陽離子乳化瀝青對硅酸鹽水泥砂漿力學性能影響分析

王振軍，高 杰，魏永鋒，石 艷，侯小紅

(長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安710061)

0 引言

硬化水泥基復合材料屬脆性材料，韌性較差，乳化瀝青混合料屬于柔性材料，近年來在公路工程中備受關注．乳化瀝青改性水泥砂漿是以水泥漿體為連續相進行“剛中摻柔”來提高水泥砂漿韌性的新型工程材料［1-2］．近幾年，國內外學者對陽離子乳化瀝青改性水泥砂漿的宏觀性能進行了深入的研究．Song 等［3］研究了乳化瀝青乳液作為高聚物改善水泥漿體的力學性能的可行性，認為乳化瀝青能夠顯著提高水泥漿體的抗滲、抗碳化性能，并能有效阻止氯離子滲透． 李祝龍等［4］研究認為乳化瀝青對水泥砂漿具有滯緩終凝及減少用水量的作用，分析了乳化瀝青用量對動彈性模量的影響規律．胡曙光等［5］在極度干燥條件下研究了乳化瀝青對水泥砂漿的改性機理，認為乳化瀝青能提高水泥砂漿的抗折強度，降低壓折比，并深入闡述了乳化瀝青破乳程度對改性效果的影響．Ghazi 等［6-7］等制備了水泥乳化瀝青混合料測試了其路用性能，并分析復合膠漿的微觀結構，認為復合膠漿是由瀝青包裹的礦粉與未水化水泥組成的粒狀顆粒和纖維狀水泥水化產物C -S -H凝膠、CH 等構成．上述研究從不同角度討論了乳化瀝青對水泥砂漿性能影響，鮮見結合微觀結構特征對其力學變化規律提出較為詳盡的機理解釋．

因此，筆者研究不同乳化瀝青含量對水泥砂漿抗壓強度及抗折強度的變化，并根據其變化規律深入、系統的研究乳化瀝青對水泥砂漿的作用機理．

1 原材料與試驗方法

1．1 原材料性能

采用32．5 復合硅酸鹽水泥，其物理性能見表1;干凈河砂，細度模數μx= 2．58，屬中砂;慢裂型陽離子乳化瀝青，其性能指標見表2;萘系高效減水劑，減水率20%．

表1 水泥的物理性能Tab．1 The physical properties of the cement

表2 乳化瀝青性能指標Tab．2 Emulsified asphalt performance indicators

1．2 試驗方法

砂漿中水泥、砂子、水、減水劑的質量比例為1∶1．33∶0．25∶0．026，且保持不變，乳化瀝青與水泥的質量百分比(用AE/C 表示)按0、5%、10%、15%和20%取代水泥．將所設計配合比的水泥砂漿制成40 mm×40 mm ×160 mm 的試件，室溫養護24 h 脫模，在恒溫(20 ±2)℃相對濕度95%的條件下養護7 d，后置于室溫環境養護至28 d 齡期．

采用SANS 萬能試驗機測試力-撓度曲線并計算抗折強度，支座跨距100 mm，勻速加載速率0．5 mm/min，直至斷裂．受壓面為試件成型時的2個側面，用折斷后的棱柱進行抗壓試驗，壓力機加載速率為2 400 N/s ±200 N/s，測取不同齡期試塊的抗折、抗壓強度．

