水泥-陽離子乳化瀝青復合膠漿材料性能研究

何俊 章燦林

摘? 要：通過調配不同比例的水灰比和瀝灰比來研究復合膠漿的凝結時間及力學性能，采用旋轉粘度計測定不同瀝灰比在不同剪切速率下的表觀粘度，并通過賓漢姆模型得到塑性粘度和屈服應力來分析膠漿的流變性。結果表明：復合膠漿初凝和終凝時間都隨著水灰比和瀝灰比的增大而增長;復合膠漿力學強度隨水灰比的增加先增大后減小，隨瀝灰比的增大而下降，韌性隨著瀝灰比的增加而下降，為保證膠漿力學性能，水灰比宜為0.5，瀝灰比為0.4效果最佳;復合膠漿表現出剪切變稀的非牛頓流體特性。

關鍵詞：乳化瀝青;復合膠漿;凝結時間;力學性能;流變性

引言

傳統水泥基材料具有高早強、高彈性，耐久性好等優點，在建筑與土木工程中得到廣泛的應用，但是韌性不足，很容易在使用中出現開裂變形的現象。向水泥漿體中加入乳化瀝青可以有效提高膠漿的韌性，使得復合膠漿兼具水泥的剛性及瀝青的柔性，但復合之后的材料性能并不是簡單的兩者相加，而是通過一定的物理和化學反應有機的結合在一起。水泥-乳化瀝青復合膠漿是由水泥、乳化瀝青及各種添加劑復合而成的有機-無機復合材料，是一種多孔，多相材料。復合材料可利用水泥水化需水和乳化瀝青破乳釋水互補特性來增強材料的強度發展，具有互補性、節能環保、可施工性強等優點。目前復合膠漿廣泛應用于高速鐵路無砟軌道板結構作為填充材料，能夠起到支撐，調節、傳力，減震等良好作用[1]。

近年來，各地學者和研究人員對水泥-乳化瀝青膠漿性能進行了一定的研究，并取得不錯的進展和成果。唐子珂[2]通過研究發現，參加乳化瀝青后，復合膠漿的抗壓強度和抗折強度均呈下降趨勢，且摻量不超過50%才可以滿足工程需求。而李力等人[3]認為加入乳化瀝青后，隨著聚灰比的增加，膠漿的抗壓強度和抗折強度先增大后下降，同時也發現聚灰比越大，膠漿的凝結時間越長，阻礙了水泥的水化反應。潘碩等[4]通過研究得出乳化瀝青粉的加入能夠改善水泥砂漿的韌性，并且在不同試驗齡期下，復合砂漿的壓折比隨乳化瀝青粉摻量的提高大致呈下降趨勢。Atzeni等人[5]通過試驗研究了乳化瀝青的摻量、種類等對水泥-乳化瀝青復合膠漿屈服應力的影響，并且在此基礎上建立了屈服應力模型。

但通過文獻調研后，發現目前對水泥-乳化瀝青膠漿的研究仍存在一些問題與不足。比如，現有研究向水泥膠漿中加入瀝青對膠漿力學性能的影響仍未達成一致結論;另外，對復合材料的凝結時間研究較少，且大多數研究只對復合膠漿的凝結時間作為籠統性研究，并未分別對初凝和終凝時間進行系統性研究;最后，水泥-乳化瀝青復合膠漿的流變性與水泥凈漿及瀝青流變性有關，因兩種無機、有機膠凝材料的相互作用有所不同，但當前各地對于這方面的研究較少。

本研究選用陽離子乳化瀝青和快硬快凝硫鋁酸鹽水泥作為主要復合原材料，通過調配不同比例的水灰比和瀝灰比，來研究對復合材料初凝和終凝時間以及力學性能的影響規律，從而確定出最佳配合比。最后采用NXS-11B型旋轉粘度計測得不同瀝灰比下表觀粘度與剪變率的關系曲線，并通過賓漢姆模型得到塑性粘度和屈服應力來分析研究膠漿的流變性，對后續研究具有一定的理論與現實意義。

