水泥改性乳化瀝青混合環保路面材料的性能試驗

摘 要：乳化瀝青混合料是工程上可大量使用的安全環保型路面材料，為了研究水泥對乳化瀝青混合料各方面性能的影響，通過一系列室內試驗方法研究了2%、3%和4%3種不同摻量水泥對乳化瀝青混合料力學性能和高低溫、水穩定性的影響。結果表明，水泥的加入提高了乳化瀝青混合料的強度和高溫穩定性、水穩定性;但同時增加了混合料的彈性模量和低溫脆硬性，降低了混合料的變形能力和低溫性能，建議工程應用中對于水泥摻量應綜合考慮各方面使用性能，使得效益最優化。

關鍵詞：道路工程；水泥摻量；水泥乳化瀝青混合料；力學性能；路用性能

中圖分類號：U414;TQ177.6+3 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0060-04

Study on the performance of environmentally friendly pavement materials prepared by cement modified emulsified asphalt mixture

HU Wenjuan

（Zhengzhou Highway Engineering Company，Zhengzhou 450000，Henan China）

Abstract：Emulsified asphalt mixtures are safe and environmentally friendly road materials that can be widely used in engineering.In order to study the influence of cement on the properties of emulsion asphalt mixture，the effects of cement with 2%，3% and 4% of emulsion asphalt mixture were studied through a series of indoor test methods.The test results showed that the addition of cement improved the strength and high temperature stability and water stability of emulsion asphalt mixture，but increased the elastic modulus and low temperature of the mixture，reducing the deformation ability and low temperature performance. It is suggested that the dosage of cement admixture should be comprehensively considered in engineering application，in order to optimize the benefits.

Key words：road engineering;cement mixing capacity;cement emulsion asphalt mixture;mechanical properties;road performance

熱拌瀝青混合料具有施工快速、周期短、易維護的特點，大多數公路和市政道路的瀝青路面都是采用熱拌瀝青混合料鋪筑，但熱拌瀝青混合料拌和施工過程需要消耗大量的燃料并且釋放出有害氣體，尤其是近年來各地頻繁出現霧霾天氣，空氣質量指數越來越高［1-3］。國內可用于常溫拌和施工的瀝青材料主要有稀釋瀝青和乳化瀝青2種，由于稀釋瀝青通常是加入易揮發且有害人體健康的稀釋劑，因此工程上很難大量采用該材料，而乳化瀝青混合料是工程上可大量使用的安全環保型路面材料，具有能源消耗少、基本無污染的特點，但是由于其早期成型強度較低，需經過乳化瀝青破乳、水分蒸發的漫長過程，且混合料的空隙率大、密實度小，瀝青粘結效果也很不理想，導致乳化瀝青混合料的應用范圍較為局限，目前主要用于路面修補和瀝青路面冷再生技術［4-7］。因此，一些道路研究學者期望能夠研發一種可改善乳化瀝青混合料性能的材料［7-9］。基于以上問題，研究利用水泥材料的剛性特點擬在乳化瀝青混合料的研究基礎上加入少量水泥，期望能夠提高路面早期強度和使用耐久性，實現乳化瀝青混合料路面的強度高、密實度大、通車快的特點。

1 原材料檢測與試驗方法

1.1 原材料性能

試驗用乳化瀝青為實驗室自制陽離子慢裂型乳化瀝青，其技術指標如表1所示；水泥采用的是P·O42.5普通硅酸鹽，其比表面積為335 m2/kg，燒失量為2.8%，MgO質量分數為1.79%，SO3質量分數為1.75%，初凝時間153 min，終凝時間295 min，28 d抗壓與抗折強度分別為47.8、8.6 MPa；試驗用水可采用自來水，應保證透明、無雜質顆粒物，pH值為中性；粗集料采用玄武巖，規格分為3檔：3～5、5～10、10～15 mm，細集料采用規格為0～3 mm的石灰巖，填料為石灰巖磨細后的礦粉，經檢驗，各規格集料與填料的技術性質都滿足《公路瀝青路面技術規范》的要求。礦料級配采用AC-13瀝青混合料，具體如表2所示。

1.2 試驗方法

研究參考同濟大學計算乳化瀝青用量的經驗公式確定乳化瀝青用量［10］。經計算得到乳化瀝青用量為5.23%，由于自制的實際乳化瀝青固含量為65.2%，因此換算后的實際乳化瀝青用量折合為8%。固定乳化瀝青用量8%，采用不同的水泥摻量（2.5%、3.5%和4.5%）進行試驗，以確定不同的水泥摻量對乳化瀝青混合料性能的變化規律。

