橋面鋪裝用水泥乳化瀝青混合料早期性能研究

張志廳，于 華，陸 均

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

乳化瀝青混合料能夠改善施工條件、減少環境污染，主要用于路面養護和橋面鋪裝［1］。但施工后的乳化瀝青混合料需要較長時間才能達到開放交通要求，因此，向乳化瀝青混合料中摻加水泥是一種提高其強度的途徑［2-5］。水泥乳化瀝青混合料（Cement Emulsified Asphalt Mixture，CEAM）是一種以水泥和乳化瀝青作為膠結料的復合材料，與普通水泥混凝土相比提高了柔性，與乳化瀝青混合料相比提高了強度及剛性，兼有水泥混凝土和瀝青混合料的優點［6］。此外，乳化瀝青成膜后所釋放的水分可以被水泥水化利用，較好地解決了瀝青“憎水”和水泥水化“需水”間的矛盾，提高了水泥漿體與集料及乳化瀝青與集料界面性能，具有強度高、高溫穩定性好、施工能耗低以及和環境友好型等優點。

由于CEAM 中的水泥和乳化瀝青兩種膠結料性能差異大，兩者相容性較差，從而影響混凝土性能。近年來，國內外學者研究了水泥摻量、水泥和乳化瀝青質量比以及乳化瀝青種類等對CEAM 性能影響［7-9］。WANG 等［10］研究了乳化瀝青和水泥比例（Emulsified Asphalt to Cement，A/C）對兩種CEAM 性能的影響，結果表明CEAM 的工作性和抗壓強度隨A/C 比的提高而顯著降低；另外，含陰離子乳化瀝青的CEAM 工作性能高于含陽離子乳化瀝青的CEAM。TIAN 等［11］研究了CEAM 組分參數與其彈性模量之間的關系，研究結果發現A/C 是影響CEAM 力學性能的關鍵因素。LIU 等［12］研究了A/C 對CEAM 靜態和動態力學性能的影響，結果表明隨著A/C 提高，CEAM 的抗壓強度、彈性模量以及損耗因子呈下降趨勢。LIU 等［13］研究了SBS 和SBR 兩種陽離子改性瀝青對CEAM 工作性、氣體含量以及力學性能的影響，結果表明隨著A/C 提高，CEAM 工作性氣體含量以及力學性能隨之提高，而28 d 彈性模量呈現不同趨勢。近年來，研究主要集中在CEAM 中水泥用量、A/C 以及乳化瀝青種類對CEAM 路用性能的影響，鮮有研究涉及CAEM 早期強度發展。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）采用早強型硅酸鹽水泥（PO 42.5R），主要性能見表1。（2）乳化瀝青選用陰離子乳化瀝青，技術指標見表2。（3）細集料為天然河砂，細度模數為2.5。粗集料為5 ～10 mm 連續級配碎石，技術指標見表3。（4）外加劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為20%，含固量為35%，摻量為水泥質量1%。

表1 水泥技術性能

表2 乳化瀝青技術性能

表3 碎石技術性能指標

1.2 配合比設計

通過調整A/C，以研究乳化瀝青用量對新拌CEAM 早期力學性能和工作性的影響，試驗配合比見表4。

表4 CEAM 配合比設計

1.3 試驗方法

1.3.1 工作性能

依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30—2005）中要求，測試水泥乳化瀝青混合料凝結時間。

1.3.2 早期力學性能

依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTGE30—2005）中要求，測試水泥乳化瀝青混合料早期力學性能。每組成型6 個試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm 和150 mm×150 mm×150 mm，試件在20+2 ℃、相對濕度為90%的標準養護條件下，養護至規定齡期進行力學性能測試。

1.3.3 孔隙率測試

采用壓汞法（MIP）觀察CEAM 孔隙率和孔徑分布。將試樣養護至規定齡期取出破碎，避免選取表面區域樣品，將選好的塊狀砂漿置于酒精中終止水化預處理，試驗前置于105 ℃下烘干樣品，并置于干燥器中，試樣制備過程中避免用力敲擊樣品，以免造成微細裂縫影響試驗結果。

2 結果及討論

2.1 工作性

乳化瀝青用量對CEAM 工作性的影響見圖1，工作性包括流動性和可工作時間兩方面，流動性用拌合物的坍落度表征，可工作時間用拌合物的初凝時間表征。

圖1 CEAM 工作性能測試結果

由圖1 可知，在膠凝材料用量一定的情況下，CEAM 的坍落度和可工作時間隨乳化瀝青用量增加而提高，當A/B 值從0.3 提高到0.5 時，CEAM 坍落度提高了15.8%，可工作時間增加了112.5%。因為乳化瀝青用量增加使漿體總量增加，從而提高了坍落度，同時乳化瀝青用量的增加增大了對水泥顆粒的包裹厚度，阻礙了水泥的水化，使可工作時間延長。

2.2 早期力學性能

采用6 h 和28 d 抗壓強度、抗折強度、28 d彈性模量評價CEAM 早期力學性能，研究A/C 對CEAM 早期強度發展規律的影響。

2.2.1 抗壓強度

A/C 為 0.3、0.4、0.5 時，CEAM 的6 h 和28 d抗壓強度測試結果見圖2。

圖2 瀝青用量對CEAM 抗壓強度影響

由圖2 可知，隨著水化齡期延長，不同A/C對CEAM 抗壓強度提高規律基本一致，其中6 h 的CEAM 強度增長速率遠高于之后。（1）隨著瀝青用量增加，CEAM 抗壓強度出現降低趨勢，當A/C 為0.3時，CEAM 6 h 抗壓強度為24.6 MPa，當A/C 為0.5 時，其抗壓強度降低了24.8%。（2）當A/C 為0.3 時，CEAM 28 d 抗壓強度為28.7 MPa，當A/C 為0.5 時，其抗壓強度降低了22.9%。結果表明隨乳化瀝青增多，試件抗壓強度呈現不斷降低趨勢。