1原材料及試驗方法

1.1原材料

本文使用的特種水泥為杭州奧飛建材科技有限公司生產的快硬快凝硫鋁酸鹽水泥、廣州路潔經貿生產的PC-3中裂陽離子乳化瀝青。各原材料的技術指標見下表1-2

1.2試驗方法

復合膠漿材料的凝結時間試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規程》（JTG E30-2005）中的T 0505-2005維卡儀法進行，每組試驗水泥用量為500g，水灰比（W/C）分別選用0.2、0.3、0.4、0.5、0.6的比例，瀝灰比（A/C）選用0.4、0.5、0.6的比例進行試配。拌和順序為先將乳化瀝青與外加水倒入水泥凈漿攪拌機中，在規定時間內將稱量好的水泥加入乳化瀝青中，低速、高速分別攪拌120s。

復合材料的力學性能試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTG E30-2005中的相關測試方法進行。

流變性能試驗：按照試驗工況設計配合比準備原材料，攪拌時先將乳化瀝青、水和減水劑投入攪拌裝置中攪拌1min，再加入水泥慢速攪拌1min之后繼續快速攪拌1min，隨后采用NXS-11B型旋轉粘度計將攪拌裝置中的試樣倒入外筒至規定刻度線，將粘度計轉子放入外筒內，改變轉子轉速，記錄不同剪切速率下的刻度盤讀數。

1.3復合膠漿配合比

注：當瀝灰比（A/C）為0.5或0.6、水灰比（W/C）為0.4時，根據表2得知瀝青固體含量為55.2%，計算出來的乳化瀝青用水量大于設計的水灰比中的用水量，因此試驗無法進行。

2 結果與分析

2.1凝結時間

水泥-乳化瀝青膠漿是一種復合型材料，在某些特性上會同時具有水泥和瀝青的特點。水泥通過和水拌合形成漿體可以快速凝結硬化，從初凝演變成終凝。瀝青是一種有機膠凝材料，因此水泥-乳化瀝青膠漿也會凝結硬化，并且具有初凝和終凝之分，凝結時間會直接影響施工拌合和攤鋪，不宜過快，否則材料會過早硬化不利施工，也不宜過慢影響路面交通開放時間。本研究通過調控不同比例的瀝灰比和水灰比來測試膠凝材料的凝結時間，設計配合比見表3中A1～ A13，實驗結果見圖1、2。

由圖1實驗結果可知，在相同瀝灰比的條件下，復合膠漿的初凝時間和終凝時間都隨著水灰比的增大而延長，變化幅度較大，這表明水灰比的配合比對復合材料膠漿的凝結時間的影響較大。硫鋁酸鹽水泥是一種快硬型特種水泥，當水灰比從0.4調配到0.6，除了水泥自身水化所需水外，富余水量以自由游離的狀態分散于膠漿中。這些多余的水分填充在水泥產物表面及孔隙中稀釋漿體，這部分水將通過蒸發排出，延緩了復合膠漿的凝結時間。但是，水灰比不能過大，若漿體體系中含有大量自由水，將會導致材料的密度與強度下降，因為這些富余的游離狀態的水分通過蒸發排出，會在復合產物中形成分散的毛細通道和孔洞。因此在確定水灰比時，除了考慮對復合材料凝結時間的影響，還要綜合考慮其他因素。

由圖2試驗結果可知，在相同水灰比的條件下，復合材料的初凝和終凝時間總體隨瀝灰比的增加呈上升趨勢。當W/C=0.4時，瀝灰比從0.2調至0.3，復合膠漿的初凝時間和終凝時間上升緩慢;瀝灰比從0.3調至0.4時，復合膠漿的初凝和終凝時間上升較快。當W/C=0.5、W/C=0.6時，復合材料的初凝和終凝時間也是隨著瀝灰比的增加出現先上升緩慢后上升較快的現象。說明低瀝灰比對膠漿凝結時間影響較小，高瀝灰比對復合膠漿的凝結時間影響較大。在水泥-乳化瀝青膠漿中，乳化瀝青微滴首先向水泥顆粒表面聚集并且壓縮形成一層瀝青薄膜，阻礙水泥的水化反應，從而延長了凝結時間。隨著瀝灰比的增加，聚集在水泥顆粒表面瀝青增多從而導致壓縮形成的瀝青膜厚度變厚，促進了凝結時間的延長。

