水泥對改性乳化瀝青混合料水穩定性影響研究

吳鵬飛

(通號工程局集團建設工程有限公司， 湖南 長沙 410000)

改性乳化瀝青作為一種節能環保、經濟高效的路用瀝青材料，其形成的改性乳化瀝青混合料與熱拌瀝青混合料相比具有施工速度快、養生時間短、成本較低的優點；但其水穩定性相對較差，只能用于較低等級公路的中下面層或基層，這嚴重阻礙了改性乳化瀝青的應用與推廣[1]。隨著我國對耐久性瀝青路面的急切需求，如何提高改性乳化瀝青混合料的水穩定性成為相關研究中重要的一項工作[2]。

2015年李科成等[3]在乳化瀝青混合料中加入水泥后，發現乳化瀝青迅速破乳并在水泥、水化物、瀝青膜間形成了穩固的網狀結構，成功解決了單純乳化瀝青混合料在破乳后分散的現象，且混合料的力學性能和路用性能與乳化瀝青用量成反比，而與水泥用量成正比。2017年秦先濤等[4-5]分析了含纖維水泥乳化瀝青混合料的路用性能與微觀結構的相互關系，研究表明纖維含量在0.5%時其相互纏繞程度增強，各材料間的相互作用機理可用時間發展規律描述，進一步提出了水泥乳化瀝青復合材料粘彈性能的模擬表征方法。2018年王軍[6]通過彈性模量試驗、蠕變試驗進行加水泥前后乳化瀝青混合料性能的對比研究，確定了水泥乳化瀝青混合料在一定荷載作用下彈性模量、抵抗永久變形的能力顯著提高。2019年Wang等[7]系統地評價了水泥對乳化瀝青混合料力學性能的影響，指出水泥的加入顯著提高了乳化瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性，但對低溫性能有不利影響，并利用掃描電鏡(SEM)和計算機斷層掃描(CT)等微觀學試驗手段得出水泥乳化瀝青混合料的細觀孔隙結構是影響性能的主要因素。

目前國內外評價瀝青混合料水穩定性的試驗方法多種多樣，我國試驗規程中評價水穩定性的試驗方法為浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，另外部分學者在考慮水的動力影響因素下采用浸水車轍試驗，這些試驗方法主要針對熱拌瀝青混合料，且各具優缺點，是否適用于水泥-改性乳化瀝青混合料水穩定性評價有待考究[8-9]。

本研究在改性乳化瀝青混合料中加入水泥以期提高其水穩定性，并對上述水穩定性評價方法進行適用性分析，建立以動態模量為指標的水泥-改性乳化瀝青混合料水穩定性評價新方法。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

改性乳化瀝青為自制的陽離子慢裂快凝改性乳化瀝青，固含量達到62.5%，具體指標如表1所示。石料選用產于當地的石灰巖集料，粗集料針片狀顆粒含量和壓碎值分別為6.1%和14.4%，細集料的含泥量為0.80%，均滿足規范的使用要求。水泥為P·O32.5普通硅酸鹽水泥，由于本研究為初步探索水泥對改性乳化瀝青混合料水穩定性的影響，根據已有相關文獻研究成果確定水泥摻量為2%，基礎指標如表2所示。

表1 改性乳化瀝青性能指標檢測結果類別儲存穩定性/%蒸發殘留物性質1 d5 d蒸發殘留物含量/%針入度(25 ℃)/0.1 mm軟化點/℃延度(5 ℃)/cm溶解度/%技術標準≤1≤5≥6040～100≥57≥20≥97.5測定值0.6362.554.56830.498.6

表2 P·O32.5普通硅酸鹽水泥技術指標測試項目細度/%密度/(g·cm-3)初凝時間/min終凝時間/min測試值3.63.04220400規范值≤10—≥45≤600

1.2 混合料及級配選擇

試驗采用普通熱拌瀝青混合料、改性乳化瀝青混合料與水泥-改性乳化瀝青混合料進行水穩定性對比分析。為模擬上面層實際情況，選用AC-13C型瀝青混合料級配，級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-13C瀝青混合料級配曲線圖

2 試驗方法

2.1 浸水馬歇爾試驗

選用標準馬歇爾試件，試驗過程按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的要求進行[10]，試驗裝置如圖2所示。

