水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面性能特點探索

曹飛

摘 要：乳化水泥瀝青砂漿路面中形成的骨架結(jié)構(gòu)，骨料之間緊密結(jié)合，在路面中水泥石和瀝青充分融合，形成內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)更充分，分布更均勻，能夠填滿整個碎石空隙，多余瀝青含量更極少，結(jié)構(gòu)結(jié)合充分，瀝青膜薄，各組成部分之間的粘聚力和凝聚力大大增強，形成這種路面強度較高，高溫穩(wěn)定性好，低溫抗裂性、水穩(wěn)性和耐久性都有所提高。

關(guān)鍵詞：水泥；乳化瀝青；貫入式；半剛性路面性能

中圖分類號：TU57+8.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0106-03

Abstract： The skeleton structure formed in the emulsified cement asphalt mortar pavement is closely combined with aggregates， and cement paste and asphalt are fully integrated in the pavement to form a more adequate spatial structure of the internal structure and a more uniform distribution， which can fill the entire gravel gap. The content of superfluous asphalt is less， the structural combination is sufficient， the asphalt film is thin， and the cohesion between the various components are greatly enhanced， thus forming this kind of pavement with high strength and good stability at high temperature. Finally low temperature crack resistance， water stability and durability are improved.

Keywords： cement； emulsified asphalt； penetration-type； semi-rigid pavement performance.

1 問題的提出

由于瀝青結(jié)合料所具有的粘彈塑性等特殊性能，致使瀝青路面的強度和流變性質(zhì)均受溫度影響。高溫時瀝青路面混合料會因粘度降低與集料顆粒間凝聚力減弱，表現(xiàn)出塑性，現(xiàn)在汽車超載嚴(yán)重、交通量大、部分專用車道設(shè)置等因素的影響，車轍、剝落、裂縫等成為瀝青路面初期病害的主要形式，據(jù)相關(guān)調(diào)查80%的瀝青路面運行初期出現(xiàn)車轍、裂縫，是道路損壞的頑疾，而解決一直不理想；而在降溫時，瀝青粘度會提高，變形能力大為降低，表現(xiàn)出脆性，由于收縮和外力作用下，瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力而導(dǎo)致開裂[1]。

為了克服瀝青路面病害成因，減少路面的早期破壞，文章從開發(fā)水泥-瀝青砂漿復(fù)合材料做為結(jié)合料的半剛性路面入手，使這種路面結(jié)構(gòu)具有剛?cè)岵?jì)的使用性能，發(fā)揮出半剛半柔性的力學(xué)特征，形成半剛性路面結(jié)構(gòu)。據(jù)調(diào)查以水泥-瀝青砂漿復(fù)合材料作為結(jié)合材料的半剛性路面性能較好，但是與以（改性）瀝青作為結(jié)合材料的柔性路面比較，現(xiàn)在的用量還是較少，主要原因是施工機械及工藝不成熟[1]。因此，為了進(jìn)一步研究開發(fā)推廣，對半剛性水泥乳化瀝青砂漿貫入式路面進(jìn)行研究成為亟待要解決的問題。

2 水泥乳化瀝青砂漿貫入式半剛性路面特點

水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面是把拌合的水泥、瀝青砂漿、撒入攤鋪好的級配碎石中滲透形成的一種路面結(jié)構(gòu)，其性能特點由材料本身的性能、瀝青含量、在路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)及施工工藝等因素決定，但是這種半剛性路面施工方法，在水泥乳化瀝青砂漿砂漿等形成的半剛性路面中形成緊密的骨架結(jié)構(gòu)，和其它施工工藝形成的半剛性路面中骨架結(jié)構(gòu)相比，這種新骨架結(jié)構(gòu)材料結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，強度較高等鮮明的特點。本研究僅針對水泥乳化瀝青砂漿貫入式半剛性路面性能的特點進(jìn)行研究[2]。

3 半剛性路面強度形成機理

水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面的強度形成主要由兩方面形成：一是碎石之間的摩擦力提供的強度；二是由水泥改性瀝青材料形成的粘聚力和凝聚力強度。

