莊 偉，王 健，陳 賽，陳 昊

(山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 255000)

0 引言

水泥乳化瀝青混合物含有水泥、乳化瀝青和骨料，并在常溫下混合[1]。由于水泥和乳化瀝青具有不同的工程性能，因此水泥乳化瀝青混合物的性質(zhì)介于水泥和乳化瀝青之間[2-3]。

水泥和乳化瀝青的含量對(duì)水泥乳化瀝青混合物的拉伸強(qiáng)度、耐磨性、壓縮強(qiáng)度等有著重要的影響。Oruc等[4]研究了水泥乳化瀝青混合料的耐磨性模量，得出水泥含量低于1%的水泥乳化瀝青混合料的彈性模量與熱拌瀝青的溫度相關(guān)性。Kavussi等[5]研究了水泥乳化瀝青混合料的疲勞性能，確定了不同水泥含量和溫度下混合料的疲勞壽命。Nejad等[6]分析了水泥乳化瀝青砂漿與磨碎的高爐礦渣(GGBS)和硅粉混合后的力學(xué)性能和疲勞性能，結(jié)果表明，硅粉可以提高混合料的抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度。 Niazi等[7]研究了添加水泥和石灰后用乳化瀝青就地冷再生混合物的性能，研究結(jié)果表明石灰的添加改善了混合物的馬歇爾穩(wěn)定性、彈性模量、拉伸強(qiáng)度以及永久變形。

從當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看，對(duì)水泥乳化瀝青混合料的研究主要集中在常規(guī)性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征上，水泥和乳化瀝青對(duì)混合物的性能影響尚未充分量化，缺乏對(duì)其他混合物性能的系統(tǒng)研究[8-10]。此外，對(duì)水泥乳化瀝青混合料性能的分析主要基于SEM獲得的細(xì)觀圖像，尚未對(duì)其細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[11]。鑒于此，本研究通過在室內(nèi)試驗(yàn)中改變水泥和乳化瀝青含量，系統(tǒng)評(píng)價(jià)水泥和乳化瀝青含量對(duì)水泥乳化瀝青混合料性能的影響。評(píng)估的性能包括間接拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彈性模量、水分敏感性、低溫彎曲、車轍、Cantabro磨耗和疲勞測(cè)試。通過掃描電子顯微鏡(SEM)和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)獲得每種水泥乳化瀝青混合物的細(xì)觀特征和空隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步分析和解釋混合物性能的變化。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在實(shí)驗(yàn)室制備乳化瀝青，主要技術(shù)參數(shù)見表1，試驗(yàn)中水泥采用普通的硅酸鹽水泥(32.5R)，使用玄武巖作為骨料，其中砂當(dāng)量為81.2%；堅(jiān)固度為7%；磨光值為46；洛杉磯磨耗率22.2%；壓碎值為11.9%。試驗(yàn)中使用的水泥乳化瀝青混合物的級(jí)配見表2。

表1 乳化瀝青主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of emulsified asphalt

表2 用于測(cè)試的礦物集料級(jí)配Tab.2 Mineral aggregate gradation used for testing

1.2 測(cè)試方案

根據(jù)現(xiàn)有研究成果[12-13]，已經(jīng)在乳化瀝青含量分別為6%，7%，8%和9%，水泥含量為0%，2%，3%和4%情況下對(duì)水泥乳化瀝青混合料進(jìn)行過測(cè)試，為了分析水泥和乳化瀝青含量對(duì)混合物性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：(1)分析在水泥含量為3%時(shí)不同乳化瀝青含量(6%，7%，8%和9%)對(duì)混合物性能的影響。(2)分析在乳化瀝青含量為8%時(shí)不同水泥含量(0%，2%，3%和4%)對(duì)混合物性能的影響。根據(jù)ASTM C31，在20 ℃的溫度下將試樣在室內(nèi)固化7 d。每個(gè)性能測(cè)試評(píng)估4個(gè)試樣，并將平均值作為測(cè)試結(jié)果。

1.3測(cè)試方法1.3.1機(jī)械性能測(cè)試

本次試驗(yàn)可通過間接拉伸、壓縮和彈性模量測(cè)試來評(píng)估水泥乳化瀝青混合物的機(jī)械性能，分別進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

