水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料動態(tài)力學(xué)性能

秦先濤，陳拴發(fā)，祝斯月，李 鑫，豆懷兵

（1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；2.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710061；3.長安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心，西安 710061）

水泥乳化瀝青膠凝材料是一種由無機(jī)水硬性膠凝材料水泥和有機(jī)黏結(jié)性高分子材料乳化瀝青組成的復(fù)合膠凝材料[1]．該復(fù)合材料由于同時具備水泥和瀝青兩種膠凝材料的優(yōu)良特性而在公路工程鋪面材料中得到了越來越多的研究和應(yīng)用[2-3]．杜少文[4]研究了水泥摻量對乳化瀝青混合料穩(wěn)定度、抗壓強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性和低溫抗裂性能等的影響．Seref Oruc等人[5]研究了如何提高乳化瀝青混合料的力學(xué)性能以及水泥對乳化瀝青混合料的影響．王振軍等人[6]研究了普通波特蘭水泥對乳化瀝青混合料性能的影響及其機(jī)理．Bocci等人[7]分析了養(yǎng)護(hù)條件、溫度和濕度對水泥-乳化瀝青混合料（CBTM）力學(xué)行為的影響．Hassan等人[8]對比研究了水泥以及其它摻合料對提高冷拌瀝青混合料力學(xué)性能的影響．可以看出，以上研究的重點均在水泥乳化瀝青混合料的力學(xué)性能以及路用性能等方面，卻忽略了對復(fù)合膠凝材料本身材料特性的研究．究其原因是因為水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材 料從其材料組成到性能表現(xiàn)等諸多方面都具有特殊性，現(xiàn)有的瀝青或水泥試驗方法均不適用于研究水泥乳化瀝青復(fù)合材料．因此，針對水泥乳化瀝青復(fù)合材料具有典型黏彈性能的特點，采用合適的方法研究水泥乳化瀝青復(fù)合材料在行車荷載環(huán)境中的實際力學(xué)響應(yīng)，對推動該復(fù)合材料的發(fā)展具有重要意義．在前期研究的基礎(chǔ)之上[9-10]，本文制備了C/A為0.8、1.0和1.2的水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料，采用動態(tài)剪切流變儀得到了三種復(fù)合材料的復(fù)數(shù)模量和相位角的溫度譜圖和頻率譜圖．并基于時-溫等效原理獲得了水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的相位角主曲線，實現(xiàn)對水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料動態(tài)力學(xué)性能在廣泛荷載頻率范圍內(nèi)的完全描述．

1 原材料與試樣制備

1.1 原材料

試驗采用自制的慢裂快凝型 SBS改性陽離子乳化瀝青（A），其主要技術(shù)性能見表1．

表1 乳化瀝青基本技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Basic indexes of emulsified asphalt

試驗采用冀東水泥廠生產(chǎn)的P.O. 42.5普通硅酸鹽水泥（C），其基本物理和力學(xué)性能見表2．礦粉采用磨細(xì)的石灰石粉，密度為2.797 g/cm3．

表2 普通硅酸鹽水泥的物理、力學(xué)指標(biāo)Tab.2 Physical and mechanical properties of ordinary portland cement

1.2 試樣制備

根據(jù)前期研究結(jié)果，當(dāng)水泥質(zhì)量與乳化瀝青固含量為1:1左右時復(fù)合膠凝材料具有較優(yōu)異的綜合力學(xué)性能表現(xiàn)．因此本文按照表3所示的質(zhì)量配比制備試樣，其中，C1～C3為三種水泥質(zhì)量與乳化瀝青固含量為1:1左右的復(fù)合膠凝材料；C0為純?nèi)榛癁r青試樣，C4為礦粉質(zhì)量與乳化瀝青固含量為1:1的材料，C0和C4均作為對照組．試樣制備過程如下：首先，按比例稱量乳化瀝青和水泥（礦粉）備用．然后，將水泥（礦粉）緩慢加入到乳化瀝青中并慢速攪拌；待水泥全部加入到乳化瀝青后，再高速攪拌 3 min，最后倒入硅膠模具內(nèi)成型即成．將制備完成的試樣置于室溫條件下（23±2℃）養(yǎng)護(hù)至7 d齡期后用于測試．試驗采用Bohlin GeminiⅡ型動態(tài)剪切流變儀對不同C/A的水泥乳化瀝青復(fù)合材料進(jìn)行溫度掃描試驗和頻率掃描試驗，并對擴(kuò)展頻率范圍內(nèi)的相位角主曲線進(jìn)行分析．