3.1 摩擦力提供的強度

在半剛性路面以往施工方法條件下，粗細(xì)集料先與瀝青結(jié)合料拌和，或者在集料空隙中的貫入瀝青乳漿，這些施工工藝使粗細(xì)集料周圍充滿膠結(jié)材料，經(jīng)過碾壓形成路面，在路面結(jié)構(gòu)中承重結(jié)構(gòu)形式有：“集料-瀝青-集料”或“集料-薄層水泥砂漿-集料”或“集料-乳化瀝青+薄層水泥石-集料”；而在新施工工藝情況下，粗集料先嵌擠鎖結(jié)，最小距離的接近，最大面積的接觸，骨架能提供的摩擦力達(dá)到最大，抗壓強度和抗剪切強度都高得多。因此，新施工工藝所做路面的抗車轍性能更好。這是新舊工藝的根本性區(qū)別[3]。

3.2 粘聚力和凝聚力提供的強度

水泥乳化瀝青砂漿貫入式半剛性路面由粘聚力和凝聚力提供的強度的形成包括水泥凝結(jié)和乳化瀝青粘合兩個環(huán)節(jié)，兩者均為物理化學(xué)反應(yīng)，而且形成過程中相互影響。

3.2.1 水泥水化

水泥水化反應(yīng)初期，水泥和水拌合后隨即發(fā)生水化反應(yīng)，通常在5分鐘內(nèi)釋放熱量速度達(dá)到最大值。在水泥中的硅酸鹽礦物和石灰膏溶于水生成鈣礬石，積累在水泥成分表面形成薄膜包裹層，延緩水泥繼續(xù)水化。由于水分的滲透壓力，水泥顆粒外的包裹膜逐漸破裂，內(nèi)部水泥繼續(xù)水化。在加水后的6h～8h時間段內(nèi)稱為水泥的凝結(jié)期。放熱速度繼續(xù)增大至高峰值，大約有15%的水泥相繼水化。終凝結(jié)束后水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行一段時間，生成的各種水化產(chǎn)物不斷地填充水泥砂漿結(jié)構(gòu)中的孔隙，使膠體更加密實，強度隨之增大[4]。

3.2.2 瀝青乳化破乳

乳化瀝青歸類于熱力學(xué)中的不穩(wěn)定體系，平衡最終是水油分離，破乳是反應(yīng)的最終結(jié)果。乳化瀝青與骨料拌和時的破乳可分為在骨料外表的破乳和乳化瀝青內(nèi)部的凝結(jié)破乳。乳化瀝青在骨料表面的破乳是乳化瀝青與骨料拌合后，由于材料分子的吸附（瀝青顆粒與骨料結(jié)合的力量，強度的形成的主要因素）和水份的擠出，許多瀝青分子相互凝聚，成為連續(xù)整體薄膜的過程；乳化瀝青自身的凝聚破乳是乳化瀝青中各種成分發(fā)生不可逆的聚結(jié)破壞，不同組成成分分離，使瀝青成為連續(xù)產(chǎn)物的過程。用于乳化瀝青破乳機理分析的理論主要有表面能理論、分子吸附理論和相吸相溶理論[5]。

3.2.3 結(jié)合料在強度形成中的作用

水泥水化產(chǎn)物對混凝土的“加筋”作用，水泥的水化產(chǎn)物與瀝青膠漿的相互作用最終形成了一種立體復(fù)合結(jié)構(gòu)，并裹覆在集料周圍，將集料緊密地結(jié)合在一起。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)向四周擴展充滿骨架空隙，既保證了混凝土具有足夠的強度，又防止高溫情況下瀝青軟化時混凝土集料的變形。因此，水泥乳化瀝青砂漿混合料的穩(wěn)定度、抗壓強度和抗車轍性能大大高于普通瀝青混凝土，這使水泥乳化瀝青砂漿施工工藝在半剛性路面中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

