改性乳化瀝青混合料膠漿特性及強度分析

禤煒安，熊劍平，張仰鵬，曾俐豪

（1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.高等級公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心，廣西 南寧 530007）

節能減排、降碳增效逐步成為生產經營活動的重要導向，道路工程從“重建輕養”向“建養并重”發展，對低碳高品質的瀝青路面養護技術的需求迫切。傳統養護工程常用的熱拌瀝青混合料在拌制過程中需要消耗大量的燃料，且會產生大量的煙塵和廢氣，嚴重污染環境。乳化瀝青基冷拌材料在常溫環境下就能完成拌合、攤鋪、碾壓成型等工序，具有節能減排、施工便捷、適于各種氣候等優點，并可改善施工條件，是道路養護技術的重要發展方向。

21世紀，中國開始研究與推廣使用SBS、SBR改性乳化瀝青，這些瀝青在微表處理、黏結層和霧封層材料等領域被廣泛應用［1］。王偉明等［2-4］開展了改性乳化瀝青制備技術與性能的研究，分析了新型改性乳化瀝青的技術特點和優勢。唐太熊［5］研究了乳化瀝青膠漿的干燥成膜過程的影響機制和發展過程。李霞等［6-7］研究了乳化瀝青材料特性對混合料性能的影響。徐世法等［8-9］研究了環境條件對改性乳化瀝青混合料強度的影響。李昊隆等［10-11］對乳化瀝青基材料的早期強度特性進行了研究。彭波等［12-13］對乳化瀝青混合料配合比設計方法開展了研究。這些研究主要集中于乳化瀝青及其混合料的制備技術、基本性能等方面，但對不同條件下其強度發展規律的研究少見。膠漿組成、黏度特性對乳化瀝青混合料的施工和易性、破乳控制、力學強度影響的研究也較為鮮見。因此，開展改性乳化瀝青混合料膠漿特性及強度發展規律的研究是必要的。本研究擬設計不同配合比的乳化瀝青膠漿，研究不同粉膠比、水泥替代率、養護時間對膠漿黏度特性的影響，分析不同膠漿的初始強度和在不同環境條件下乳化瀝青混合料強度與時間的關系，研究乳化瀝青混合料強度發展規律，為復合改性乳化瀝青膠漿的設計及其力學強度的控制提供參考。

1 原材料及試驗設計

1.1 原材料

1） 乳化瀝青為自加工的SBS-SBR復合改性乳化瀝青。其中，SBS摻量為1%，SBR摻量為2%，固含量為65%，1.18 mm篩上剩余量為0.85%，蒸發殘留物軟化點68.5 ℃，5 d儲存穩定性2.2%。

2） 集料中，粗集料采用5～10 mm、10～15 mm輝綠巖和3～5 mm石灰巖，細集料采用0～3 mm石灰巖；礦粉采用石灰巖碎石加工。礦料技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中的相關技術要求。

3） 水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，經檢測，其抗壓強度為51.5 MPa，抗折強度為7.7 MPa，初凝時間為195 min，終凝時間為225 min。

1.2 混合料配合比設計

根據礦料篩分結果，進行AC-13混合料設計，各檔礦料摻配比例為（10～15） mm∶（5～10） mm∶（3～5） mm∶（0～3） mm∶礦粉=20∶40∶6∶32∶2，水泥摻量為2%。礦料級配設計曲線如圖1所示。

圖1 礦料級配曲線Fig.1 Gradation curves of mineral material

通過試驗確定的最佳改性乳化瀝青油石比為7.7%，在此條件下，AC-13改性乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度為8.82 kN，殘留穩定度為91.6%，凍融劈裂強度比為88.7%，動穩定度為4 655次/mm。

1.3 試驗方案設計

1） 膠漿黏度特性研究。

改性乳化瀝青膠漿的粉膠比分別取為1.0和0.8，水泥等量替代礦粉分別取為0%、10%、30%、50%、70%進行試驗，分析不同粉膠比、水泥替代率、持續時間等因素對改性乳化瀝青膠漿布氏黏度的影響。試驗方案見表1。