表3 不同水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料各組分的質(zhì)量配比Tab.3 Mix proportion of different CEACM

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 溫度掃描試驗

溫度掃描試驗采用應(yīng)力控制模式，溫度掃描范圍為40℃～80℃，荷載頻率為1.59Hz．溫度掃描試驗結(jié)果如圖1和圖2所示．從圖中可以看出，一方面，與純?nèi)榛癁r青相比，無論是礦粉還是水泥的加入都對復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能有著明顯的影響．在40℃時，三種水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料以及摻礦粉的乳化瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量是純?nèi)榛癁r青復(fù)數(shù)模量的2～3倍．這說明水泥在復(fù)合材料體系中起到了復(fù)合加強(qiáng)的作用，相比而言，礦粉在體系中的作用比較有限，主要體現(xiàn)為吸附作用和填充作用．因此摻礦粉的乳化瀝青膠漿C4的復(fù)數(shù)模量要明顯小于相同摻量的水泥乳化瀝青復(fù)合材料C2，甚至小于水泥摻量更低的復(fù)合材料C1．另一方面，水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料同樣具有著顯著的溫度敏感性．隨著溫度的升高，水泥乳化瀝青復(fù)合材料的復(fù)數(shù)模量呈顯著降低的趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到 80℃時，三種水泥乳化瀝青復(fù)合材料C1、C2和C3的復(fù)數(shù)模量分別為2 451 Pa、3 014 Pa和3 277 Pa，而C4的復(fù)數(shù)模量為1 670 Pa，純?nèi)榛癁r青的復(fù)數(shù)模量僅為 640Pa．這是因為當(dāng)溫度升高時，由于瀝青的軟化使其在已形成一定強(qiáng)度的水泥水化產(chǎn)物之間起到了潤滑作用，從而使得復(fù)數(shù)模量表現(xiàn)為下降．

此外，從圖2可以看出，三種水泥乳化瀝青復(fù)合材料的相位角隨著溫度的升高幾乎呈線性增加．而C0和C4的相位角在40℃到50℃之間有微小幅度的降低，然后隨著溫度的升高，相位角迅速增加．而且C0和C4相位角-溫度變化曲線近乎相同，只是摻礦粉后乳化瀝青膠漿的相位角整體變大了．這種對比進(jìn)一步佐證了礦粉在乳化瀝青膠漿中的作用更多的是填充效應(yīng)，對材料的粘彈性比例本質(zhì)改善較小，而水泥加入到乳化瀝青后則較為明顯地改變了復(fù)合材料的粘彈性能．

對瀝青材料而言，60℃時的車轍因子（G*/sinδ）是表征高溫性能優(yōu)異的關(guān)鍵性指標(biāo)．C0～C4五種材料的60℃車轍因子分別為4 678 Pa、14 572 Pa、17 048 Pa、17 136 Pa和12 010 Pa．從這個指標(biāo)來看，三種水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的高溫抗變形能力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于純?nèi)榛癁r青．

圖1 復(fù)數(shù)模量的溫度掃描試驗結(jié)果Fig.1 Change of complex modulus with temperature

圖2 相位角的溫度掃描試驗結(jié)果Fig.2 Change of phase angle with temperature

2.2 頻率掃描試驗

頻率掃描范圍為0.015 9～15.9 Hz，且頻率變化選擇對數(shù)增加方式，試驗溫度為80℃．從圖3可以看出，所有材料的復(fù)數(shù)模量均隨著荷載頻率的增加而顯著增加．在最初的低頻階段，C4的復(fù)數(shù)模量在C1、C2之上，這是因為由于礦粉的吸油性使得摻礦粉的乳化瀝青膠漿具有很強(qiáng)的抗變形能力，從而表現(xiàn)為C4的復(fù)數(shù)模量大于C1和C2．而后隨著荷載頻率的增大，C4的復(fù)數(shù)模量變得小于C1、C2．而且，當(dāng)荷載頻率大于1 Hz之后，三種水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料以及摻礦粉的乳化瀝青膠漿的復(fù)數(shù)模量均增長迅速．