圖2 浸水馬歇爾試驗

2.2 凍融劈裂試驗

采用雙面各擊實25、50、75次的馬歇爾試件，凍融劈裂強度測試步驟按規范要求進行，試驗裝置如圖3所示。

圖3 凍融劈裂試驗

2.3 浸水車轍試驗

采用標準的輪碾成型車轍板試件，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，稱量試件質量為m1，首先將車轍板置于-18 ℃環境下浸水保溫16h，到時間后立即取出放入已保持60 ℃恒溫的車轍儀內開始試驗，整個過程均在浸水情況下進行。考慮到實際行車過程中的橫向分布荷載，本試驗采取將試件以50 mm/min的速率橫向移動的方法進行模擬試驗，其它條件與標準車轍試驗一致，試驗過程為24 h，最后將試驗后車轍板上散落的石料清洗干凈并在60 ℃條件下烘干至恒重m2，其質量損失比Δm=(m1-m2)/m1。

2.4 動態模量試驗

動態模量試驗試件為直徑100 mm、高100 mm的圓柱體，是由旋轉壓實成型儀成型的直徑100 mm、高120 mm的圓柱體試件切割加工而成。試驗過程采用UTM萬能試驗機完成。本試驗針對改性乳化瀝青混合料、水泥-改性乳化瀝青混合料、熱拌瀝青混合料3種混合料，在5種不同溫度和5種不同加載頻率下進行，共進行75組試驗組合，試驗設定條件如表3所示，動態模量試驗如圖4所示。

表3 動態模量試驗參數設定表試驗溫度/℃加載頻率/Hz加載波形-100.1101205半正矢波40106025

圖4 動態模量試驗

試驗步驟為：①先將1組試件按設定條件進行單軸壓縮動態模量試驗；②試驗完成后立即進行凍融循環處理；③緊接著在自然條件下干燥處理；④再次進行動態模量試驗。

3 試驗結果分析

3.1 浸水馬歇爾試驗結果分析

按照2.1節的方法進行試驗，各種瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗結果如表4所示。

由表4試驗數據可知，3種瀝青混合料的穩定度以及浸水穩定度大小排序均為：水泥-改性乳化瀝青混合料>熱拌瀝青混合料>改性乳化瀝青混合料，單從穩定度數據可看出加水泥的改性乳化瀝青混合料在浸水前后的穩定度較不加水泥有顯著提高，即水泥的添加對改性乳化瀝青混合料水穩定性有較大改善作用。但殘留穩定度指標除熱拌瀝青混合料外均大于1，這與瀝青混合料的材料特性相違背，造成數據不符合實際規律的原因在于較小空隙率下改性乳化瀝青混合料的密實度更好，經60 ℃水浴浸泡后試件相對于熱拌瀝青混合料相對較軟，穩定度試驗時變形較大，間接導致馬歇爾穩定度變大，即浸水馬歇爾試驗不適于評價改性乳化瀝青混合料水穩定性。

表4 浸水馬歇爾試驗結果kN混合料類型穩定度(MS)浸水穩定度(MS1)殘留穩定度(MS0)改性乳化瀝青混合料4.835.801.20水泥-改性乳化瀝青混合料6.457.551.17熱拌瀝青混合料6.275.960.95

3.2 凍融劈裂試驗結果分析

按照2.2節的方法進行試驗，不同擊實次數的馬歇爾試件空隙率、凍融前后的劈裂強度見表5，凍融劈裂強度比隨空隙率的變化規律如圖5所示。

表5 凍融劈裂試驗結果混合料類型擊實次數/次空隙率/%劈裂強度RT1/MPa凍融劈裂強度RT2/ MPa凍融劈裂強度比TSR/%2512.30.60.5591.5改性乳化瀝青混合料5010.30.770.6382.4758.80.840.6375.52511.50.640.6194.8水泥-改性乳化瀝青混合料509.60.810.7086.6758.20.900.7279.6258.80.710.6895.2熱拌瀝青混合料506.30.850.7588.7754.50.920.7682.3