表1 不同膠漿的黏度特性試驗安排Table 1 Test schedule of viscosity characteristics of mortar system

2） 力學強度特性研究。

以馬歇爾穩定度作為改性乳化瀝青混合料力學強度的評價指標，研究不同膠漿組成對混合料初始馬歇爾穩定度的影響，見表2。分別設計不同溫度（室溫、60 ℃、90 ℃）、濕度（20%、60%）、風力（無風、10 m/s）等養護條件，研究不同環境因素對改性乳化瀝青混合料強度的影響。

企業的文化建設是和企業相關的管理理念，是以企業的價值觀為依托所產生的，也是其長久發展和不斷擴散的過程。同時，企業的文化建設能夠彰顯出企業的核心價值，它還體現在企業深刻的文化觀念、長久以來的歷史傳統、與眾不同的企業精神和嚴格遵守的道德規范、行為準則這些方面上，而員工的思想行為、道德風貌則是其具體表現。企業文化建設的價值觀就代表著企業的核心，是企業最中心的環節，而企業的價值觀也不僅僅局限于企業管理運行中的各種文化現象和文化表現，更多的是企業員工在工作期間所秉持的企業理念以及企業精神。企業的文化建設不僅代表了企業生存競爭發展的趨勢，更是企業不竭的動力。

表2 不同膠漿的乳化瀝青混合料初始強度試驗安排Table 2 Initial strength test schedule of emulsified asphalt mixture with different mortars

2 不同膠漿的黏度特性研究

2.1 不同膠漿的黏度測試

按照本試驗方案制備乳化瀝青膠漿，并采用布氏黏度儀測試不同膠漿在不同時間（0、15、30、45和60 min）的布氏黏度，試驗結果見表3。

表3 不同膠漿的黏度的試驗結果Table 3 Viscosity test results of different mortars

2.2 粉膠比對膠漿黏度的影響

當粉膠比分別為1.0和0.8時，5組不同水泥替代率的膠漿乳化瀝青膠漿黏度的試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，在水泥替代率相同時，粉膠比為1.0的膠漿布氏黏度均大于粉膠比為0.8的。當水泥替代率為0時，粉膠比為0.8的膠漿布氏黏度為0.325 Pa·s，粉膠比為1.0的膠漿布氏黏度為0.577 Pa·s，粉膠比為1.0的膠漿布氏黏度較粉膠比為0.8的提高了77.5%；當粉膠比為1.0時，水泥替代率分別為10%、30%、50%的膠漿布氏黏度較粉膠比為0.8的相同水泥替代率的依次提高了82.1%、51.6%、65.4%。這表明粉膠比越大，乳化瀝青膠漿的布氏黏度越大。

圖2 不同粉膠比膠漿黏度的試驗結果Fig.2 Viscosity test results of mortar with different powder-binder ratio

2.3 水泥替代率對膠漿黏度的影響分析

本試驗分別在乳化瀝青膠槳中分別摻入0%、10%、30%、50%、70% 的水泥替代礦粉，分析其對膠漿材料黏度的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同水泥替代率膠漿黏度的變化曲線Fig.3 Viscosity change curve of mortar with different cement replacement rate

從圖3可以看出，當粉膠比相同時，隨著水泥替代率的增大，膠漿的布氏黏度值呈增大趨勢。當粉膠比為0.8時，水泥替代率分別為10%、30%、50%、70%的膠漿布氏黏度依次是水泥替代率為0%的膠漿布氏黏度的2.56倍、3.26倍、3.45倍、4.07倍。粉膠比為1.0時，水泥替代率大于等于70%的膠漿的黏稠值，無法測出，如A5。不同粉膠比具有不同的水泥替代率臨界值，需要根據實際乳化瀝青混合料的粉膠比確定合適的水泥替代率。當粉膠比為1.0時，建議其水泥替代率不超過50%。