在成型混合料試件時，應先將按比例稱取的礦料、水泥倒入攪拌器中，經攪拌均勻后加入自來水使礦料表面潤濕，然后加入預制好的乳化瀝青拌合均勻后即可入模成型試件并養護28 d后進行相應試驗。由于在實際試驗中發現一次擊實或碾壓成型時試件表面會有大量的水分和乳化瀝青冒出，因此本文采用二次擊實方式，即在水泥達到初凝時間的20 min前進行二次擊實或碾壓［11］。

2 混合料力學性能

水泥乳化瀝青混合料不同于熱拌瀝青混合料，經破乳后的乳化瀝青與集料作用才會產生粘附性，且加入的水泥會與水發生水化反應生成具有一定強度的水化產物，是一種剛柔并濟的路面材料，因此需要對其強度進行研究［12］。本文采用UTM伺服儀和MTS萬能材料試驗機對養護28 d的試件進行單軸壓縮、劈裂強度和壓縮動態模量試驗，試驗結果如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可以看出，隨著水泥用量的增加，乳化瀝青混合料的抗壓強度和彈性模量持續增加，劈裂強度先增加并于3%摻量后有所降低。2%、3%和4%不同水泥摻量的乳化瀝青混合料抗壓強度分別比不摻水泥時提高了33.3%、46.8%、50.7%，相應的彈性模量分別增加了30.5%、56.9%和65.8%。說明乳化瀝青混合料中加入水泥后，在提高混合料強度的同時也相應的增加了混合料的彈性模量。主要是由于水泥與水反應后生成了剛性的水化產物，增加了混合料的密實度、強度和剛度，導致混合料的脆硬性增加，材料的彈性變形能力變小。

3混合料路用性能

3.1 高溫穩定性

在夏季高溫地區，高溫穩定性是瀝青混合料路面耐久性的關鍵，由于瀝青混合料本身的流變特性，高溫穩定性不足時很容易會發生車轍、推移擁包等病害，嚴重影響行車駕駛感。本文為研究水泥摻量對乳化瀝青混合料高溫性能的影響，以普通乳化瀝青和熱拌瀝青混合料為對照組，采用車轍試驗分別對不同摻量（2%、3%、4%）的水泥乳化瀝青混合料車轍板試件進行試驗，試驗溫度取60 ℃，車轍板厚度為5 cm，輪碾速率為42次/min，以單位車轍深度對應的輪碾次數和60 min時的變形量作為評價指標，試驗結果如圖3所示。

從圖3可以看出，相對于乳化瀝青混合料，加入水泥后動穩定度有了顯著的提升，且60 min車轍變形量也明顯減小；從動穩定度指標看，水泥摻量為2%、3%和4%時的乳化瀝青混合料動穩定度相對不摻水泥時分別增加了377%、681%和803%，相應的60 min變形量分別減小了38.5%、72.5%和78.7%。說明當水泥摻量為2%和3%時的動穩定度增加幅度與60 min變形量減小幅度較大，當其摻量大于3%后幅度明顯減緩。相對于普通熱拌瀝青混合料，摻加水泥的水泥乳化瀝青混合料動穩定度明顯增加，60 min變形量也明顯減小。說明加入水泥后乳化瀝青混合料的高溫穩定性提高，高溫條件下的抗永久變形能力增強。高溫性能改善的主要原因是水泥與水發生反應生成了強度較高的水泥石，且乳化瀝青混合料中的水分蒸發后留下的孔隙被水泥水化產物所填充，增加了混合料的密實度，因而動穩定度明顯增加，變形量明顯降低［13］。

3.2 水穩定性

研究表明，乳化瀝青混合料中的水分蒸發后會留下較多的空隙，雨水會通過空隙或者路面裂縫滲透到路面結構內，在長時間車輛荷載或瞬時沖擊荷載作用下結構內部產生動水壓力，使集料表面的瀝青逐漸脫落形成水損害［14-15］。本文為研究加入不同摻量水泥后乳化瀝青混合料的抗水損害變化規律，采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗進行檢驗，試驗結果如圖4所示。

從圖4可以看出，普通乳化瀝青混合料殘留穩定度和凍融劈裂強度比均不滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的要求，加入水泥后的殘留穩定度和凍融劈裂強度比提升明顯，在水泥摻量為2%時殘留穩定度和凍融劈裂強度比相對不摻水泥時分別增加了25%、39%，且其數值高于普通熱拌瀝青混合料，從水泥摻量3%增加到4%時殘留穩定度和凍融劈裂強度比增加了1.9%和1.0%。說明一定量的水泥可顯著改善乳化瀝青混合料的水穩定性，主要是由于水泥水化產物和瀝青相互作用，其不但增加了與集料的粘附性，而且填充了混合料內部的空隙結構，使混合料粘接強度和密實度增加，阻礙水分浸入或剝蝕水泥乳化瀝青膠結料與集料的界面，從而使水泥乳化瀝青混合料的水穩定性增強［16］。

