乳化瀝青改性水泥混凝土力學性能研究

張曉強

(鄭州路橋建設投資集團有限公司 河南鄭州 450016)

0 引 言

水泥混凝土由于具有強度高、承載力強、板體性好等優點，廣泛用于道路及機場路面中，但其也存在一些不足，如脆性大，重載下易產生開裂等，因此，改善水泥混凝土的柔性成為了許多研究學者們的重點課題.

近年來，研究學者致力于聚合物改性水泥混凝土方面的研究取得了一些成果.如熊劍平等[1-3]采用SD622S羧基丁苯乳液聚合物水泥混凝土進行改性，研究了聚合物改性水泥混凝土的機理，并根據室內路用性能和鋪筑試驗路對聚合物改性水泥混凝土的各方面性能進行了測試與驗證；帥立輝[4]依托實體工程對聚合物改性多孔水泥混凝土的施工工藝和質量控制進行了分析，并對所鋪筑道路工程的各方面性能進行檢測，發現聚合物改性水泥混凝土的各方面性能良好.乳化瀝青作為一種多聚物，與膠凝材料水泥一起用于道路路面材料方面已有較多的研究， 如水泥乳化瀝青混合料與乳化瀝青水泥混凝土兩種非常典型的路面材料[5-6].對于乳化瀝青摻入水泥混凝土中能否改善水泥混凝土脆性大、易開裂的問題，一直以來都是一個值得研究的課題.

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料技術性能

原材料的性能直接決定了混凝土各方面路用性能的好壞，試驗用原材料主要由乳化瀝青、水泥及集料組成.

1.1.1乳化瀝青

采用實驗室自制陽離子慢裂快凝型乳化瀝青，實測各性能指標都能滿足文獻[7]要求,見表1.

表1 乳化瀝青技術性能

1.1.2水泥

試驗用水泥選擇某水泥有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其基本技術參數見表2.

表2 水泥技術性能

1.1.3集料

試驗用粗集料選用粒徑在3～25 mm的石灰巖碎石，細集料選用河沙，其粗細集料技術性質都能滿足文獻[7]要求，具體見表3.

表3 集料的技術性質

1.1.4添加劑

試驗用到的添加劑主要是消泡劑和減水劑兩種，其中消泡劑采用淡黃色KR-XP96高性能工業消泡劑，其作用主要是消除水泥混凝土拌和過程中產生的氣泡，可起到改善混凝土試件成型后的密實度，減輕混凝土受力時的應力集中，以及提高混凝土的強度的作用，具體性能指標見表4；減水劑選用摻量在0.1%～0.3%范圍內的液態高效減水劑，主要性能指標見表5.

表4 KR-XP96高性能工業消泡劑性能指標

表5 高效減水劑性能指標

1.2 室內試驗方法

1.2.1實驗室用配合比

參考水泥混凝土的級配設計擬定了試驗用配合比，見表6.

表6 集料合成級配

本試驗中水泥混凝土的各用料，質量比為水泥∶砂∶石子=388.9∶622.4∶1 263.7，水灰比為0.45，砂率為33%，乳化瀝青的摻加方式是以乳化瀝青有效成分占水泥質量的0%,5%,10%,15%試驗時保持水灰比不變，總的用水量為外摻用水量和乳化瀝青中所占水量之和.

1.2.2試驗方法

首先按比例拌制水泥凈漿及摻不同比例的乳化瀝青水泥凈漿，通過凝結時間測定儀分別測定四種凈漿的初凝時間和終凝時間；然后分別測試混凝土的抗壓強度、抗折強度和疲勞性能，按照文獻[8]中的方法分別成型抗壓強度100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度和疲勞試件100 mm×100 mm×400 mm，在成型試件時，為防止乳化瀝青盡早破乳，在拌和過程中最后加入乳化瀝青快速拌制后迅速入模，成型時首先用搗棒振搗，然后在振動臺上振動成型，成型試件后將試件連同試模放入養生室在標準條件下進行養生，經養護48h后脫模，并將脫模后的試件繼續在養生室中養護至28d后進行強度和疲勞性能測試，并將試驗結果與不摻乳化瀝青的水泥混凝土基準試件做對比.

2 試驗結果分析

2.1 乳化瀝青水泥凈漿凝結時間的測定

水泥的凝結時間對水泥混凝土的強度發展有著重要的影響，在剛性的水泥混凝土中摻入柔性的乳化瀝青后勢必會對水泥混凝土的強度發展起有一定的影響，因此，本文擬通過研究乳化瀝青對水泥凈漿的凝結時間的影響間接評價了乳化瀝青對水泥混凝土強度的影響.試驗結果見圖1.

圖1 不同乳化瀝青摻量對水泥凈漿凝結時間的影響規律

由圖1可知，初凝時間和終凝時間均隨著乳化瀝青用量的增加而增加，特別是摻5%的乳化瀝青用量時增長幅度最大，再繼續增加乳化瀝青摻量，增長幅度趨于平緩，對凝結時間的作用不顯著.與普通水泥凈漿相比較，摻5%乳化瀝青后初凝時間延遲了85 min，終凝時間延遲了65 min，當乳化瀝青摻量增加至15%時初凝時間延遲了109 min，終凝時間延遲了118 min.主要由于在水泥中摻入乳化瀝青后，水泥的水化促進了乳化瀝青的破乳，乳化瀝青的破乳供給了水泥水化反應所需的水分，在此過程中破乳后的乳化瀝青吸附或者包裹了水泥顆粒，從而導致了水泥凈漿的凝結時間發生了延遲.

