水泥和乳化瀝青含量對水泥乳化瀝青混合料性能的影響

莊 偉，王 健，陳 賽，陳 昊

(山東省交通規劃設計院，山東 濟南 255000)

0 引言

水泥乳化瀝青混合物含有水泥、乳化瀝青和骨料，并在常溫下混合[1]。由于水泥和乳化瀝青具有不同的工程性能，因此水泥乳化瀝青混合物的性質介于水泥和乳化瀝青之間[2-3]。

水泥和乳化瀝青的含量對水泥乳化瀝青混合物的拉伸強度、耐磨性、壓縮強度等有著重要的影響。Oruc等[4]研究了水泥乳化瀝青混合料的耐磨性模量，得出水泥含量低于1%的水泥乳化瀝青混合料的彈性模量與熱拌瀝青的溫度相關性。Kavussi等[5]研究了水泥乳化瀝青混合料的疲勞性能，確定了不同水泥含量和溫度下混合料的疲勞壽命。Nejad等[6]分析了水泥乳化瀝青砂漿與磨碎的高爐礦渣(GGBS)和硅粉混合后的力學性能和疲勞性能，結果表明，硅粉可以提高混合料的抗壓強度和間接拉伸強度。 Niazi等[7]研究了添加水泥和石灰后用乳化瀝青就地冷再生混合物的性能，研究結果表明石灰的添加改善了混合物的馬歇爾穩定性、彈性模量、拉伸強度以及永久變形。

從當前研究現狀來看，對水泥乳化瀝青混合料的研究主要集中在常規性能和細觀結構特征上，水泥和乳化瀝青對混合物的性能影響尚未充分量化，缺乏對其他混合物性能的系統研究[8-10]。此外，對水泥乳化瀝青混合料性能的分析主要基于SEM獲得的細觀圖像，尚未對其細觀空隙結構進行研究[11]。鑒于此，本研究通過在室內試驗中改變水泥和乳化瀝青含量，系統評價水泥和乳化瀝青含量對水泥乳化瀝青混合料性能的影響。評估的性能包括間接拉伸強度、壓縮強度、彈性模量、水分敏感性、低溫彎曲、車轍、Cantabro磨耗和疲勞測試。通過掃描電子顯微鏡(SEM)和計算機斷層掃描(CT)獲得每種水泥乳化瀝青混合物的細觀特征和空隙結構，進一步分析和解釋混合物性能的變化。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

在實驗室制備乳化瀝青，主要技術參數見表1，試驗中水泥采用普通的硅酸鹽水泥(32.5R)，使用玄武巖作為骨料，其中砂當量為81.2%；堅固度為7%；磨光值為46；洛杉磯磨耗率22.2%；壓碎值為11.9%。試驗中使用的水泥乳化瀝青混合物的級配見表2。

表1 乳化瀝青主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of emulsified asphalt

表2 用于測試的礦物集料級配Tab.2 Mineral aggregate gradation used for testing

1.2 測試方案

根據現有研究成果[12-13]，已經在乳化瀝青含量分別為6%，7%，8%和9%，水泥含量為0%，2%，3%和4%情況下對水泥乳化瀝青混合料進行過測試，為了分析水泥和乳化瀝青含量對混合物性能的影響，試驗設計如下：(1)分析在水泥含量為3%時不同乳化瀝青含量(6%，7%，8%和9%)對混合物性能的影響。(2)分析在乳化瀝青含量為8%時不同水泥含量(0%，2%，3%和4%)對混合物性能的影響。根據ASTM C31，在20 ℃的溫度下將試樣在室內固化7 d。每個性能測試評估4個試樣，并將平均值作為測試結果。

1.3測試方法1.3.1機械性能測試

本次試驗可通過間接拉伸、壓縮和彈性模量測試來評估水泥乳化瀝青混合物的機械性能，分別進行間接拉伸強度試驗和抗壓強度試驗。

在間接拉伸強度試驗中，采用Marshal試樣，每個試樣的高度為(63.5±1.3) mm，直徑為 101.6 mm。 試驗溫度設定在20 ℃，試驗遵循標準試驗方法，按照ASTM D6931-17標準測定瀝青混合物的間接拉伸強度(IDT)[14]。

抗壓強度試驗中，采用直徑為100 mm，高度為100 mm的圓柱形進行試驗。試驗溫度設定在15 ℃，試驗按照瀝青混合料抗壓強度的標準試驗方法進行(ASTM D1074-17)[15]。