2.4 持續時間對膠漿黏度的影響分析

根據本試驗方案配制的改性乳化瀝青膠漿，分別測試試件在0、15、30、45和60 min的布氏黏度，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同粉膠比膠漿黏度隨時間的變化曲線Fig.4 Viscosity change curve of mortar with different powder-binder ratio with time

從圖4可以看出，當持續時間為0～60 min時，同一粉膠比的膠漿在不同水泥替代率的膠漿布氏黏度值變化不大。當粉膠比為1.0、水泥替代率為50%時，持續時間分別為0、30和60 min的膠漿的布氏黏度值依次為1.604、1.694和1.732 Pa?s，其最大相差值為0.128 Pa?s。其主要原因是在60 min內，盡管有部分水泥開始發生了水化反應，但水化程度并不高，遠未達到使水泥材料凝結的程度；其次，由于該布氏黏度在室溫條件下進行，改性乳化瀝青破乳率不高，水分蒸發不多，因此其對膠漿材料的黏度值影響不大。

3 乳化瀝青混合料力學強度特性研究

3.1 不同膠漿的初始穩定度

采用按照本試驗方案配制的改性乳化瀝青膠漿進行馬歇爾試驗，測量不同配方的改性乳化瀝青膠漿的初始馬歇爾穩定度，試驗結果見表4。

表4 不同膠漿的馬歇爾穩定度的試驗結果Table 4 The Marshall stability test results of different mortars kN

由表4可知，按照不同粉膠比、不同水泥替代率制備的改性乳化瀝青膠漿，其混合料的初始穩定度均有所差異。當粉膠比相同時，隨著水泥替代率的提高，乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩定度不斷增強，A4方案下的初始馬歇爾穩定度比A1方案下的提高了1.18倍。其主要原因是在乳化瀝青膠漿體系中，水泥能夠發生水化反應，該反應一方面加速了水分的消耗和乳化瀝青的破乳；另一方面，水化反應形成了水泥石，促進了其初始馬歇爾穩定度的提高。

當水泥替代率相同時，對比A4與B4方案可知，膠漿粉膠比越高，初始馬歇爾穩定度也越高。粉膠比為1.0的膠漿的初始馬歇爾穩定度比粉膠比0.8的膠漿的馬歇爾穩定度提高了19.0%。這是因為粉膠比越高，其總比表面積越大，吸水量越大，乳化瀝青的破乳時間越短，促進了膠漿初始馬歇爾穩定度的形成。

對比不同的試驗方案，可知：方案A4的初始馬歇爾穩定度最高，即當粉膠比為1.0，水泥等量替代率為50%時，乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩定度較高，其值為3.32 kN。由表4還可知，初始馬歇爾穩定度越高，其最終的馬歇爾穩定度也越高，如：A4方案的馬歇爾穩定度為8.08 kN，該值較A1、B4方案的5.50 kN、6.25 kN的馬歇爾穩定度均有明顯提高。

3.2 溫度對強度的影響

對AC-13乳化瀝青混合料試件進行擊實后，分別將其置于室溫、60 ℃、90 ℃ 3種不同溫度條件下養護1、2、3、5和7 d，再將其取出，在常溫下放置24 h，最后脫模并測試馬歇爾穩定度，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同溫度下強度隨時間的變化曲線Fig.5 Variation curves of the Marshall strength with time at different temperatures

從圖5可以看出，當養護時間相同時，養護溫度越高，乳化瀝青混合料的強度越高，90 ℃的乳化瀝青混合料的強度最高，60 ℃的次之，室溫養護的最小。當養護時間為1 d時，養護濕度分別為60 ℃、90 ℃的乳化瀝青的馬歇爾穩定度比室溫養護的乳化瀝青的馬歇爾穩定度分別提高了1.26倍、1.88倍。這是因為在乳化瀝青混合料強度形成過程中，需要將材料體系內的水分蒸發，還原瀝青常溫條件下半固體狀態，發揮其黏結作用。溫度升高能夠促進水分的蒸發，加快強度形成。因此，在乳化瀝青混合料攤鋪碾壓后，較高的氣溫條件有利于材料強度的形成。

