水泥乳化瀝青穩定碎石溫縮特性

王一琪，譚憶秋，王開生，王興隆

（1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江工程學院土木與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050；3.黑龍江省交通科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

復合材料是由2 種或2 種以上不同性質的材料，通過物理或化學方法組成的具有新性能的材料.各組成材料在性能上取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料，進而滿足不同的要求［1］.水泥乳化瀝青穩定碎石作為一種新型復合材料被越來越多地應用于工程實際中［2－3］.水泥乳化瀝青穩定碎石是以水泥、乳化瀝青和水共同作為結合料，摻入具有一定級配的碎石中，利用水泥吸附混合料中水分及水化熱的特點來加速乳化瀝青破乳，水泥水化產物和瀝青交織裹覆礦料顆粒，形成相互交叉的立體網絡；經拌和形成以水泥為連續相，瀝青為分散相的復合材料［4］.以水泥乳化瀝青穩定碎石修筑的路面基層兼具半剛性、柔性基層的特點，因此也被稱為半柔性基層.在保持水泥穩定碎石高強度的前提下，乳化瀝青的加入可適當降低其抗壓回彈模量，提高其抗裂性能，防止反射裂縫的產生，進而延長道路的使用壽命.饒建成［5］對半剛性、半柔性基層瀝青路面進行了力學響應分析，指出了半剛性基層瀝青路面的弊端.殷川等［3］對水泥乳化瀝青穩定碎石的干縮特性進行了研究，結果表明其抗干縮能力較半剛性基層好.李志剛等［6］對水泥乳化瀝青穩定碎石的干縮性能進行了研究，發現乳化瀝青的加入可以有效延緩基層干縮開裂.然而乳化瀝青的存在，使水泥穩定碎石呈現出不同的溫縮特性.特別是在寒冷地區路面基層中尚未得到廣泛應用.因此，本文著重對水泥乳化瀝青碎石溫縮特性進行研究.

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用海倫亞泰水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1.乳化瀝青為陽離子慢裂型乳化瀝青，其基本性質見表2.

表1 水泥的物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of Portland cement

表2 乳化瀝青的基本性質Table 2 Basic properties of emulsified asphalt

按照JTG D50—2006《公路瀝青路面設計規范》設計水泥穩定碎石的級配，見表3.

表3 水泥穩定碎石的級配Table 3 Gradation of cement stabilized crushed stones

1.2 試件制備與成型

試件采用梁式試件，尺寸為100mm×100mm×400mm，采用靜力壓實法成型，將裝模后的混合料在400kN 壓力下靜壓2min，此時模具上下壓塊完全壓入試模.使用塑料薄膜將脫模完畢的試件包裹密實之后，將試件放進養生室或標準養護箱中進行養護，養護溫度為（20±2）℃，相對濕度在95%以上.

1.3 試驗設備

溫縮系數是指材料在下降單位溫度條件下產生的收縮應變量.依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，采用康銅箔電阻式應變片電測法測定試件的溫縮系數.并選擇無壓燒結碳化硅材料作為溫度補償標準件，其線膨脹系數比水泥穩定碎石的收縮系數小1個數量級.

采用J－THERMO 的TH300 型溫濕度程式控制器來控制試驗溫度，溫度范圍－100～200 ℃.同時采用DT80 智能數據采集儀采集試件的靜態應變值.

1.4 試驗過程

養護齡期達到90d時，將試件放入105℃干燥箱中，10～12h后取出試件，放在通風干燥處冷卻至常溫.將水泥砂漿涂抹在梁式試件的2個相對側面的預定貼片區上，用砂紙將烘干后的涂層打磨平整.粘貼電阻應變片，保證其處于試件中軸線的位置.用串聯的方法連接試件兩側的電阻應變片，并采用相同的方法將溫度補償標準件的2 個應變片連接完畢.最后將連接所有應變片的引線接入DT80智能數據采集儀.將接好線的試件和溫度補償標準件采取橫臥位放入溫濕度程式控制器中，試件的底面墊置涂有潤滑油的光圓鋼筋.溫縮系數按式（1）進行計算：

式中：αt為溫縮系數；ti，ti－1為2個相鄰恒溫段的溫度值；εi，εi－1分別為溫度ti，ti－1對應的溫縮應變；βS為溫度補償標準件的線膨脹系數.

