乳化瀝青水泥混合料路用性能研究

何 鑫

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392）

乳化瀝青水泥混合料作為一種復合型材料，是由一定黏度的適量乳化瀝青水泥膠結料與一定級配的礦料冷拌而成，主要作為一種半柔性基層材料應用于公路路面基層，也可以用作路面的下面層。目前，我國的路面基層主要為半剛性基層，道路建設的實踐表明，半剛性基層路面結構容易發生反射裂縫，出現耐久性不足的問題[1]。

半柔性基層材料由于瀝青的加入，收縮性能有所提高，可以有效減少反射裂縫的出現并且可以與瀝青面層較好地粘附，同時水泥的加入也保證材料的早期強度和水穩定性，提高乳化瀝青的破乳速度，在短時間內開放交通，顯著提升混合料的強度及抗裂性能[2]，有效減少能源消耗和污染物的排放[3]，具有很好的應用前景。目前的研究成果普遍集中于材料本身的性能，基于基礎力學性能試驗，研究材料、級配、施工方式等因素對乳化瀝青水泥混合料的影響[4～6]，少有研究綜合考慮整體的路面結構組合，分析路面結構層對于路面結構變形、開裂等的影響?；跀抵的M方法可以有效研究這一問題，節省大量試驗時間，本文首先基于試驗方法評價乳化瀝青混合料的強度特性以及變形能力，研究材料配比、膠結料用量等因素對于混合料性能的影響；再基于數值模擬方法建立半柔性基層瀝青路面結構模型，研究裂縫的擴展過程。有研究表明：路面結構厚度與模量是主要影響模型力學響應的因素[7]，因此通過賦予不同的材料屬性，建立不同基層厚度的模型，分析半柔性基層材料屬性及結構厚度對裂縫開裂的影響。

1 試驗材料與方案

1.1 材料

1.1.1 原材料

乳化瀝青水泥混合料主要由乳化瀝青水泥膠結料和集料拌和而成，其中膠結料主要包括水泥、乳化瀝青、水及外加劑。

1）水泥。42.5號普通硅酸鹽水泥，密度3.1 g/cm3，初凝時間150 min，終凝時間270 min，3 d 抗壓強度22.5 MPa，28 d抗壓強度48.3 MPa。

2）乳化瀝青。采用陽離子乳化瀝青，見表1。

表1 乳化瀝青基本性質

3）外加劑。聚氨酯增稠劑、木質素減水劑以及有機硅消泡劑。

4）集料。參照水泥穩定級配碎石C-B-1 的級配范圍中值進行確定，粗集料的技術性質見表2。

表2 粗集料技術性質

1.1.2 試件

將水泥、乳化瀝青、水和外加劑攪拌均勻得到乳化瀝青水泥膠結料。為了減小乳化瀝青破乳及水泥硬化帶來的影響，在膠結料拌和完成后，迅速與集料進行攪拌，常溫下通過靜壓和擊實法成型不同尺寸的試件，包括小梁、車轍板和馬歇爾試件等，待脫模后進行養生。

1.2 試驗方案

乳化瀝青和水泥作為兩種膠結材料，其用量比會對混合料的性能產生較大影響，為了研究乳化瀝青水泥膠結料配比對混合料性能的影響，確定5 種不同的材料配比（C/A 比，即水泥與瀝青的質量比）分別為1∶0.8、1∶0.9、1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2，水灰比為0.8，見表3。

表3 膠結料材料配比

為了研究膠結料用量對混合料性能的影響，選取6%、7%、8%、9%、10%5 種不同膠結料用量，此時不同C/A 比混合料的水泥用量為3%左右，瀝青用量為2%左右，均滿足實際使用需求。

2 路用性能試驗

2.1 無側限抗壓強度試驗

對不同膠結料用量和C/A 比的乳化瀝青水泥混合料試件進行無側限抗壓強度試驗，得到無側限抗壓強度的變化規律。隨著膠結料用量的增加，無側限抗壓強度逐漸增大；隨著C/A 比的不斷減小，即水泥用量的減小，無側限抗壓強度也在逐漸減小。見圖1。

圖1 無側限抗壓強度變化規律

膠結料用量的增加有利于集料之間的黏附；同時在膠結料中水泥對混合料強度增加起著十分重要的作用。通過對無側限抗壓強度研究可以發現，在試驗膠結料用量及C/A 比下，無側限抗壓強度數值滿足JTG/TF 20—2015《公路路面基層施工技術細則》中道路使用要求，可以作為道路的基層與底基層材料。

2.2 馬歇爾試驗

對不同膠結料用量和C/A 比的乳化瀝青水泥混合料試件進行馬歇爾試驗，得到穩定度和流值的變化規律。隨著膠結料用量的增加，穩定度在不斷增大，相應的流值不斷減小，表明混合料的強度有所提高，但變形能力在不斷削弱；隨著C/A 比的減小，即水泥用量的減小，穩定度不斷減小，流值不斷增大，表明水泥是提供混合料強度的主要因素，但水泥的加入也會在一定程度上削弱混合料的變形能力。見圖2。