在3種不同溫度下，乳化瀝青混合料的強度均呈前期增長較快、后續逐漸減緩甚至趨于穩定的規律。但不同養護溫度的乳化瀝青混合料的轉折點不太一致。在室溫條件下，乳化瀝青混合料的強度在3 d后趨于平穩；在60 ℃和90 ℃條件下，養護2 d后，乳化瀝青混合料的強度可基本達到最終強度的80%左右。

3.3 濕度對強度的影響

在對AC-13乳化瀝青混合料試件進行擊實后，先將其置于室溫，濕度分別設置為60%和20%的條件中，分別養護1、2、3、5和7 d，再取出常溫放置24 h，最后脫模，并測試其馬歇爾穩定度，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同濕度下強度隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of the Marshall strength with time at different humidity

從圖6可以看出，當養護時間相同時，養護濕度越小，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度越大。當養護為3 d時，60%濕度的乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度為3.87 kN，20%濕度的乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度為4.26 kN，其增幅為10.1%。其主要原因是環境濕度越小，越有利于乳化瀝青混合料中水分蒸發，越有利于乳化瀝青破乳，縮短強度形成時間；而濕度越高，越不利于水分蒸發和混合料強度的形成。

在時間軸上，與溫度的發展規律相似，乳化瀝青混合料的強度均呈前期增長較快、后續逐漸減緩甚至趨于穩定的規律。由于試驗溫度較低，其強度大致在3～5 d后才基本達到峰值。

3.4 風力對強度的影響

在對AC-13乳化瀝青混合料試件進行擊實后，先將其置于室溫中，濕度設為60%，風力分別設為無風和10 m/s的風速，分別養護1、2、3、5和7 d，再將其取出，在常溫中放置24 h后，最后脫模并測試其馬歇爾穩定度，試驗結果如圖7所示。

圖7 不同風力馬歇爾穩定度隨時間變化曲線Fig.7 Variation curves of the Marshall strength with time at different wind force

從圖7可以看出，當養護時間相同時，風力越大，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度越大。與無風環境的乳化瀝青混合料相比，風速為10 m/s的乳化瀝青混合料在養護1、3、5和7 d的馬歇爾穩定度分別提高了23.7%、17.1%、23.4%、24.4%，表明風力對乳化瀝青混合料的強度形成具有良好促進作用。其主要原因是，加大風力，有利于乳化瀝青混合料中水分蒸發，促進乳化瀝青混合料強度的形成。

與溫度、濕度的發展規律相似，隨著養護時間的延長，乳化瀝青混合料的強度均呈前期增長較快、后續逐漸減緩甚至趨于穩定的趨勢。

4 結論

1） 粉膠比越大，乳化瀝青膠漿的黏度越大；隨著水泥替代率的增大，膠漿的布氏黏度值總體呈增大的趨勢，當粉膠比1.0時，水泥替代率建議不超過50%；持續0～60 min，膠漿材料的布氏黏度值變化不大，基本維持在相同水平。

2） 通過水泥等量替代礦粉，可提高乳化瀝青混合料的初始強度；粉膠比越大，其乳化瀝青混合料初始強度越高。當粉膠比為1.0，水泥等量替代率為50%時，乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩定度為3.32kN，具有較高的初始強度。

3） 溫度越高，濕度越小，風力越大，越有利于水分蒸發，加速乳化瀝青破乳，促進乳化瀝青混合料強度的形成與發展。當養護溫度分別為60 ℃和90 ℃時，乳化瀝青混合料馬歇爾穩定度2 d左右，基本達到其馬歇爾強度峰值的80%以上。

4） 隨著養護時間的延長，乳化瀝青混合料的強度逐漸增大，該強度總體上呈前期增長較快、后續逐漸減緩甚至趨于平穩的趨勢。