圖5 凍融劈裂強度比隨空隙率的變化規律

由表5可以看出，加水泥后改性乳化瀝青混合料的劈裂強度、凍融劈裂強度以及劈裂強度比均有不同程度提高，顯然單從獨立的數據上看，水泥對改性乳化瀝青混合料的水穩定性有較強促進作用。但從圖5的變化規律看，3種瀝青混合料的凍融劈裂強度比隨空隙率的增加而增大，即水穩定性與空隙率大小呈正比關系，這顯然與實際情況不符。這一現象說明凍融劈裂試驗評價水穩定性具有一定的局限性，尤其不適用于高溫多雨瀝青路面脹縮明顯的南方地區，它只適用處于體積指標不變的情況。

3.3 浸水車轍試驗結果分析

根據2.3節的方法進行浸水車轍試驗，按照試件的松散剝落程度來評價瀝青混合料的水穩定性，試驗結果見表6。

表6 浸水車轍試驗結果混合料類型平行試驗/次m1/gm2/g(m1-m2)/gΔm/%19 8868 9269609.71改性乳化瀝青混合料29 9068 8441 06210.7239 8738 7921 08110.95110 1129 4087046.96水泥-改性乳化瀝青混合料210 0689 4735955.91310 0549 5225325.29111 06510 4176485.86熱拌瀝青混合料211 08310 5964874.39311 07010 3117596.86

3種瀝青混合料試件經過輪碾荷載、溫度、水等因素作用均出現不同程度的松散剝落，其中改性乳化瀝青混合料的松散剝落程度最嚴重，而水泥-改性乳化瀝青混合料和熱拌瀝青混合料松散剝落程度相當。由此可知，水泥加入后改性乳化瀝青混合料的抗水損害能力明顯提高，但平行試驗中各平行試驗的誤差均出現大于1%的情況，試驗離散性較大，造成這種現象的原因有： ① 在清洗試件時的人為因素；② 試件制作過程中不均勻性。雖然浸水車轍試驗能模擬反映輪碾荷載、溫度、水等作用，但評價指標受人為因素試件不均勻性影響較大，所以采用浸水車轍試驗評價水穩定性較不適用。

3.4 動態模量試驗結果分析

3.4.1平移因子確定

本研究獲得設定條件下的動態模量是擬合動態模量主曲線的關鍵，它的核心理論是時間-溫度等效原理，運用此原理的關鍵性步驟是準確地將設定條件下的動態模量平移到參考溫度下，平移距離定義為平移因子αT，其與頻率的關系式如式(1)所示。

fr=f·αT

(1)

式中：f為試驗的加載頻率；fr為參考溫度下的縮減頻率；αT為平移因子。

國內外計算平移因子通常采用的方法為解威廉姆斯·蘭德爾·費里(W.L.F方程)方程，如式(2)。

(2)

式中：C1、C2為材料參數；T為試驗選取溫度；T0為參考溫度。

3.4.2動態模量主曲線模型的擬合

動態模量主曲線的擬合是利用時溫等效的原理將試驗溫度下的頻率換算成參考溫度下頻率，采用擬合模型將其擬合成一條有規律的光滑曲線。參考溫度是擬合的關鍵模型參數，通常可由不同溫度和不同頻率下的動態模量計算得出。國內外學者通常采用廣義的Sigmoidal模型進行擬合，此模型可最大程度減輕偏差的影響，其模型如式(3)所示。

(3)

式中：E(fr)為動態模量，MPa；fr為參考溫度下的縮減頻率，Hz；δ為較低漸近線值，MPa；α為較高漸近線值與較低漸近線值的差值，MPa；β、γ、λ均為不同性質的系數[10]。

3.4.3動態模量主曲線擬合

根據2.4節的條件進行不同類型瀝青混合料凍融前后的動態模量試驗，在不同溫度和不同頻率下對3種瀝青混合料的動態模量進行擬合，變化趨勢如圖6和圖7所示。

圖6 不同瀝青混合料凍融前動態模量隨溫度和頻率的變化規律

圖7 不同瀝青混合料凍融后動態模量隨溫度和頻率的變化規律

由圖6和圖7可知，3種瀝青混合料凍融前后的動態模量總是隨溫度升高和頻率降低而減小，這與規范所要求的瀝青混合料動態模量試驗溫度由低到高、頻率由高到低一致。各頻率下經過凍融循環后瀝青混合料動態模量均變小，這是由于在水侵害影響下，瀝青膜在集料間的黏附作用逐漸減弱，導致試件的整體性降低，抵抗外來荷載的能力逐漸變弱。從動態模量下降幅度看，凍融循環對水泥-改性乳化瀝青混合料的影響最小，從而判定水泥在提高改性乳化瀝青混合料水穩定性方面效果顯著。