根據試驗結果，將抗壓強度P分為10個載荷階段，其中前5個載荷階段(0.1P，0.2P，0.3P，0.4P和0.5P)用作試驗載荷。試驗中每個試樣以2 mm/min 的速率從0加載到0.1P，并記錄試樣的變形L1。然后以相同的速率將每個試樣從0.1P釋放到0，并且在結束后30 s記錄變形L′1，并利用回彈變形ΔL1表示加載和釋放時試樣變形的差異。其余的載荷即0.2P，0.3P，0.4P和0.5P分別加載到試樣上，然后記錄加載和釋放時試樣變形Li(i=2～5)，并計算每個載荷的回彈變形ΔLi，最后根據方程式計算彈性的壓縮模量。以第5級負載為例，彈性壓縮模量為：

(1)

式中，E′為彈性的壓縮模量；P5為應用于試樣第5階段的載荷值0.5P；d為試樣的直徑；h為試樣的軸高；ΔL5為第5級負載的回彈變形。

1.3.2水分敏感性測試

混合物的水分敏感性可由凍融劈裂試驗得到，如式(2)所示可通過計算拉伸強度比(TSR)指數[16-17]來評估混合物的水分敏感性，試驗按照瀝青混合料、熱混瀝青的試驗方法(EN 12697-12—2008)進行。

(2)

式中，RT1為未經歷凍融循環的第1組試樣間接拉伸強度的平均值；RT2為凍融循環后第2組試樣的間接拉伸強度的平均值。

1.3.3低溫彎曲試驗

低溫彎曲試驗用于評估混合物的低溫特性, 試樣是從車轍板上切下的250 mm×30 mm×35 mm的棱柱。在萬能試驗機(UTM)中的3個點處加載試樣，其中兩個樞軸點的距離為200 mm，試驗溫度設定為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。由式(3)～式(5)分別計算彎曲拉伸強度RB，梁底部的最大彎曲應變εB和失效時的彎曲蠕變剛度SB。試驗按照公路瀝青及瀝青混合料試驗規范(JTJ052—2000)進行。

(3)

(4)

(5)

式中，b為截面的寬度(30 mm)；h為截面的高度(35 mm)；L為樞軸間距(200 mm)；d為失效時試樣的中跨偏轉。

1.3.4Cantabro磨耗試驗

Cantabro磨耗試驗[18]用于評估混合物在沖擊載荷下的抗磨性能，將標準Marshall試樣(每側壓實50次)置于水箱中，并控制水箱溫度為(15±0.5) ℃。然后取出試樣，稱得質量為m0，并對試樣進行洛杉磯磨耗試驗。洛杉磯磨耗試驗設備以30～33轉/min的速度旋轉300次，在完成測試后稱取最大的殘留試樣質量為m1，然后可以通過式(6)計算Cantabro損失。

(6)

式中，ΔS為瀝青混合物的Cantabro損失；m0為試驗前試樣的質量；m1為試驗后殘留試樣的質量。

2 機械性能測試結果

2.1 間接拉伸強度

如圖1(a)所示為水泥含量為3%時，乳化瀝青含量對混合物間接拉伸強度的影響，如圖1(b)所示為乳化瀝青含量為8%時，水泥含量對混合物間接拉伸強度的影響。

圖1 水泥和乳化瀝青含量對間接拉伸強度的影響Fig.1 Influence of cement and emulsified asphalt contents on indirect tensile strength

從圖1中可以看出，隨著水泥和乳化瀝青含量的增加，混合物的間接拉伸強度先增大后減小。在水泥含量為3%且乳化瀝青含量為8%時，水泥-乳化瀝青混合物的間接拉伸強度達到峰值約為0.9 MPa。

2.2 抗壓強度

水泥和乳化瀝青含量對混合物抗壓強度的影響如圖2所示。當水泥含量為3%(圖2(a))時，隨著乳化瀝青含量的增加，混合物的抗壓強度先增加后降低，在乳化瀝青含量為8%時最大壓縮強度約為4.3 MPa，且水泥含量從0%增加到3%時混合物的抗壓強度明顯增加(圖2(b))。當水泥含量為0%時，混合物的抗壓強度約為3.1 MPa。當水泥含量分別為2%和3%時，混合物的抗壓強度迅速增加至約3.9 MPa和4.3 MPa。當水泥含量達到4%時，混合物的抗壓強度略有下降。

圖2 水泥和乳化瀝青含量對抗壓強度的影響Fig.2 Influence of cement and emulsified asphalt contents on compressive strength

2.3 彈性模量

圖3為20 ℃時水泥和乳化瀝青含量對混合物彈性模量的影響，在水泥含量為3%時，隨著乳化瀝青含量的增加，彈性模量先增加后降低(圖3(a))，在乳化瀝青含量為8%時，彈性模量達到峰值約為1 120 MPa，且隨著水泥含量的增加，水泥乳化瀝青混合料的彈性模量逐漸增加(圖3(b))。 當水泥含量為0%時，彈性模量約為700 MPa；當水泥含量為2%時，彈性模量增加至約960 MPa；當水泥含量達到3%時，彈性模量接近最大值約1 150 MPa。