圖2 馬歇爾穩定度與流值變化規律

2.3 凍融劈裂試驗

無論是作為基層材料還是下面層材料，乳化瀝青水泥混合料都需要具備一定的耐久性，而水穩定性則是耐久性的一個重要指標，通過凍融劈裂試驗可以得到凍融劈裂強度比隨膠結料用量以及C/A 比的變化規律。隨著膠結料用量的增加，凍融劈裂強度比呈增大的趨勢；而隨著C/A 比的減小，即水泥用量的減少，凍融劈裂強度比在逐漸減小，說明水泥的水化產物增加，會與瀝青膜形成更為緊密的空間結構，能夠抵抗水分對于試件的侵蝕。見圖3。

圖3 凍融劈裂強度比變化規律

試驗材料參數范圍內凍融劈裂強度比普遍＞80%，滿足JTG/T F 20—2015 中凍融劈裂強度比≮70%的要求。

2.4 溫縮系數

由于乳化瀝青的加入，乳化瀝青水泥混合料具備一定的變形能力，對不同膠結料用量和C/A 比的乳化瀝青水泥混合料進行溫縮試驗可以得到溫縮系數的變化規律。隨著溫度降低，溫縮系數逐漸減小，這是由于瀝青材料的黏度增大，材料抵抗變形的能力不斷增強，隨溫度降低產生的收縮不斷減小；隨著C/A 比增加，即水泥用量增加，溫縮系數逐漸減小，這是由于相較于水泥材料，瀝青材料的感溫性更強，隨著溫度的變化，變形更大，同時水泥用量的減小也會減弱材料抵抗變形的能力，收縮現象更為明顯；隨著膠結料用量變化，溫縮系數呈現不同規律，當乳化瀝青和水泥的用量均增加時，感溫性能不斷增加，但同時混合料抵抗變形的能力也在提高，溫度較高時感溫性能的提高占據主導地位，而在低溫區間，水泥起主導作用。見圖4。

圖4 不同膠結料用量和C/A比下的溫縮系數

2.5 車轍試驗

通過車轍試驗對乳化瀝青水泥混合料的高溫性能進行評價。常溫下通過輪碾進行成型，養生7 d 后進行車轍試驗，試件的動穩定度均＞10 000，抵抗高溫變形的能力較強，遠遠滿足JTG/TF 20—2015 要求，說明由于水泥材料的加入，混合料的高溫性能顯著提高，抵抗高溫變形的能力顯著增強。

3 模擬分析

3.1 模型的建立

乳化瀝青水泥混合料作為一種半柔性基層材料，具有較好的變形能力，可以有效抑制或減緩反射裂縫的出現。通過對裂縫的擴展過程進行研究，分析材料屬性、結構層厚度等因素對抗裂性能的影響。建立裂縫開裂的模型，通過對模型進行簡化，去掉底部約束，在半剛性基層設置預制裂縫，固定半剛性基層左側邊界，在右側邊界施加一定的拉伸位移，用以模擬裂縫自下而上的擴展過程，分析路面結構內部的應力以及位移變化規律，研究不同因素對縱向開裂的影響。見圖5。

圖5 路面結構模型

3.2 模擬結果

3.2.1 裂縫擴展過程

采用靜力分析得到裂縫的擴展過程，選取同一分析步進行研究，得到裂縫擴展過程中的應力與位移分布。見圖6和圖7。

圖6 橫向應力分布

圖7 橫向位移分布

應力主要集中在固定邊界、施加位移以及裂縫尖端位置；隨著裂縫的擴展，應力集中的位置逐漸由裂縫尖端轉移至兩側，因此在施作應力吸收層時，應著重注意兩側位置的控制。裂縫在逐漸擴展，橫向位移逐漸擴大。

3.2.2 材料模量對抗裂性能的影響

左右兩側橫向位移的代數差即為裂縫的開口位移。分別對半柔性基層材料賦予不同的模量值，通過計算得到各結構層底的開口位移變化規律。各結構層自下而上裂縫的開口位移逐漸減小。見圖8。

圖8 不同半柔性基層模量對裂紋開口位移的影響

模量為600 MPa時，開口位移明顯減小，采用較小模量的半柔性基層時，路面結構總體較柔而不易開裂，有利于路面抗開裂能力。

3.2.3 結構層厚度對抗裂性能的影響

通過建立不同半柔性基層厚度的模型，研究結構層厚度對基層開裂性能的影響，得到不同厚度下裂縫的開口位移變化規律。面層底部以及半剛性基層底部裂縫開口位移隨厚度的增加而減小，而半柔性基層底部裂縫寬度略有增大。見圖9。

圖9 不同半柔性基層厚度對裂紋開口位移的影響

半柔性基層作為應力吸收層，是為了阻止半剛性基層反射裂縫繼續向上擴展，因此面層底部的開口位移直接表現出半柔性基層的作用，增加厚度有利于抵抗反射裂縫的出現。

4 結論

乳化瀝青水泥混合料的各項路用性能參數指標均滿足使用要求，材料具有較好的強度特性、高溫特性及水穩定性；當水泥含量較高、膠結料用量較多時路用性能較好。適當增加半柔性基層的厚度和降低乳化瀝青水泥混合料的模量有利于抑制反射裂縫。