2.2 抗壓與抗折強度

按照文獻[8]中的試驗方法分別對養生28 d的混凝土試件進行抗壓和抗折強度試驗，抗壓強度測試采用壓力試驗機(見圖2)，試驗機加載速率為0.5 MPa/s，得到了加載時的最大荷載值，試驗時并采用千分表記錄試件至破壞時的撓度值；抗折強度選用MTS萬能試驗機(見圖2)加載速率為50 mm/min，得到了荷載最大值與其對應的最大位移變形值.以研究不同乳化瀝青用量對其混凝土強度及脆性產生的影響，試驗結果見圖3～4.

圖2 抗壓與抗折強度試驗圖

圖3 不同乳化瀝青摻量對混凝土抗壓強度及撓度的影響規律

由圖3可知，隨著乳化瀝青摻量的增加，抗壓強度逐漸減小，與普通水泥混凝土相比，添加了5%，10%，15%的乳化瀝青時混凝土抗壓強度分別減小了34.23%，42.82%，52.66%，表明摻量5%時降低幅度最大，隨后降低幅度有所減小并趨于緩和，混凝土的撓度變形逐漸增加，說明乳化瀝青作為一種柔性材料加入到剛性的水泥混凝土中，削弱了水泥混凝土的剛性，提高了其柔性，降低了脆性.

圖4 不同乳化瀝青摻量對混凝土抗折強度及位移的影響規律

由圖4可知，隨著乳化瀝青摻量的逐漸加入，乳化瀝青改性水泥混凝土的抗折強度大幅度降低，5%，10%和15%乳化瀝青摻量時的混凝土抗折強度分別比未摻乳化瀝青時降低了1.57%，6.46%和11.17%，可看出5%摻量時對混凝土抗折強度的影響還不是很明顯，10%摻量時降低的程度就已經很明顯了.另外，隨乳化瀝青摻量增加，試件破壞時產生的位移變形量逐漸增加，摻量為5%，10%和15%時的混凝土破壞變形量分別比未摻時增加了5.77%，13.12%和34.31%，說明乳化瀝青可以改善混凝土的柔性，提高混凝土的破壞變形.

壓折比也稱脆度系數，其在一定程度上表征了混凝土的脆性，其值越大，脆性越大[9-10].由表8中壓折比的數據可看出，隨著乳化瀝青摻量的增加，水泥混凝土的壓折比逐漸降低，與未摻乳化瀝青的普通水泥混凝土相比，乳化瀝青摻量為5%，10%，15%的混凝土壓折比分別降低了33.17%，38.81%，46.77%.說明一定量的乳化瀝青能夠明顯降低水泥混凝土的脆性，提高混凝土的柔性變形性能.

2.3 疲勞性能

試驗采用MTS810萬能材料試驗機對養生28 d的乳化瀝青改性水泥混凝土試件進行四點彎曲疲勞加載試驗(見圖5)，試驗采用應力控制模式，加載頻率采用10 Hz，選用0.60，0.65，0.70，0.75和0.80等五種應力比，每組設置3個平行試件，算取3組試驗的平均值.試驗結果見表7.

圖5 乳化瀝青改性水泥混凝土四點彎曲疲勞加載試驗圖

表7 乳化瀝青改性水泥混凝土試件四點彎曲疲勞試驗結果

由表7的疲勞試驗結果，按照應力控制模式下的疲勞壽命方程(1)對不同乳化瀝青摻量下的水泥混凝土疲勞壽命進行回歸擬合分析[11-12]，獲得了各混凝土的疲勞壽命方程曲線(見圖6)，并通過回歸分析計算得到了疲勞方程的回歸分析參數見表8.

lgNf=K+n(σ/S)

(1)

式中：lgNf為疲勞壽命；K為應力、疲勞壽命對數曲線的截距；n為應力、疲勞壽命對數曲線的斜率；(σ/s)為應力比.

圖6 應力控制模式下乳化瀝青改性水泥混凝土疲勞壽命回歸分析

表8 乳化瀝青改性水泥混凝土疲勞方程回歸分析參數表

由圖6和表8可知，無論是水泥混凝土還是摻了乳化瀝青的改性水泥混凝土，其疲勞壽命方程相關系數都在0.95以上，說明此疲勞壽命方程能夠較好的預測混凝土在不同應力比下的疲勞壽命.在同樣的應力比下，與不摻乳化瀝青相比，摻了乳化瀝青后一定程度上提高了混凝土的疲勞壽命，且隨著乳化瀝青摻量的增加，其疲勞壽命也呈整體提升趨勢.也因此說明一定量的乳化瀝青能夠改善水泥混凝土的柔性，提高其可變形能力.

在疲勞壽命方程中，n是應力比與疲勞壽命曲線的斜率，其可用于表征應力比對混凝土疲勞壽命的影響，其絕對值越大說明混凝土疲勞壽命受應力比敏感程度愈大 .由表8的疲勞壽命方程回歸參數表可知，在四種混凝土中，未摻乳化瀝青的水泥混凝土的疲勞方程斜率最大，且隨著乳化瀝青摻量的增加，混凝土的疲勞壽命方程斜率逐漸減小，乳化瀝青摻量為15%時的混凝土的疲勞壽命方程斜率最小.說明了水泥混凝土由于自身的剛性和脆性使得混凝土的疲勞壽命受到了表現出很強的應力比敏感性，而乳化瀝青的摻入改善了混凝土的應力比敏感性.

3 結 論

1) 摻入一定量的乳化瀝青后凈漿的初凝時間和終凝時間均有較大幅度的延遲.

2) 摻入乳化瀝青可降低水泥混凝土的抗壓和抗折強度，但能提升混凝土的柔性變形能力.

3) 乳化瀝青能提高水泥混凝土的疲勞壽命，降低混凝土的脆性，改善混凝土的應力比敏感性.