圖3 水泥和乳化瀝青含量對靜態彈性模量的影響Fig.3 Influence of cement and emulsified asphalt contents on static elastic modulus

3 路用性能測試結果

3.1 水分敏感性

圖4為混合物在不同乳化瀝青和水泥含量下的拉伸強度比(水分敏感性的量度)，本次采用凍融劈裂試驗來評價水泥乳化瀝青混合物的水分敏感性。從圖4(a)可以看出，乳化瀝青含量的增加導致拉伸強度比的增加，部分是由于骨料被乳化瀝青完全包裹以及空隙填充效果引起的。圖4(b)為乳化瀝青含量為8%時，不同水泥含量下混合物的拉伸強度比，加入水泥可大大提高混合物的水分敏感性。當水泥含量為0%時，拉伸強度比小于70%，而當水泥含量為3%時，拉伸強度比增加至約85%。

圖4 水泥和乳化瀝青含量對拉伸強度比的影響Fig.4 Influence of cement and emulsified asphalt contents on tensile strength ratio

3.2 高溫穩定性

通過車轍試驗，評價水泥和乳化瀝青含量對水泥乳化瀝青混合料高溫穩定性的影響。如圖5(a)所示，當水泥含量為3%時，混合物的高溫抗車轍性隨著乳化瀝青含量的增加而降低。具體而言，在乳化瀝青含量為9%時，動態穩定性顯著低于乳化瀝青含量為8%時的動態穩定性。該現象主要是因為乳化瀝青用量的增加導致在重復加載和高溫的共同作用下，高溫車轍阻力出現了明顯下降。

圖5 水泥和乳化瀝青含量對耐高溫車轍的影響Fig.5 Influence of cement and emulsified asphalt contents on high temperature rutting

如圖5(b)所示，當乳化瀝青含量為8%時，混合物的高溫抗車轍性在水泥含量增加后表現出更好的性能，從而增加了動態穩定性并減小變形深度。當水泥含量為3%時，動態穩定性達到6 715次/mm，因為水泥降低了混合物的溫度敏感性，提高了瀝青砂漿的高溫黏度，從而提高了混合物的高溫變形抗力。

3.3 低溫特性

為了驗證混合物在低溫下的抗裂性，進行最大彎曲應變和彎曲蠕變剛度(低溫性能測量)試驗。通常，較大的最大彎曲應變和較小的彎曲蠕變剛度值與較好的低溫抗裂性相關。如圖6～圖8所示為在-10 ℃下，乳化瀝青含量為8%，水泥含量為3%的情況下，混合物的彎曲拉伸強度，最大彎曲應變和彎曲蠕變剛度。

圖6 水泥和乳化瀝青含量對彎曲強度的影響Fig. 6 Influence of cement and emulsified asphalt contents on bending strength

圖7 水泥和乳化瀝青含量對最大彎曲應變的影響Fig.7 Influence of cement and emulsified asphalt contents on maximum bending strain

圖8 水泥和乳化瀝青含量對彎曲蠕變剛度的影響Fig.8 Influence of cement and emulsified asphalt contents on bending creep stiffness

在水泥含量為3%時，乳化瀝青含量的增加導致水泥-乳化瀝青混合物的彎曲拉伸強度和最大彎曲應變的增加。同時，彎曲蠕變剛度表現出降低，表明乳化瀝青含量的增加可以顯著改善混合物的低溫抗裂性。

在乳化瀝青含量為8%時，當水泥含量從0%增加到4%時，混合物的彎曲拉伸強度先增加然后減小。最大彎曲應變減小，彎曲蠕變剛度增加，表明隨著水泥含量的增加，混合物的低溫抗裂性能下降，特別是在水泥含量高于3%時達到最大值。當水泥含量在2%和3%之間時，混合物的彎曲拉伸強度高，然而當水泥含量增加到4%時，混合物的剛性增加并且最大彎曲應變明顯降低。

3.4 耐磨性能

如圖9所示為水泥乳化瀝青混合料的Cantabro磨耗試驗結果。在水泥含量為3%時，乳化瀝青含量的增加導致混合物的耐磨性增加(圖9(a))。隨著乳化瀝青含量增加至8%，包裹在骨料周圍的瀝青薄膜變稠，從而改善了試樣的完整性和黏結性，并使混合物的Cantabro損失保持在20%以下。在乳化瀝青含量為8%時，不同水泥含量下混合物的Cantabro損失如圖9(b)所示，隨著水泥含量從0%增加到4%，混合物的Cantabro損失先降低然后略有增加。

圖9 水泥和乳化瀝青含量對耐磨性的影響Fig.9 Influence of cement and emulsified asphalt contents on wear resistance