3.3 低溫抗裂性

為評價乳化瀝青混合料中加入水泥后對其混合料低溫性能的影響，本文采用MTS萬能材料試驗機對制備及養護28 d的標準馬歇爾試件進行低溫劈裂試驗，試驗溫度為-10 ℃，以通過最大荷載和豎向位移計算出的劈裂強度及相應的破壞應變和勁度模量進行評價，試驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，摻水泥后乳化瀝青混合料雖然強度在增加，但隨著水泥摻量增加，破壞應變在減小，勁度模量在增大，說明水泥的加入增加了乳化瀝青混合料的剛度，但同時增加了混合料在低溫時的脆硬性，在外力作用下容易發生低溫脆斷，降低了混合料的低溫抗裂性能，因此并不是水泥的摻量越多越好，需要同時考慮混合料的各方面性能。

4 結語

（1）結合力學試驗可以得出，水泥的加入雖然提高了乳化瀝青混合料的密實度和強度，但同時增加了材料的剛度和脆硬性，使材料的變性能力變差；

（2）從高溫車轍試驗發現，摻入水泥明顯提高了乳化瀝青混合料的動穩定度，降低了車轍深度，提高了乳化瀝青混合料的高溫抗車轍和抗永久變形性能；

（3）從水穩定性試驗得出，適當摻量的水泥可改善水泥乳化瀝青膠結料與集料的界面粘結強度和混合料的密實度，提高混合料的水穩定性，但摻量較大效果并不理想；

（4）從低溫劈裂試驗發現，摻入水泥后，乳化瀝青混合料在低溫條件下受到外力作用后容易產生脆斷，降低了混合料的低溫抗裂性能。在選擇水泥摻量時應綜合考慮各方面使用性能，取得效益最大化。

【參考文獻】

［1］梁娟. 水性環氧乳化瀝青混合料薄層罩面路用性能研究［D］.廣州：廣州大學，2019.

［2］孫巖松.水泥摻量對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響［J］.武漢理工大學學報，2013，35（4）：45-48.

［3］王學信，沙愛民，胡力群，等.水泥乳化瀝青混凝土力學性能研究［J］.公路交通科技，2005（11）：61-64.

［4］吳居濤，張宏飛.水泥摻量對乳化瀝青冷再生水泥穩定材料性能的影響［J］.科學技術與工程，2022，22（12）：5036-5044.

［5］萬愛國.高灰分BRA改性高強中上面層瀝青混合料配比及性能研究［J］.粘接，2022，49（2）：129-133.

［6］鄭燦偉.水性環氧乳化瀝青冷再生混合料路用性能研究［J］.公路，2022，67（4）：82-86.

［7］王恩波，王小冬，侯博元.鋼渣瀝青混合料路用性能及粗集料棱角性分析研究［J］.粘接，2021，48（10）：178-181.

［8］顏可珍，楊坤，陳冠名，等.摻稻殼灰乳化瀝青冷再生混合料性能研究［J］.湖南大學學報（自然科學版），2022，49（3）：203-210.

［9］杜鳳.瀝青改性劑在混凝土路面加固施工中的應用［J］.粘接，2021，47（8）：187-192.

［10］王雙雙. 冷補瀝青混合料配合比設計及路用性能研究［D］.長沙：長沙理工大學，2019.

［11］李志剛，汪德才，李麗娟，等.填料含量對乳化瀝青冷再生混合料宏微觀性能的影響［J］.公路，2020，65（11）：27-32.

［12］鐘榮華. 水泥-乳化瀝青冷再生路面設計方法和性能研究［D］.西安：長安大學，2011.

［13］趙成. 水性環氧樹脂-乳化瀝青-水泥復合快速修復材料設計與性能研究［D］.西安：長安大學，2020.

［14］吳鵬飛.水泥對改性乳化瀝青混合料水穩定性影響研究［J］.湖南交通科技，2021，47（3）：45-50.

［15］王盤盤，王雙雙，甄少華.水性環氧樹脂改性乳化瀝青混合料的配比設計及性能研究［J］.化工新型材料，2021，49（1）：273-278.

［16］丁新東，曹新明.乳化瀝青和水泥摻量對冷再生混合料性能的影響研究［J］.硅酸鹽通報，2020，39（2）：459-465.

收稿日期：2022-06-16；修回日期：2023-04-20

作者簡介：胡文娟（1978-），女，高級工程師，研究方向：交通、土木工程;E-mail：784389388@qq.com。

引文格式：胡文娟.水泥改性乳化瀝青混合環保路面材料的性能試驗[J].粘接，2023，50（6）：60-63.