在間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)中，采用Marshal試樣，每個(gè)試樣的高度為(63.5±1.3) mm，直徑為 101.6 mm。 試驗(yàn)溫度設(shè)定在20 ℃，試驗(yàn)遵循標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，按照ASTM D6931-17標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定瀝青混合物的間接拉伸強(qiáng)度(IDT)[14]。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，采用直徑為100 mm，高度為100 mm的圓柱形進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度設(shè)定在15 ℃，試驗(yàn)按照瀝青混合料抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行(ASTM D1074-17)[15]。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將抗壓強(qiáng)度P分為10個(gè)載荷階段，其中前5個(gè)載荷階段(0.1P，0.2P，0.3P，0.4P和0.5P)用作試驗(yàn)載荷。試驗(yàn)中每個(gè)試樣以2 mm/min 的速率從0加載到0.1P，并記錄試樣的變形L1。然后以相同的速率將每個(gè)試樣從0.1P釋放到0，并且在結(jié)束后30 s記錄變形L′1，并利用回彈變形ΔL1表示加載和釋放時(shí)試樣變形的差異。其余的載荷即0.2P，0.3P，0.4P和0.5P分別加載到試樣上，然后記錄加載和釋放時(shí)試樣變形Li(i=2～5)，并計(jì)算每個(gè)載荷的回彈變形ΔLi，最后根據(jù)方程式計(jì)算彈性的壓縮模量。以第5級(jí)負(fù)載為例，彈性壓縮模量為：

(1)

式中，E′為彈性的壓縮模量；P5為應(yīng)用于試樣第5階段的載荷值0.5P；d為試樣的直徑；h為試樣的軸高；ΔL5為第5級(jí)負(fù)載的回彈變形。

1.3.2水分敏感性測(cè)試

混合物的水分敏感性可由凍融劈裂試驗(yàn)得到，如式(2)所示可通過計(jì)算拉伸強(qiáng)度比(TSR)指數(shù)[16-17]來評(píng)估混合物的水分敏感性，試驗(yàn)按照瀝青混合料、熱混瀝青的試驗(yàn)方法(EN 12697-12—2008)進(jìn)行。

(2)

式中，RT1為未經(jīng)歷凍融循環(huán)的第1組試樣間接拉伸強(qiáng)度的平均值；RT2為凍融循環(huán)后第2組試樣的間接拉伸強(qiáng)度的平均值。

1.3.3低溫彎曲試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)用于評(píng)估混合物的低溫特性, 試樣是從車轍板上切下的250 mm×30 mm×35 mm的棱柱。在萬能試驗(yàn)機(jī)(UTM)中的3個(gè)點(diǎn)處加載試樣，其中兩個(gè)樞軸點(diǎn)的距離為200 mm，試驗(yàn)溫度設(shè)定為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。由式(3)～式(5)分別計(jì)算彎曲拉伸強(qiáng)度RB，梁底部的最大彎曲應(yīng)變?chǔ)臖和失效時(shí)的彎曲蠕變剛度SB。試驗(yàn)按照公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范(JTJ052—2000)進(jìn)行。

(3)

(4)

(5)

式中，b為截面的寬度(30 mm)；h為截面的高度(35 mm)；L為樞軸間距(200 mm)；d為失效時(shí)試樣的中跨偏轉(zhuǎn)。

1.3.4Cantabro磨耗試驗(yàn)

Cantabro磨耗試驗(yàn)[18]用于評(píng)估混合物在沖擊載荷下的抗磨性能，將標(biāo)準(zhǔn)Marshall試樣(每側(cè)壓實(shí)50次)置于水箱中，并控制水箱溫度為(15±0.5) ℃。然后取出試樣，稱得質(zhì)量為m0，并對(duì)試樣進(jìn)行洛杉磯磨耗試驗(yàn)。洛杉磯磨耗試驗(yàn)設(shè)備以30～33轉(zhuǎn)/min的速度旋轉(zhuǎn)300次，在完成測(cè)試后稱取最大的殘留試樣質(zhì)量為m1，然后可以通過式(6)計(jì)算Cantabro損失。

(6)

式中，ΔS為瀝青混合物的Cantabro損失；m0為試驗(yàn)前試樣的質(zhì)量；m1為試驗(yàn)后殘留試樣的質(zhì)量。

2 機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果

2.1 間接拉伸強(qiáng)度

如圖1(a)所示為水泥含量為3%時(shí)，乳化瀝青含量對(duì)混合物間接拉伸強(qiáng)度的影響，如圖1(b)所示為乳化瀝青含量為8%時(shí)，水泥含量對(duì)混合物間接拉伸強(qiáng)度的影響。

