混合料的密实度，提高混合料的水稳定性，但掺量较大效果并不理想；

（4）从低温劈裂试验发现，掺入水泥后，乳化沥青混合料在低温条件下受到外力作用后容易产生脆断，降低了混合料的低温抗裂性能。在选择水泥掺量时应综合考虑各方面使用性能，取得效益最大化。

【参考文献】

［1］梁娟. 水性环氧乳化沥青混合料薄层罩面路用性能研究［D］.广州：广州大学，2019.

［2］孙岩松.水泥掺量对乳化沥青冷再生混合料性能的影响［J］.武汉理工大学学报，2013，35（4）：45-48.

［3］王學信，沙爱民，胡力群，等.水泥乳化沥青混凝土力学性能研究［J］.公路交通科技，2005（11）：61-64.

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