2.2.2 抗折強度

當A/C 為0.3、0.4、0.5 時，CEAM 的6 h 和28 d抗折強度測試結果見圖3。可知，水泥乳化瀝青混合料抗折強度隨乳化瀝青摻量增加而增加。（1）當A/C為0.3 和0.4 時，CEAM 抗折強度變化趨勢基本一致，而當A/C 為0.5 時，CEAM 抗折強度出現大幅度降低，且水化齡期6 h 前抗折強度波動很大。（2）當A/C為0.3 時，CEAM 6 h 抗折強度為5.1 MPa，當A/C 為0.5 時，其抗折強度降低了25.5%。（3）當A/C 為0.3時，CEAM 28 d 抗折強度為5.7 MPa，當A/C 為0.5時，其抗折強度降低了28.1%。因為乳化瀝青用量增加，CEAM 漿體內瀝青對水泥顆粒包裹數量和瀝青膜厚度增加，阻礙水泥水化反應。當乳化瀝青用量適量增加時（A/C 為0.4），水泥顆粒部分和瀝青接觸，另外部分與水相接觸，發生水化反應，此時對強度影響較小；當乳化瀝青用量超過一定值時（A/C為0.5），瀝青完全包裹水泥顆粒，阻止水泥顆粒與漿體中自由水接觸，水泥水化初期只能與瀝青成膜后排出的水發生反應，水泥顆粒并未完全水化，因此，對早期的力學性能影響較為明顯，并且隨著乳化瀝青用量增加，漿體內部引入的原生缺陷隨之增加，從而導致后期力學性能出現降低，故CEAM 的A/C值在0.4 左右較為合適。

2.2.3 壓折比

當A/C 為 0.3、0.4、0.5 時，CEAM 的6 h 和28 d壓折強度測試結果見圖4。可知，A/C 為0.3 和0.4的試件，其壓折比基本一致，表明當A/C 低于0.4 時，試件韌性變化幅度不大。而CEAM-3 試件的6 h 和28 d 壓折比分別為4.8 和5.3，即當A/C 為0.5 時，試件壓折比達到最佳值。

圖3 瀝青用量對CEAM 抗折強度影響

圖4 水泥乳化瀝青混合料壓折比測試結果

2.2.4 彈性模量

瀝青混合料28 d 彈性模量測試結果見圖5。可知，隨著乳化瀝青用量增加，CEAM 彈性模量逐漸降低。例如，CAEM-1 的28 d 抗壓模量為25.1 GPa，而CAEM-2 和CAEM-3 抗壓模量分別為2.50 GPa 和1.57 GPa。結果表明，試件28 d 彈性模量隨乳化瀝青摻量增多而降低，水泥乳化瀝青具有良好的變形能力。因為乳化瀝青殘留物水泥和集料與其相互纏繞在一起，在漿體內部形成空間網絡結構，當這種結構受到外部激勵荷載作用時，漿體內部通過空間網絡結構連接、相互牽制形成一個統一整體，共同應對外部激勵。

圖5 水泥乳化瀝青混合料28 d 彈性模量測試結果

2.3 孔結構分析

不同乳化瀝青用量的CEAM 6 h 和28 d 水化齡期的孔隙率和孔徑分布見圖6、圖7。

圖6 水泥乳化瀝青混合料孔隙率測試結果

圖7 水泥乳化瀝青混合料孔徑分布

可以看出，乳化瀝青用量增加，CEAM 總孔隙率增加，當A/C 從0.3 增加到0.5 時，水化齡期為28 d的 CEAM 總孔隙率由0.023 9 ml/g 增加到0.085 8 ml/g。對于瀝青用量相同的CEAM試樣，隨著水化齡期延長，漿體內部孔隙率降低。隨著乳化瀝青用量增多，有害孔（50 ～200 nm）和多害孔（＞200 nm）數量逐漸提高，而少害孔（20 ～50 nm）和無害孔（＜20 nm）數量降低。表明過高的乳化瀝青用量對水泥乳化瀝青砂漿的孔結構存在不利的影響。因為CEAM 漿體內部水分因參加水化反應或蒸發作用會在漿體內部形成“空位”，影響漿體內部的孔結構；隨著水化反應的進行，生成水化產物的量逐漸增多，這些水化產物會填充漿體內部的部分孔隙，因此出現孔隙率和平均孔徑降低的現象，當提高瀝青用量后，會增加漿體黏度，因此在拌和與成型過程中引入的氣泡不易排出，從而對漿體的孔結構產生不利的影響。

3 結語

（1）A/C 對新拌CEAM 早期力學性能和工作性影響是有限的。當A/C 為0.3 和0.5 時，拌合物工作性較差，CEAM 漿體黏度差導致沉降和分層，故建議A/C 為0.4。（2）水泥乳化瀝青混合料抗壓強度和抗折強度隨A/C 增加而降低，乳化瀝青摻量越多，越不利于混合料強度形成。（3）加入乳化瀝青后，CEAM 的強度形成與乳化瀝青破乳成膜和水泥顆粒水化相互作用，而CEAM 變形能力主要與乳化瀝青形成連續的互相交織纏繞形成互穿網絡結構有關。當A/C 為0.5 時，試件壓折比和彈性模量達到最低值，即擁有較好的變形能力。（4）乳化瀝青成膜后所釋放的水分被水泥利用，解決了瀝青“憎水”和水泥水化“需水”間的矛盾，提高了水泥漿體與集料及乳化瀝青與集料界面性能，實現CEAM“剛柔并濟”。