圖1 水泥和乳化瀝青含量對(duì)間接拉伸強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of cement and emulsified asphalt contents on indirect tensile strength

從圖1中可以看出，隨著水泥和乳化瀝青含量的增加，混合物的間接拉伸強(qiáng)度先增大后減小。在水泥含量為3%且乳化瀝青含量為8%時(shí)，水泥-乳化瀝青混合物的間接拉伸強(qiáng)度達(dá)到峰值約為0.9 MPa。

2.2 抗壓強(qiáng)度

水泥和乳化瀝青含量對(duì)混合物抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。當(dāng)水泥含量為3%(圖2(a))時(shí)，隨著乳化瀝青含量的增加，混合物的抗壓強(qiáng)度先增加后降低，在乳化瀝青含量為8%時(shí)最大壓縮強(qiáng)度約為4.3 MPa，且水泥含量從0%增加到3%時(shí)混合物的抗壓強(qiáng)度明顯增加(圖2(b))。當(dāng)水泥含量為0%時(shí)，混合物的抗壓強(qiáng)度約為3.1 MPa。當(dāng)水泥含量分別為2%和3%時(shí)，混合物的抗壓強(qiáng)度迅速增加至約3.9 MPa和4.3 MPa。當(dāng)水泥含量達(dá)到4%時(shí)，混合物的抗壓強(qiáng)度略有下降。

圖2 水泥和乳化瀝青含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of cement and emulsified asphalt contents on compressive strength

2.3 彈性模量

圖3為20 ℃時(shí)水泥和乳化瀝青含量對(duì)混合物彈性模量的影響，在水泥含量為3%時(shí)，隨著乳化瀝青含量的增加，彈性模量先增加后降低(圖3(a))，在乳化瀝青含量為8%時(shí)，彈性模量達(dá)到峰值約為1 120 MPa，且隨著水泥含量的增加，水泥乳化瀝青混合料的彈性模量逐漸增加(圖3(b))。 當(dāng)水泥含量為0%時(shí)，彈性模量約為700 MPa；當(dāng)水泥含量為2%時(shí)，彈性模量增加至約960 MPa；當(dāng)水泥含量達(dá)到3%時(shí)，彈性模量接近最大值約1 150 MPa。

圖3 水泥和乳化瀝青含量對(duì)靜態(tài)彈性模量的影響Fig.3 Influence of cement and emulsified asphalt contents on static elastic modulus

3 路用性能測(cè)試結(jié)果

3.1 水分敏感性

圖4為混合物在不同乳化瀝青和水泥含量下的拉伸強(qiáng)度比(水分敏感性的量度)，本次采用凍融劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)水泥乳化瀝青混合物的水分敏感性。從圖4(a)可以看出，乳化瀝青含量的增加導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度比的增加，部分是由于骨料被乳化瀝青完全包裹以及空隙填充效果引起的。圖4(b)為乳化瀝青含量為8%時(shí)，不同水泥含量下混合物的拉伸強(qiáng)度比，加入水泥可大大提高混合物的水分敏感性。當(dāng)水泥含量為0%時(shí)，拉伸強(qiáng)度比小于70%，而當(dāng)水泥含量為3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度比增加至約85%。

圖4 水泥和乳化瀝青含量對(duì)拉伸強(qiáng)度比的影響Fig.4 Influence of cement and emulsified asphalt contents on tensile strength ratio

3.2 高溫穩(wěn)定性

通過車轍試驗(yàn)，評(píng)價(jià)水泥和乳化瀝青含量對(duì)水泥乳化瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響。如圖5(a)所示，當(dāng)水泥含量為3%時(shí)，混合物的高溫抗車轍性隨著乳化瀝青含量的增加而降低。具體而言，在乳化瀝青含量為9%時(shí)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性顯著低于乳化瀝青含量為8%時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。該現(xiàn)象主要是因?yàn)槿榛癁r青用量的增加導(dǎo)致在重復(fù)加載和高溫的共同作用下，高溫車轍阻力出現(xiàn)了明顯下降。

圖5 水泥和乳化瀝青含量對(duì)耐高溫車轍的影響Fig.5 Influence of cement and emulsified asphalt contents on high temperature rutting