4 掃描電子顯微鏡(SEM)和計算機斷層掃描(CT)結果

根據每個試樣的掃描電子顯微鏡和CT掃描圖像，從材料的細觀結構角度進一步分析了水泥和乳化瀝青含量對水泥乳化瀝青混合料力學性能和路用性能影響。

在乳化瀝青中添加水泥后，瀝青砂漿的黏度增加，可加工性降低，如圖10所示分別為普通瀝青混合物和水泥乳化瀝青混合物(3%水泥，8%乳化瀝青)的SEM圖像。從圖像中可以看出，盡管來自瀝青破乳的水分為水泥水化提供了必要的水分，但是與普通瀝青混合物相比，水泥乳化瀝青漿料的表面在硬化后不光滑，并且表現出許多看起來不均勻的突起。另外，漿料內部也形成許多孔，從而導致整體結構松散。

圖10 SEM圖像(500x)Fig.10 SEM images (500x)

如圖11、圖12所示，以2 mm的間隔對試樣進行CT掃描，其中空隙顯示為白色，混合物顯示為黑

色。可以發現當乳化瀝青含量為8%和水泥含量為0%(圖11(a))，2%(圖11(b))和3%(圖11(c))時，混合物的空隙率差異較小，平均值約為4.2%。隨著水泥含量增加至4%，混合物的空隙率增加至5.08%，且大孔的數量明顯變多，之所以出現這種情況主要是因為水泥含量的增加使得瀝青砂漿的黏度增大，從而導致混合物成形后的流動性差。在試驗中該混合物表現出較差的可加工性并且難以混合和壓實，在最終混合物中留下更多的空隙。因此，水泥乳化瀝青混合物中水泥的量不應超過3%。

細觀空隙結構的差異也可以解釋為什么當水泥含量超過3%時，混合物的間接拉伸強度、壓縮強度和彈性模量不會隨著水泥含量的增加而增加。一般來說，混合物的機械強度與空隙率密切相關，較大的空隙率導致機械強度降低。另外，水泥含量的增加導致AFt的增加，這部分有效地補償了抗壓強度和彈性模量的降低。當水泥含量為4%時，混合物的空隙結構增加也進一步加劇Cantabro損失，同時混合物的疲勞性能也隨之降低。

圖11 具有不同水泥含量的水泥乳化瀝青混合物的CT圖像Fig.11 CT images of cement emulsified asphalt mixtures with different cement contents

圖12 具有不同乳化瀝青含量的水泥乳化瀝青混合物的CT圖像Fig.12 CT images of cement emulsified asphalt mixtures with different emulsified asphalt contents

圖13 水泥乳化瀝青混合物的水泥水化(3 000x)Fig.13 Cement hydration of cement emulsified asphalt mixture (3 000x)

此外，如圖13所示當混合物中的水泥含量相對較高時，AFt生長并穿透瀝青膜，分離連續瀝青膜，因此難以形成整體空間網絡。由于瀝青填料和不利于水合作用的酸性環境，水泥在混合物中沒有充分水合。AFt不能充分形成使用硬化水泥砂漿作為其空間框架的結構，導致水泥乳化瀝青混合物沒有完整的網格結構來承受壓縮載荷，進而導致抗壓強度降低。

通過試驗發現，乳化瀝青在黏合骨料和填充混合物的空隙中起到重要作用。從圖12的CT圖像可以看出，隨著乳化瀝青量的增加，混合物的空隙率逐漸降低。顯然與熱拌瀝青一樣，乳化瀝青也具有最佳含量，當含量太低時乳化瀝青的量不足以使水泥黏合、填充和水合，從而限制混合物強度。當含量超過最佳百分比時，過量的乳化瀝青完全包裹水泥顆粒并限制水泥的水合作用，導致混合物的機械性能降低。另外，混合物中空隙的細觀結構也影響混合物的路面性能。

5 結論

(1)水泥和乳化瀝青含量的變化對水泥乳化瀝青混合料的強度特性有著顯著的影響。當水泥含量為3%，乳化瀝青含量從6%增加到9%時，間接拉伸強度、壓縮強度和彈性模量先增加然后減小。在乳化瀝青含量為8%時，水泥含量從0%增加到4%時，間接拉伸強度先增加后減小。當水泥含量約為3%時，壓縮強度和彈性模量達到最大值。

(2)水泥的加入有效提高了水泥乳化瀝青混合料的高溫穩定性和水分敏感性，但不利于混合料的低溫性能。在水泥含量為2%～3%時觀察到最佳的混合物耐磨性。

(3)在水泥乳化瀝青混合物中，水泥與瀝青破乳后的水分進行反應。AFt與瀝青薄膜交織形成網格結構，提高了混合物的水分敏感性和高溫穩定性。