本文在分析中采用了平均溫縮系數的概念，即分別求出高溫區間（0～30℃）各個溫度下溫縮系數的平均值與低溫區間（－30～0℃）各個溫度下溫縮系數的平均值，再取其平均值.

2 結果與分析

2.1 養護齡期對溫縮特性的影響

為分析養護齡期對水泥穩定碎石及水泥乳化瀝青穩定碎石溫縮特性的影響，采用水泥用量（質量分數，本文涉及的用量均為質量分數）為4.0%，乳化瀝青用量為0%，2.0%，2.5%和3.0%的試件（分別標記 為CEA0－4.0，CEA2.0－4.0，CEA2.5－4.0 和CEA3.0－4.0），測定其7，90d養護齡期的平均溫縮系數，結果列于表4.

表4 養護齡期對平均溫縮系數的影響Table 4 Effect of aging time on average temperature shrinkage coefficient ×10－6／℃

由表4可知，水泥穩定碎石與水泥乳化瀝青穩定碎石的平均溫縮系數均隨養護齡期的增加而增大.并且隨著乳化瀝青用量的增加，無論7d 還是90d養護齡期，水泥乳化瀝青穩定碎石的平均溫縮系數均呈逐漸減小的趨勢.

現行規范中，水泥穩定類材料的養護齡期為90d，并未對水泥乳化瀝青穩定碎石的養護齡期作出規定.由表4可知，養護齡期為7d時，2種混合料的平均溫縮系數均較小，且變化規律較養護齡期為90d時不明顯.養護齡期為7d時，水泥乳化瀝青穩定碎石中的膠結物和水化產物較少；隨著養護齡期的增加，生成的膠結物和水化產物越來越多，其對乳化瀝青的黏著連接加強，溫縮系數隨之增大［7］.因此，為了更加準確地分析混合料的溫縮性能，使乳化瀝青與水泥充分水化，減少養護齡期的影響，應選擇養護齡期為90d進行試驗.

2.2 乳化瀝青用量對溫縮特性的影響

不同乳化瀝青用量下試件的溫縮應變、溫縮系數以及平均溫縮系數與溫度的關系見表5～7.

表5 不同乳化瀝青用量下溫縮應變隨溫度的變化Table 5 Variation of temperature shrinkage strain with temperature under different use levels（by mass）of emulsified asphalt ×10－6

表6 不同乳化瀝青用量下溫縮系數隨溫度區間的變化Table 6 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature range under different use levels（by mass）of emulsified asphalt ×10－6／℃

表7 不同溫度區間下平均溫縮系數隨乳化瀝青用量變化Table 7 Variation of average temperature shrinkage coefficient with use level（by mass）of emulsified asphalt under different temperature ranges ×10－6／℃

由表5～7 可知，乳化瀝青的加入可以有效抑制水泥穩定碎石的溫度收縮，并且隨著乳化瀝青用量的增加，試件的溫縮應變、溫縮系數和平均溫縮系數均呈逐漸降低的趨勢.當乳化瀝青用量為3.0%時，試件CEA3.0－4.0 在0 ℃時 的 溫縮應變比普通水泥穩定碎石試件CEA0－4.0減小了18%；當乳化瀝青用量為2.5% 時，試件CEA2.5－4.0在30～0℃區間內的平均溫縮系數比試件CEA0－4.0減小了10%.

由表7還可以看出，由于瀝青材料本身的溫度敏感性高，隨著溫度區間向高溫區間移動，試件的溫縮系數隨乳化瀝青用量增加而減小的趨勢減緩.因此，乳化瀝青用量不宜超過3.0%，否則會影響整體材料的溫縮特性［7－8］.