如圖5(b)所示，當(dāng)乳化瀝青含量為8%時(shí)，混合物的高溫抗車轍性在水泥含量增加后表現(xiàn)出更好的性能，從而增加了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性并減小變形深度。當(dāng)水泥含量為3%時(shí)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性達(dá)到6 715次/mm，因?yàn)樗嘟档土嘶旌衔锏臏囟让舾行?，提高了瀝青砂漿的高溫黏度，從而提高了混合物的高溫變形抗力。

3.3 低溫特性

為了驗(yàn)證混合物在低溫下的抗裂性，進(jìn)行最大彎曲應(yīng)變和彎曲蠕變剛度(低溫性能測(cè)量)試驗(yàn)。通常，較大的最大彎曲應(yīng)變和較小的彎曲蠕變剛度值與較好的低溫抗裂性相關(guān)。如圖6～圖8所示為在-10 ℃下，乳化瀝青含量為8%，水泥含量為3%的情況下，混合物的彎曲拉伸強(qiáng)度，最大彎曲應(yīng)變和彎曲蠕變剛度。

圖6 水泥和乳化瀝青含量對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響Fig. 6 Influence of cement and emulsified asphalt contents on bending strength

圖7 水泥和乳化瀝青含量對(duì)最大彎曲應(yīng)變的影響Fig.7 Influence of cement and emulsified asphalt contents on maximum bending strain

圖8 水泥和乳化瀝青含量對(duì)彎曲蠕變剛度的影響Fig.8 Influence of cement and emulsified asphalt contents on bending creep stiffness

在水泥含量為3%時(shí)，乳化瀝青含量的增加導(dǎo)致水泥-乳化瀝青混合物的彎曲拉伸強(qiáng)度和最大彎曲應(yīng)變的增加。同時(shí)，彎曲蠕變剛度表現(xiàn)出降低，表明乳化瀝青含量的增加可以顯著改善混合物的低溫抗裂性。

在乳化瀝青含量為8%時(shí)，當(dāng)水泥含量從0%增加到4%時(shí)，混合物的彎曲拉伸強(qiáng)度先增加然后減小。最大彎曲應(yīng)變減小，彎曲蠕變剛度增加，表明隨著水泥含量的增加，混合物的低溫抗裂性能下降，特別是在水泥含量高于3%時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)水泥含量在2%和3%之間時(shí)，混合物的彎曲拉伸強(qiáng)度高，然而當(dāng)水泥含量增加到4%時(shí)，混合物的剛性增加并且最大彎曲應(yīng)變明顯降低。

3.4 耐磨性能

如圖9所示為水泥乳化瀝青混合料的Cantabro磨耗試驗(yàn)結(jié)果。在水泥含量為3%時(shí)，乳化瀝青含量的增加導(dǎo)致混合物的耐磨性增加(圖9(a))。隨著乳化瀝青含量增加至8%，包裹在骨料周圍的瀝青薄膜變稠，從而改善了試樣的完整性和黏結(jié)性，并使混合物的Cantabro損失保持在20%以下。在乳化瀝青含量為8%時(shí)，不同水泥含量下混合物的Cantabro損失如圖9(b)所示，隨著水泥含量從0%增加到4%，混合物的Cantabro損失先降低然后略有增加。

圖9 水泥和乳化瀝青含量對(duì)耐磨性的影響Fig.9 Influence of cement and emulsified asphalt contents on wear resistance

4 掃描電子顯微鏡(SEM)和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)結(jié)果

根據(jù)每個(gè)試樣的掃描電子顯微鏡和CT掃描圖像，從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)角度進(jìn)一步分析了水泥和乳化瀝青含量對(duì)水泥乳化瀝青混合料力學(xué)性能和路用性能影響。

在乳化瀝青中添加水泥后，瀝青砂漿的黏度增加，可加工性降低，如圖10所示分別為普通瀝青混合物和水泥乳化瀝青混合物(3%水泥，8%乳化瀝青)的SEM圖像。從圖像中可以看出，盡管來自瀝青破乳的水分為水泥水化提供了必要的水分，但是與普通瀝青混合物相比，水泥乳化瀝青漿料的表面在硬化后不光滑，并且表現(xiàn)出許多看起來不均勻的突起。另外，漿料內(nèi)部也形成許多孔，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)松散。