除此之外，研究發現，乳化瀝青中的乳化劑會延緩水泥的水化，并且陽離子乳化劑比陰離子乳化劑的緩凝作用更強。所以隨著瀝灰比的加入，復合材料中的乳化劑含量增加，更加阻礙了水泥的水化反應。除上述原因，本文還認為在制備陽離子乳化瀝青過程中通常加入鹽酸等將pH值調至2-3呈酸性，然后向乳化瀝青溶液中加入硫鋁酸鹽特種水泥，酸性環境阻礙了液相中鈣礬石的成核，導致鈣礬石結晶無法析出，膠漿中鈣礬石的濃度會一直處于穩定狀態，使得漿體無法正常凝結。

2.2力學性能

2.2.1抗壓強度和抗折強度

水泥-乳化瀝青復合材料作為道路坑槽修補材料，必須要求復合材料具有一定力學強度和力學性能，才能在服役中提高道路結構的耐久性和使用年限。通常用抗壓強度和抗折強度來作為復合材料力學性能的評價指標。本文主要調控水灰比和瀝灰比來研究復合膠漿4h的抗壓強度和抗折強度，從而對膠漿力學性能進行分析。試驗配合比見表3中A1-A3，試驗結果如圖3、4。

由圖3可知，在相同瀝灰比時，水灰比從0.4變化至0.6，復合膠漿的抗壓強度和抗折強度呈現出先上升后下降的趨勢且變化較為明顯。特別當W/C=0.5時，復合材料的力學強度達到峰值，效果顯著。

水泥-乳化瀝青復合膠漿的力學強度主要來自水泥水化后的產物形成空間網格結構。當W/C=0.4時，拌合用水量不足以完全與水泥進行水化反應，而乳化瀝青破乳需要一定的條件導致乳化瀝青中的含水量不能及時釋放，使得膠漿力學強度偏低;而W/C=0.5時，膠漿的力學強度上升并達到最大值，表明水灰比滿足水泥水化需要。繼續提高水灰比，抗壓強度和抗折強度均出現下降，說明復合材料中除了滿足水泥水化所需水外，富余水分會以水泡形式殘留于膠漿中。這些水分只能通過蒸發的方式從膠漿中排出，導致復合材料形成毛細多孔結構，降低了膠漿抵抗荷載的有效實際面積，使得膠漿的力學強度降低。由此可以看出，低水灰比和高水灰比都會影響膠漿的力學性能，當W/C=0.5時效果最佳。

圖4說明，在相同水灰比條件下，復合膠漿的抗壓強度和抗折強度隨著瀝灰比的提高而大致呈下降趨勢。當瀝灰比超過0.3時，折線下降幅度更大，因此瀝灰比不宜超過0.4。當瀝灰比增大時，膠漿中的乳化瀝青含量就增多，導致破乳之后的瀝青大量聚集在水泥顆粒表面形成致密的瀝青膜，阻礙了水泥水化產物三維空間網格結構的形成和發展。Wang 等通過研究發現膠漿中的瀝青膜通過包裹作用影響水分的內滲，會阻礙水泥的水化反應，導致膠漿的強度下降。除此之外，使用的陽離子乳化瀝青體系pH呈弱酸性，當水灰比一定時，加入的乳化瀝青越多，則體系弱酸濃度越高，對水泥水化起到延緩效果，導致早期強度未能快速形成，材料強度下降。

2.2.2韌性

在材料學中，韌性是表示材料抵抗裂紋產生和擴展的能力，是材料力學性能和變形性能的綜合體現。韌性越高，說明材料抵抗開裂變形的能力越強，對于提高結構耐久性有著至關重要的作用。一般用壓折比來表征復合材料的韌性，壓折比是復合材料抗壓強度和抗折強度的比值，壓折比越小則說明材料的柔韌性越好，抵抗外部作用變形的能力越強。試驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，在相同水灰比下，復合材料的壓折比隨著瀝灰比的增大而下降，表明乳化瀝青在材料體系中起到增柔作用且效果顯著。當W/C=0.5時，折線下降的幅度更大，說明該配合比對復合材料的壓折比影響較大，在調配不同瀝灰比時能夠快速提高復合材料的韌性;W/C=0.6時，瀝灰比在0.2-0.4變化范圍內，體系壓折比下降較快，當瀝灰比超過0.4，壓折比下降幅度開始變緩。綜合考慮3.1.1節力學強度研究成果及瀝灰比對壓折比影響，建議瀝灰比配比選用0.4效果最佳。