結(jié)合圖4可以看出復(fù)合材料的相位角隨荷載頻率變化趨勢不盡相同．純?nèi)榛癁r青C0的相位角-頻率呈顯著地線性降低趨勢，而這種粘彈性表現(xiàn)十分不利于瀝青的抗變形能力以及疲勞性能．即在低頻區(qū)域（等效于高溫狀態(tài)）瀝青材料的粘性特征明顯（相位角較大），容易產(chǎn)生永久變形；反之在高頻區(qū)域（等效于低溫狀態(tài)）瀝青材料又不具備足夠的粘性（相位角較小），不利于外加的能量因流變而消散，從而容易產(chǎn)生疲勞開裂．相比而言，當(dāng)水泥或礦粉加入到乳化瀝青中后，相位角-頻率曲線的變化趨勢有著非常明顯的變化，三種水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料以及摻礦粉的乳化瀝青膠漿的相位角隨荷載頻率的增加均為先增大后減小．所不同的是，C/A越大，則復(fù)合膠凝材料在低頻區(qū)域的相位角就越小，而且摻礦粉的乳化瀝青膠漿在低頻區(qū)域的相位角最小．分析其原因，在C1～C3三種材料中，水泥摻量比重越大，材料在低頻時的抵抗變形能力及變形恢復(fù)能力就越強(qiáng)，即彈性特征就越大，表現(xiàn)為相位角較小．而摻礦粉的乳化瀝青膠漿之所以在低頻區(qū)域的相位角最小，甚至比水泥摻量更大的復(fù)合膠凝材料C3的相位角還小，主要是得益于礦粉超強(qiáng)的吸油能力，這使得摻礦粉的乳化瀝青膠漿在低頻（即高溫）狀態(tài)下具有很高的抗變形能力．但是，從圖4中相位角-頻率曲線的后半段可以看出，在高頻（即低溫）情況下，摻礦粉的乳化瀝青膠漿的相位角最低，這顯然不利于材料在中低溫下的疲勞性能．反觀三種水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料，在高頻區(qū)域，其相位角均大于乳化瀝青，說明三種復(fù)合膠凝材料在較高的荷載頻率作用下具有更明顯的粘性特征，從而抑制疲勞開裂的發(fā)生，表現(xiàn)出良好的高頻動態(tài)力學(xué)特性．尤其是復(fù)合膠凝材料C3，在荷載頻率變化過程中具備最優(yōu)的粘彈性能表現(xiàn)．

圖3 復(fù)數(shù)模量的頻率掃描試驗結(jié)果Fig.3 Change of complex modulus with frequency

圖4 相位角的頻率掃描試驗結(jié)果Fig.4 Change of phase angle with frequency

2.3 疲勞性能

取溫度掃描試驗中獲得的不同溫度時各種材料的疲勞因子G*·sinδ和損失正切值tanδ見表4．

從表4可以看出，所有材料的疲勞因子均隨著溫度的升高而減小，而且在水泥或礦粉加入至乳化瀝青后，材料的疲勞因子有著數(shù)量級的增長，這是由于水泥的加入使得材料由柔性特征向半柔性特征甚至剛性特征轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致了疲勞性能的衰減．但疲勞因子并沒有隨C/A的增大而增大，相反C3的疲勞因子在很大溫度范圍內(nèi)小于C2．

參數(shù)tanδ為損失正切值，表示復(fù)數(shù)剪切勁度模量中粘性成分與彈性成分的比例[11]．從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，三種CECM以及摻礦粉的乳化瀝青膠漿的損失正切值-溫度變化曲線與乳化瀝青類似，均隨溫度的降低而降低．在中溫范圍內(nèi)，較多的粘性成分有利于抵抗疲勞破壞；而在高溫范圍內(nèi)，較多的彈性成分有利于抵抗變形．進(jìn)一步比較三種CECM可以發(fā)現(xiàn)，40℃時，C3的損失正切值最大，即粘性成分最多；80℃時，C3的損失正切值最小，即彈性比例最多．

表4 不同溫度時各種材料的疲勞因子和損失正切值Tab.4 Test results of G＊·sinδ and tanδ at different temperatures