圖10 SEM圖像(500x)Fig.10 SEM images (500x)

如圖11、圖12所示，以2 mm的間隔對(duì)試樣進(jìn)行CT掃描，其中空隙顯示為白色，混合物顯示為黑

色。可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)乳化瀝青含量為8%和水泥含量為0%(圖11(a))，2%(圖11(b))和3%(圖11(c))時(shí)，混合物的空隙率差異較小，平均值約為4.2%。隨著水泥含量增加至4%，混合物的空隙率增加至5.08%，且大孔的數(shù)量明顯變多，之所以出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)樗嗪康脑黾邮沟脼r青砂漿的黏度增大，從而導(dǎo)致混合物成形后的流動(dòng)性差。在試驗(yàn)中該混合物表現(xiàn)出較差的可加工性并且難以混合和壓實(shí)，在最終混合物中留下更多的空隙。因此，水泥乳化瀝青混合物中水泥的量不應(yīng)超過3%。

細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)的差異也可以解釋為什么當(dāng)水泥含量超過3%時(shí)，混合物的間接拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和彈性模量不會(huì)隨著水泥含量的增加而增加。一般來說，混合物的機(jī)械強(qiáng)度與空隙率密切相關(guān)，較大的空隙率導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低。另外，水泥含量的增加導(dǎo)致AFt的增加，這部分有效地補(bǔ)償了抗壓強(qiáng)度和彈性模量的降低。當(dāng)水泥含量為4%時(shí)，混合物的空隙結(jié)構(gòu)增加也進(jìn)一步加劇Cantabro損失，同時(shí)混合物的疲勞性能也隨之降低。

圖11 具有不同水泥含量的水泥乳化瀝青混合物的CT圖像Fig.11 CT images of cement emulsified asphalt mixtures with different cement contents

圖12 具有不同乳化瀝青含量的水泥乳化瀝青混合物的CT圖像Fig.12 CT images of cement emulsified asphalt mixtures with different emulsified asphalt contents

圖13 水泥乳化瀝青混合物的水泥水化(3 000x)Fig.13 Cement hydration of cement emulsified asphalt mixture (3 000x)

此外，如圖13所示當(dāng)混合物中的水泥含量相對(duì)較高時(shí)，AFt生長(zhǎng)并穿透瀝青膜，分離連續(xù)瀝青膜，因此難以形成整體空間網(wǎng)絡(luò)。由于瀝青填料和不利于水合作用的酸性環(huán)境，水泥在混合物中沒有充分水合。AFt不能充分形成使用硬化水泥砂漿作為其空間框架的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水泥乳化瀝青混合物沒有完整的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來承受壓縮載荷，進(jìn)而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，乳化瀝青在黏合骨料和填充混合物的空隙中起到重要作用。從圖12的CT圖像可以看出，隨著乳化瀝青量的增加，混合物的空隙率逐漸降低。顯然與熱拌瀝青一樣，乳化瀝青也具有最佳含量，當(dāng)含量太低時(shí)乳化瀝青的量不足以使水泥黏合、填充和水合，從而限制混合物強(qiáng)度。當(dāng)含量超過最佳百分比時(shí)，過量的乳化瀝青完全包裹水泥顆粒并限制水泥的水合作用，導(dǎo)致混合物的機(jī)械性能降低。另外，混合物中空隙的細(xì)觀結(jié)構(gòu)也影響混合物的路面性能。

5 結(jié)論

(1)水泥和乳化瀝青含量的變化對(duì)水泥乳化瀝青混合料的強(qiáng)度特性有著顯著的影響。當(dāng)水泥含量為3%，乳化瀝青含量從6%增加到9%時(shí)，間接拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度和彈性模量先增加然后減小。在乳化瀝青含量為8%時(shí)，水泥含量從0%增加到4%時(shí)，間接拉伸強(qiáng)度先增加后減小。當(dāng)水泥含量約為3%時(shí)，壓縮強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到最大值。

(2)水泥的加入有效提高了水泥乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水分敏感性，但不利于混合料的低溫性能。在水泥含量為2%～3%時(shí)觀察到最佳的混合物耐磨性。

(3)在水泥乳化瀝青混合物中，水泥與瀝青破乳后的水分進(jìn)行反應(yīng)。AFt與瀝青薄膜交織形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，提高了混合物的水分敏感性和高溫穩(wěn)定性。