2.3流變性

水泥-乳化瀝青膠漿的流變性對于其工作性能、力學性能以及耐久性有著至關重要的作用。本研究在水灰比為0.5條件下通過調控不同瀝灰比對復合膠漿表觀粘度和屈服應力的影響，來探討乳化瀝青對膠漿流變性的影響，實驗結果見圖6。

由圖6（a）可知，在A/C=0.2-0.6時，復合膠漿表觀粘度隨著剪切速率的增大而下降后逐漸趨于平緩，表明復合膠漿是一種非牛頓流體并且呈現出剪切變稀的現象。另外，隨著瀝灰比的增大，膠漿表觀粘度也會增大。這是因為水泥-乳化瀝青復合膠漿是一種分散體系，當乳化瀝青增加時，體系中的分散相（水泥和瀝青）體積占比增大，水分占比減少，使得分散相顆粒間距減小結構更加緊密，導致分散相顆粒間的內摩擦阻力增大，表觀粘度增大。

由（b）可知，屈服應力和塑性粘度隨著瀝灰比的增大而逐漸增大，主要原因是在低瀝灰比條件下，標準稠度用水量要遠遠低于水灰比，因此膠漿流動性較好，屈服應力與塑性粘度較小，隨著瀝灰比逐漸增大，乳化瀝青中水分占比增大，外加水量減少，由于乳化瀝青破乳需要一定時間，所以乳化瀝青中的水分不能及時供給水泥水化，“瞬時有效水灰比”降低，水泥凝結時間縮短，流動性損失加快，產生較大的屈服應力與塑性粘度。除此之外，膠漿中的瀝青顆粒含量隨瀝灰比的增大而增加，從而增加了膠漿中的膠粒數量，使得水泥顆粒與瀝青顆粒間粘結形成更大的瀝青顆粒，從而改變粒徑分布、降低自由水含量，因此屈服應力與塑性粘度呈逐漸上升的趨勢。

3.結論

（1）水泥-乳化瀝青復合膠漿的初凝時間和終凝時間都分別隨著水灰比和瀝灰比的增大而延長。同時發現水灰比對膠漿凝結時間影響更大，變化較為明顯。復合膠漿的初凝和終凝時間隨著瀝灰比的增加先上升較緩后上升快速，低瀝灰比對膠漿凝結時間影響較小，高瀝灰比對復合膠漿的凝結時間影響較大。

（2）在相同瀝灰比下，在水灰比0.4-0.6變化范圍內，復合膠漿力學強度先增大后減小，W/C=0.5時達到力學強度峰值。在相同水灰比時，膠漿力學強度隨著瀝灰比的增加大致呈下降趨勢，為保證膠漿具有足夠的力學強度，瀝灰比不宜超過0.4。

（3）在相同水灰比條件下，復合膠漿的韌性隨著瀝灰比的增加而下降，但下降程度有所差異。綜合考慮膠漿力學強度與韌性影響因素，瀝灰比宜為0.4效果較好。

（4）水泥-乳化瀝青復合膠漿的表觀粘度隨瀝灰比的增加而增大，并且表現出剪切變稀的非牛頓流體特性。屈服應力和塑性粘度都隨瀝灰比的增大而逐漸上升。

參考文獻

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[3]? 李 力，熊出華，咸 淼.乳化瀝青改性水泥砂漿性能試驗研究[J].中外公路，2009，29（1）：238-241.

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[5]? ATZENI C，MASSIDDA，SANNA U. Comparison between rheological models for Portland cement pastes[J]. CemConer Res. 1985，15（3）：511-519.

作者簡介：何?。?994.10.06-），男，漢族，安徽省馬鞍山市人，碩士研究生，研究方向：土木工程先進材料。