2.4 基于時-溫等效原理的相位角主曲線

水泥乳化瀝青復(fù)合材料雖然避免了熱拌瀝青混合料所需的高溫加熱、拌合及運(yùn)輸攤鋪過程，但其在使用過程中溫度范圍仍可以從夏季的 60℃以上跨越到冬季寒冷地區(qū)的-30℃以下．同時，路面材料還要承受10-2s量級的瞬時車輪荷載．因此，獲得路面材料在廣泛溫度及荷載頻率范圍內(nèi)的粘彈性能有著重要的現(xiàn)實意義．但是，目前即使使用最先進(jìn)的試驗儀器也無法獲得在如此大溫度或荷載范圍內(nèi)的粘彈特征．為了達(dá)到這一目的，通常采用時-溫等效原理通過換算得到材料的主曲線．本文分別對不同復(fù)合膠凝材料在35℃、50℃、65℃和80℃進(jìn)行頻率掃描試驗，然后選擇50℃為基準(zhǔn)溫度，其它溫度下的相位角-頻率曲線沿水平軸向基準(zhǔn)溫度的相位角-頻率曲線靠攏并使相互交錯部分重疊，從而得到不同復(fù)合膠凝材料在 50℃時的相位角主曲線，見圖5．

由圖5可以看出，與乳化瀝青相比，三種水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料以及摻礦粉的乳化瀝青膠漿的相位角主曲線變化趨勢有著較明顯的區(qū)別．具體來說，乳化瀝青的相位角主曲線在廣泛荷載頻率范圍內(nèi)處于一直下降的趨勢，而C1～C4等四種材料的相位角主曲線在 10-4～10-2Hz的低荷載頻率區(qū)域經(jīng)歷了一個先上升后下降的凸曲線變化過程，且C/A越大，復(fù)合材料在低頻區(qū)域的相位角越小．這充分說明在水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料中兩種水泥和乳化瀝青在各自形成強(qiáng)度后復(fù)合材料的粘彈性比例發(fā)生了較大的改變，其中水泥的水化產(chǎn)物形成了良好的骨架，從而使得在低頻荷載的作用下復(fù)合材料具有更為明顯的彈性特征，有利于變形最大程度地恢復(fù)．在10-2～10 Hz的中頻區(qū)域，三種CECM以及C4的相位角由小于乳化瀝青而逐漸發(fā)展為大于乳化瀝青．這是因為隨著荷載頻率的增加，變形后的恢復(fù)時間越來越短，而水泥在復(fù)合材料中引起的粘性特征開始逐漸凸顯，因此相位角變的大于乳化瀝青．而當(dāng)荷載頻率進(jìn)一步增加時，變形后的恢復(fù)時間進(jìn)一步壓縮而變得十分短暫，所有材料的累計形變越來越大，而CECM及摻礦粉的乳化瀝青膠漿的總變形量與乳化瀝青相比要小得多，即彈性特征更為明顯，因此從圖中可以看出，在高頻階段三種CECM以及C4的相位角下降速率突然加快且明顯小于C0．

圖5 50℃時不同復(fù)合材料的相位角主曲線Fig.5 Master curves of different CEACM at 50℃

另一方面，從圖5還可以看出，三種CECM及C4的主曲線頻幅均寬于乳化瀝青，這反映出水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的相位角對荷載頻率的敏感性降低了．而且C/A越大，相位角的主曲線頻幅越寬．此外，與三種 CECM 的相位角主曲線相比，C4的相位角主曲線在低頻區(qū)域更寬，但在高頻區(qū)域卻略窄，這證明了礦粉在摻入到乳化瀝青中后，由于其吸油穩(wěn)定作用對低頻（高溫）抗變形能力提高很大，而對高頻（低溫）時的疲勞性能無提升作用．

3 結(jié)論

（1）與乳化瀝青類似，水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料亦具有顯著的溫度敏感性．隨著溫度的升高，三種CECM的復(fù)數(shù)模量顯著減小，相位角線性增大，粘性特征增強(qiáng)．

（2）水泥的加入顯著改變了復(fù)合材料的粘彈性比例．C/A越大，復(fù)合材料在低頻（高溫）區(qū)域內(nèi)的抗變形能力越強(qiáng)．且水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料C2和C3的相位角在高頻區(qū)相近，但CA3具有更優(yōu)的低頻區(qū)域粘彈性能．

（3）由于復(fù)數(shù)模量數(shù)量級的增加導(dǎo)致水泥乳化瀝青復(fù)合膠凝材料的疲勞因子明顯增加．但三種CECM的疲勞因子和損失正切值與C/A的大小無一致對應(yīng)關(guān)系，無法直接確定出最優(yōu)的C/A．

（4）相位角主曲線表明三種CECM的相位角主曲線頻幅更寬，即水泥乳化瀝青復(fù)合材料的相位角對荷載頻率的敏感性更低；且C/A越大，相位角的主曲線頻幅越寬．

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