另外，將試樣切片并噴金，采用Hitachi S4800環境掃描電鏡，分辨率為8．0 nm，最大束流2 μA，分析乳化瀝青水泥砂漿的微觀結構．

2 結果與分析

2．1 乳化瀝青對砂漿抗壓強度的影響機理

AE/C 對抗壓強度的影響如圖1 所示．由圖1可見，隨著AE/C 的增大，不同齡期下砂漿的抗壓強度顯著下降．當AE/C =5%時，其3，7，28 d 齡期下抗壓強度分別較基準試件下降了24%、11%、19%，但乳化瀝青聚集程度相對較低，其抗折強度保持在較高水平，這是因為包裹在水泥顆粒表面的瀝青膜厚度較薄，水泥的水化產物仍是構成骨架結構的連續相． 當AE/C =10%時，其3 d、7 d、28 d 抗壓強度分別較基準試件下降了36%、25%、23%;當AE/C =15%時，其3 d、7 d、28 d 抗壓強度分別較基準試件下降了53%、36%、37%;當AE/C =20% 時，其抗折強度下降至28 Mpa 以下，將限制其在工程中的使用，這是由于隨著乳化瀝青聚集程度提高，瀝青膜厚度增大，水泥的水化產物無法穿過瀝青膜生長，未能相互搭接形成連續的支撐結構． 此時硬化復合漿體的骨架結構是由裹附在水泥顆粒及砂表面的瀝青膜構成，這種骨架結構較為疏松，難以提供足夠的強度．

圖1 AE/C 對抗壓強度的影響Fig．1 AE/C on mortar compression strength of the influence

圖2 為7d 齡期下，不同聚灰比所構成試件的表面微觀形貌．AE/C=5%的試樣中，由于瀝青膜包裹不充分，所以水泥水化反應進展良好，反應初期產生的大量水化產物彼此搭接，不斷生長，穿插于凝膠體內，形成了連續的空間骨架結構．隨著水化反應的進行，水化生成的C-S -H 凝膠和其他水化產物不斷填充內部的孔隙，一些微細的纖維狀水化物也大量產生．觀察發現其表面孔隙較少，水泥石的結構致密，由水化產物相互交織而提供的強度較高． 隨著AE/C 增至10%及15%，試樣中水泥顆粒被瀝青膜分割若干個區域，區域之間是由瀝青進行粘結，且水泥水化產物發育不佳，孔隙較多，結構松散，瀝青-水泥的界面過渡區還存在較多的片狀氫氧化鈣晶體，這些特征均對抗壓強度的形成不利．

圖2 不同AE/C 砂漿微觀形貌Fig．2 Different AE/C mortar microscopic morphology

另外，陽離子乳化瀝青在與水泥、砂子拌合的過程中，乳化瀝青中的水相部分率先與集料表面接觸，在其表面形成一層吸附水膜，由于陽離子乳化劑同時具有親油基團和親水基團，親水基團一端插入水中隨著水相流動的方向進行定向移動，吸附在集料表面，完成了水泥顆粒和集料從乳化瀝青中“奪水”的過程． 隨后，乳化劑開始從乳化瀝青中流失，直至膠漿體系失衡、乳化劑完全失去分散作用．同時，乳化劑中親油基一端插入瀝青微珠中，對之產生牽引效果并逐漸向集料表面聚集．在乳化劑的橋連作用下，大量瀝青微珠相互交織、堆積、纏繞，形成瀝青膜并完全裹附在水泥顆粒和集料表面，形成如圖3 所示囊包狀突起［8-10］． 在瀝青成膜瞬間，一部分水在瀝青與集料表面較強的吸附力作用下將二者間的水沿著它們的界面擠壓出去，這種吸附力主要是由瀝青中的環己烷酸和瀝青酸與水化和水解過程中獲得的Ca(OH)2進行化學反應形成的化學鍵所提供的，另一部分水則留在囊包中參與水化．

圖3 瀝青水泥囊包內部結構示意圖Fig．3 Asphalt cement sac bag internal structure diagram

2．2 乳化瀝青對砂漿抗折強度的影響機理

乳化瀝青對砂漿抗折強度的影響如圖4 所示．

圖4 AE/C 對砂漿抗折強度的影響Fig．4 AE/C on mortar bending strength of the influence

圖4 表明，7 d、28 d 齡期下，隨著聚灰比的升高，砂漿抗折強度的變化規律呈現出先大幅提高后趨于平緩，最后顯著下降，并且其抗折強度均高于基準試件．當AE/C =5%時砂漿抗折強度的增幅較大，7 d、28 d 齡期下其抗折強度分別較基準試件提高了72%、35%;當AE/C =10% 時，砂漿抗折強度最大，7 d、28 d 齡期下分別較基準試件提高了75%、43%;當AE/C 大于10%后，抗折強度出現顯著的下降．