本研究以20 ℃為參考溫度擬合不同瀝青混合料凍融前后的動態模量主曲線，以水泥-改性乳化瀝青混合料凍融后為例，其動態模量主曲線擬合過程如圖8所示，3種瀝青混合料凍融前后的動態模量主曲線如圖9和圖10所示。

圖8 水泥-改性乳化瀝青混合料凍融后動態模量主曲線擬合

圖9 瀝青混合料凍融前動態模量主曲線

圖10 瀝青混合料凍融后動態模量主曲線

由圖8可知，水泥-改性乳化瀝青凍融后的動態模量主曲線在較低頻率或高溫情況下的動態模量下降趨勢明顯，而在較高頻率或低溫情況下變化趨勢不顯著，即水泥-改性乳化瀝青混合料在高溫低頻時的粘彈性對動態模量試驗的凍融循環更加敏感，經歷荷載作用后內部骨架結構開始發生破壞，整體性迅速下降。低溫高頻時，粘彈性的敏感程度降低，對混合料強度起決定性作用的是瀝青，因此凍融前后動態模量變化小。在高溫低頻條件下，水損害發展得更快更嚴重，因此在路面結構設計時應針對實際交通頻率和溫度變化，著重考慮此條件下的力學性能變化。綜上所述，采用動態模量主曲線來評價改性乳化瀝青混合料的水穩定性較為科學合理，它可以表征水穩定性動態變化的特性，符合水作用下路面實際發展情況。

由圖9和圖10的變化趨勢可以看出，在相對較低荷載頻率范圍內，相同溫度環境下凍融前后瀝青混合料動態模量大小排序為：水泥-改性乳化瀝青混合料>熱拌瀝青混合料>改性乳化瀝青混合料，說明水泥-改性乳化瀝青混合料的力學性能最優，水泥的加入可顯著改善改性乳化瀝青混合料的水穩定性；隨著頻率的升高，3種瀝青混合料凍融前后的動態模量變化趨勢逐漸變緩，在某一相對較高的頻率下改性乳化瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的動態模量可與水泥-改性乳化瀝青混合料接近，所以針對交通荷載頻率較高的情況下設計時，考慮到水穩定性特殊情況，也可采取改性乳化瀝青混合料。

4 機理分析

1) 水泥填料的水化作用正好吸收了游離在乳化瀝青混合料中的多余水分，避免了因多余游離水產生的骨料間嵌擠摩擦力不足問題，維持了混合料強度的穩定發展。同時水泥水化放熱可以加快破乳速度，加快強度的形成。

2) 呈針狀的水泥水化產物在乳化瀝青破乳過程中，可穿插在瀝青膜、礦料表面，水化產物、瀝青膜、集料三者可形成三維骨架網狀結構，內部相互交織、穿插，使得各界面的有效連接更加穩固，受動水作用侵蝕減弱。

3) 水化產物的產生可有效填充混合料內部空隙，使混合料致密程度提高，試件抗剝落能力顯著提升。

5 結語

1) 現有的浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、浸水車轍試驗等水穩定性評價方法對于水泥-改性乳化瀝青混合料評價均存在明顯的不適用性，而采用動態模量試驗形成的動態模量主曲線評價方法，具有表征水穩定性動態變化特性的優勢，符合水作用下路面實際發展情況。

2) 水泥填料的水化正好吸收了游離在改性乳化瀝青混合料中的多余水分，避免了因多余游離水產生的骨料間嵌擠摩擦力不足問題，維持了混合料強度穩定發展；同時水化產物、瀝青膜、集料三者可形成三維骨架網狀結構，內部相互交織、穿插，使得各界面的有效連接更加穩固，受動水作用侵蝕減弱。由此得出水泥填料可顯著提升改性乳化瀝青混合料的水穩定性。