2.3 水泥用量對溫縮特性的影響

水泥為水泥乳化瀝青穩定碎石中的主要膠結料，其用量對材料的溫縮特性有重要影響.表8～10給出了乳化瀝青用量固定為2.5%，水泥用量分別為3.5%，4.0%，4.5%和5.0%時水泥乳化瀝青穩定碎石試件（分別標記為CEA2.5－3.5，CEA2.5－4.0，CEA2.5－4.5和CEA2.5－5.0）的溫縮應變、溫縮系數、平均溫縮系數與溫度的關系.

表8 不同水泥用量下溫縮應變隨溫度的變化Table 8 Variation of temperature shrinkage strain with temperature under different cement content（by mass）×10－6

表9 不同水泥用量下溫縮系數隨溫度區間的變化Table 9 Variation of temperature shrinkage coefficient with temperature range under different cement content（by mass） ×10－6／℃

表10 不同溫度區間下平均溫縮系數隨水泥用量的變化Table 10 Variation of average temperature shrinkage coefficient with cement content（by mass）under different temperature ranges ×10－6／℃

由表8～10可知，在乳化瀝青用量相同時，不同水泥用量下水泥乳化瀝青穩定碎石試件的溫縮應變、溫縮系數及平均溫縮系數均產生了一定程度的變化.無論在高溫段還是低溫段，試件的平均溫縮系數均隨水泥用量的增加而呈先減小后變大的趨勢.當試件的平均溫縮系數達到最小值時，對應的水泥用量（4.0%）為最佳水泥用量.

2.4 水泥乳化瀝青穩定碎石溫縮機理分析

水泥乳化瀝青穩定碎石由固相、液相及氣相組成.固相、液相及氣相不同熱脹縮性的綜合作用組成了水泥乳化瀝青穩定碎石材料的外觀熱脹縮性.原材料顆粒中各種結晶體、礦物和集料，經化學作用生成的起膠結作用的結晶（Ca（OH）·nH2O，CaCO3）、水化產物結晶和凝膠（C－S－H，C－A－H 和C－A－S－H），以及乳化瀝青，這4大部分組成了干燥的水泥乳化瀝青穩定碎石.水泥水化反應與乳化瀝青破乳形成瀝青膜同時進行，水泥水化后產生大量膠結物，乳化瀝青在破乳過程中，瀝青微珠裹覆在集料表面形成1層瀝青薄膜，水化產物與瀝青薄膜既相互獨立又相互滲透，交織在一起形成網狀結構.一部分水泥水化產物深入到瀝青薄膜內部，扎根于集料表面；另一部分則插入集料表面的瀝青薄膜內，使得水化產物間的連接作用加強［9］.

水泥的水化產物在礦粉與瀝青薄膜間、瀝青薄膜與瀝青薄膜間、礦粉與礦粉間起到了“加筋”的作用，使得材料顆粒間的移動受阻.因此，乳化瀝青可以抑制水泥穩定碎石的溫度收縮，從而減少反射裂縫的產生［10－11］.

3 結論

（1）加入乳化瀝青后，水泥乳化瀝青穩定碎石的剛度介于柔性基層與半剛性基層之間，水泥與乳化瀝青充分發揮了各自的特點，對粒料的黏結性互補，從而形成了性能優良的新型復合材料.

（2）水泥穩定碎石與水泥乳化瀝青穩定碎石的平均溫縮系數均隨養護齡期的增加而增大.為準確分析水泥乳化瀝青穩定碎石的溫縮特性，使其充分水化，應選擇養護齡期為90d進行試驗.

（3）在水泥穩定碎石基層混合料中加入乳化瀝青，可以有效降低其溫度收縮，試件的溫縮應變、溫縮系數和平均溫縮系數均隨乳化瀝青用量的增加而減小.但乳化瀝青用量由2.5%增至3.0%時，試件的溫縮系數隨乳化瀝青用量增加而減小的趨勢減緩，這說明乳化瀝青用量不宜超過3.0%.

（4）水泥穩定碎石基層混合料的溫縮特性與水泥用量息息相關.隨著水泥用量的增加，試件的平均溫縮系數呈先減小后增大的趨勢.當平均溫縮系數達到最小值時，對應的水泥用量（4.0%）為最佳水泥用量.

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