3 d 齡期試件的抗折強度因為加入了乳化瀝青而低于基準試件;到達7 d 齡期后其抗折強度迅速發展，高于基準試件．這說明乳化瀝青對水泥顆粒的早期水化反應具有延緩作用，齡期超過7 d后延緩作用逐漸消除． 這是由于水化初期水化產物發育不良，而后隨著瀝青膜內外的水泥顆粒水化反應進行，大量C -S -H 和次生的鈣礬石、氫氧化鈣晶體開始填充在基體架構中的空隙里［11］;這些簇狀水化產物快速生長，使膜內外的水化產物實現貫穿，它們彼此交織、重疊在一起，形成了一個如圖5 所示錯綜復雜的密實網絡結構，使抗折強度逐漸增大;同時，處于瀝青膜之外的水泥顆粒的水化產物也牢牢刺入集料表面的瀝青膜．

圖5 砂漿內部網絡結構示意圖Fig．5 Mortar internal network structure diagram

2．3 乳化瀝青對砂漿韌性的影響機理

不同AE/C 下砂漿-撓度曲線如圖6 所示．圖6 表明，基準試件裂縫迅速貫通表現出脆性材料的典型破壞形式．隨著乳化瀝青的加入，荷載-撓度曲線逐漸變的較為平滑，初裂出現后試件所承受的荷載隨位移的增大而緩慢增大，并在最大值附近出現小幅波動，然后逐漸下降． AE/C 為0～5%時，試件荷載-撓度曲線的脆性特征較為明顯，極限撓度較低，韌性不佳． 當AE/C 增至15%～20%時，抗折強度有所降低，跨中撓度也相應降低，韌性較基準試件有所提高．AE/C =10%時，極限撓度最大，裂縫貫通過程緩慢，延性變形過程中所受荷載相對較為穩定，其韌性最佳．這是由于瀝青水泥囊包狀突起之間的空隙是由針狀及纖維狀的水化產物相互搭接而成的，圖7 中可觀察到瀝青膠漿填充在其中．在受彎曲荷載條件下，由于瀝青的模量遠低于硬化水泥漿體，瀝青在壓縮過程中吸收了部分荷載，為水化產物的斷裂提供了緩沖．同時，AE/C =10%時不會出現由于囊包之間填充瀝青過多而導致的滑動位移，從而提高了砂漿的抗折強度和韌性．

圖6 不同AE/C 下砂漿荷載－撓度曲線圖Fig．6 Different AE/C mortar load-deflection curve

圖7 砂漿內部結構SEM 圖像Fig．7 Mortar internal structure SEM image

3 結論

采用不同質量分數的乳化瀝青與水泥(AE/C)制備乳化瀝青改性水泥砂漿，通過評價其抗壓強度和抗折強度等力學性能，確定乳化瀝青的最佳質量百分比;并采用掃描電鏡(SEM)分析微觀結構，解析乳化瀝青對水泥砂漿力學性能影響機理．

(1)乳化瀝青質量分數大于5%時，砂漿的抗壓強度顯著下降，抗折強度提高，當質量百分比達到10%時，砂漿具有最佳的韌性．

(2)乳化瀝青對水泥顆粒的早期水化反應具有階段性的延緩作用，齡期超過3d 后延緩作用逐漸消除．

(3)瀝青膠漿填充在水化產物的空隙中，起吸收荷載、提供緩沖的作用;在砂漿強度得到保證的情況下，水泥砂漿的變形能力決定了其韌性．

(4)水化產物中瀝青的充實程度是影響水泥砂漿力學性能的主要因素，這是由乳化瀝青的加入量決定的，其填充厚度大于水化產物生長長度，水化產物不能實現貫通，無法形成連續的骨架結構，導致結構失穩破壞．

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