4 水泥乳化瀝青砂漿貫入式半剛性路面性能分析

4.1 強度和模量

道路在汽車荷載的反復(fù)作用下將在結(jié)構(gòu)中形成相應(yīng)的應(yīng)力和變形，如果結(jié)構(gòu)層的內(nèi)力超過材料的容許力量，那么道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會出現(xiàn)開裂或者其它破壞。如果結(jié)構(gòu)層的剛度不能支撐相應(yīng)的荷載要求，變形就會超過材料的最大可能應(yīng)變，道路同樣形成開裂或結(jié)構(gòu)變化值超過其容許值。

在水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面施工中產(chǎn)生的骨料間緊密結(jié)構(gòu)，不同骨料之間緊密結(jié)合提供大量的摩擦力，在同等汽車荷載作用下，與普通路面相比，水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面的強度最大，模量最高，抵抗破壞的能力也更強。

4.2 高溫穩(wěn)定性

在水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面施工中結(jié)構(gòu)骨架是車輛荷載的主要承受者和受力者，由于水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面施工工藝的特點，使結(jié)構(gòu)中水泥石和瀝青相互融合，形成細(xì)密的石石結(jié)構(gòu)，分布均勻，碎石空隙填充充分，結(jié)構(gòu)中瀝青結(jié)合料更薄，結(jié)構(gòu)骨料間的粘聚力和凝聚力都進(jìn)一步增強，與其它結(jié)構(gòu)類型的路面相比，該施工工藝使水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面結(jié)構(gòu)的各種強度進(jìn)一步增大，模量抵抗破壞的能力進(jìn)一步增高[4]。

4.3 低溫抗裂性

在一般瀝青路面中，瀝青抵抗路面抗裂能力的貢獻(xiàn)率為90%。在水泥乳化瀝青砂漿貫入式半剛性路面中，由于形成了緊密的石石骨架結(jié)構(gòu)，各種集料之間頂?shù)煤芫o，加上粗集料骨架結(jié)構(gòu)路面的溫縮系數(shù)小于一般骨架結(jié)構(gòu)路面，更小于普通瀝青路面。所以，與其它各種路面相比，在相同條件下水泥乳化瀝青砂漿貫入式半剛性路面出現(xiàn)低溫裂縫會最少，性能更穩(wěn)定，使用壽命更長[5]。

4.4 抗疲勞性

在水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面中，由于形成的石石結(jié)構(gòu)骨架類型，是荷載的主要支撐者和傳遞者，降低了其它材料的作用。這種作用的降低，一是承受的荷載減小，二是變形幅度的減小。對于抗疲勞性能來講，石石骨料結(jié)構(gòu)大大增強了抗疲勞性。因此，在同等施工狀態(tài)下水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面的抗疲勞性能將大大增強[7]。

5 結(jié)束語

水泥乳化瀝青砂漿半剛性路面在特殊施工工藝下形成了石-石骨架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)均勻，在路面結(jié)構(gòu)中水泥砂漿、粗骨料和瀝青融合充分，形成相互支持的空間結(jié)構(gòu)體系，能夠填滿整個碎石空隙，瀝青含量更少，結(jié)構(gòu)瀝青膜更薄，集料間的粘聚力和凝聚力都進(jìn)一步增強，從而使這種路面結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力更高，高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性、水穩(wěn)性和耐久性都有所提高，從而可以大大延長瀝青路面的使用壽命[10]。

參考文獻(xiàn)：

[1]林珂，岳強，張金玉.半剛性面層材料的研究概況[J].山東交通學(xué)院學(xué)報，2016（6）.

[2]高英，梁富權(quán).水泥-乳化瀝青混合料研究[J].公路，2007（8）.

[3]張思源，魏建民.水泥-乳化瀝青混合料配合比設(shè)計與施工技術(shù)研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2010（1）.

[4]高英，凌天青.水泥-乳化瀝青混合料性能測試方法研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2009（2）.

[5]徐培華，沙愛民.灌注式半剛性路面面層復(fù)合材料試驗研究[J].