包惠明，徐 偉，胡 超

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

熱拌瀝青路面為目前世界各國(guó)使用較廣泛的路面類型，但隨著交通流量和荷載的日益增加，車轍、裂縫、泛油等問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮，且修復(fù)代價(jià)昂貴。熱拌瀝青路面施工會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[1-2]。因此，合理地利用和開(kāi)發(fā)乳化瀝青以及工業(yè)廢渣不僅能保護(hù)環(huán)境，還能節(jié)約成本。

水泥乳化瀝青混合料又稱為水泥乳化瀝青混凝土[3]，是一種無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料[4]，其作為膠結(jié)材料，可有效降低混凝土生產(chǎn)施工過(guò)程中能源消耗及污染物的排放，同時(shí)兼?zhèn)錇r青混凝土的柔性和水泥混凝土的剛性[5-6],具有能耗低、污染小、施工方便等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。因此，作為建筑材料被廣泛應(yīng)用于路面工程[10-11]和鐵路工程[12]。早在1974年，文獻(xiàn)[13]就報(bào)道了水泥可以提升乳化瀝青混合料的強(qiáng)度。

科研人員通過(guò)宏觀試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)分析方法，研究了水泥乳化瀝青混合料的力學(xué)性能影響因素。文獻(xiàn)[14]研究了集料級(jí)配和黏結(jié)劑用量對(duì)水泥乳化瀝青混合料力學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[15]研究了孔隙特征對(duì)混合料性能的影響。文獻(xiàn)[16]的研究表明：水泥的加入明顯影響了混合料的力學(xué)性能。這些研究多集中于采用不同膠結(jié)材料時(shí)混凝土的力學(xué)性能及路用性能等性能方面，而對(duì)水泥乳化瀝青混合料初期性能研究較少，然而初期性能對(duì)混凝土的路用性能和耐久性能等有直接影響[4]，因此，需要探究水泥乳化瀝青混合料的初期強(qiáng)度影響因素以及機(jī)理[17-19]。但混合料在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，初期強(qiáng)度形成過(guò)程存在著很多不確定性，因而需要對(duì)混合料初期性能進(jìn)行工前分析和預(yù)測(cè)。

為降低水泥乳化瀝青混合料強(qiáng)度發(fā)展的不確定性，充分發(fā)揮混合料的力學(xué)性能，本文測(cè)定了組成材料的需水率，以聚類分析理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了試驗(yàn)。分析了材料摻量、水分損失、孔隙率和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混合料初期強(qiáng)度的影響，結(jié)合掃描電鏡研究了混合料強(qiáng)度的微觀影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

集料選材為強(qiáng)度較高的堿性石灰?guī)r。各種材料按照相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范檢測(cè)，所有粒徑小于0.075 mm的材料均為實(shí)驗(yàn)室篩選而得。水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的有關(guān)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。集料、礦粉密度依據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)方法測(cè)定。

乳化瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。陰離子乳化瀝青相比于陽(yáng)離子乳化瀝青具有更好的混合穩(wěn)定性，在拌和過(guò)程中不會(huì)因pH值的變化而產(chǎn)生絮凝[19]，因此，本文選擇陰離子乳化瀝青。采用的外摻材料為粉煤灰、硅粉，性能試驗(yàn)均符合相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)程。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 需水性類別劃分

由于水泥的摻入，混合料初期強(qiáng)度水敏感性較強(qiáng)，因而材料的需水率不同會(huì)影響到混合料的初期強(qiáng)度，為此，本文首先在需水性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將不同需水率的材料按類別進(jìn)行劃分，再在類別的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)。不同材料的需水率見(jiàn)表1。

表1 不同材料需水率

劃分方法如下：把不同材料需水率數(shù)據(jù)作為點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種材料。如果按照黏稠狀態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，則把數(shù)據(jù)線性之間離得較近的歸為一類，如果繼續(xù)考慮流動(dòng)狀態(tài)，那么兩者就為平面上的一個(gè)點(diǎn)。多個(gè)變量為高維空間中的一個(gè)點(diǎn)，多種材料為高維空間的多個(gè)點(diǎn)?？臻g中多個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)簇，在簇中尋找關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的兩者對(duì)關(guān)聯(lián)體系進(jìn)行迭代計(jì)算，便將關(guān)聯(lián)體系進(jìn)行分類[20]。

計(jì)算步驟：

(Ⅰ)將單個(gè)樣本分為一類,k個(gè)樣本則分為k類，樣本設(shè)為：

xα=(xα1,xα2,…,xαd),α=i,j,…，

(1)

其中：樣本xα為d維的特征向量。每維特征值都為連續(xù)型函數(shù)值。

(Ⅱ)用歐氏距離度量樣本之間的距離。將距離最近的兩個(gè)樣本合并為一個(gè)類別，繼而形成k-1個(gè)類別。

(2)

其中：d(xi,xj)表示xi∈Gp,xj∈Gq之間的距離。

(Ⅲ)列出樣本的相異度矩陣：

(3)

其中：dij=d(xi,xj)。

(Ⅳ)求k-1個(gè)類別與其他類別之間的距離，將距離最近的兩個(gè)類別合并為一類。若類別個(gè)數(shù)>1，則繼續(xù)重復(fù)，直到所有類別合并為一類[19]。類GP與Gq之間的距離為：

Dpq=mind(xi,xj)。

(4)

經(jīng)過(guò)幾輪迭代后劃分的需水率聚類分析分類圖如圖1所示。由圖1可知:需水率與材料的性質(zhì)密切相關(guān)，因而把需水率不大的水泥、礦粉、砂劃為類別Ⅰ，之后按需水性將粉煤灰、乳化瀝青、硅粉依次劃分為類別Ⅱ、類別Ⅲ和類別Ⅳ。分析劃分后的類別可知：一方面，類別Ⅰ中材料初期需水率較小，因而在考慮初期影響因素時(shí)，初期水化反應(yīng)會(huì)比較充分，強(qiáng)度較大;另一方面，在相同摻水條件下，需水率較強(qiáng)的硅粉用量的變化會(huì)影響混合料的初期水化反應(yīng)，從而間接影響混合料的初期強(qiáng)度。

圖1 需水率聚類分析分類圖

1.2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣按照劃分類別進(jìn)行，將類別Ⅰ的材料分別與類別Ⅱ、類別Ⅲ和類別Ⅳ的材料組合，其中，變量分別為類別Ⅰ中的水泥、類別Ⅱ中的粉煤灰、類別Ⅲ中的乳化瀝青和類別Ⅳ中的硅粉。初始水泥用量占膠漿用量的60%；粉煤灰和硅粉用量占膠漿用量的0%、5%、10%、15%；乳化瀝青用量占整體用量的0%、3%、5%、7%、9%；礦粉用量占膠漿用量的10%；砂用量占膠漿用量的20%。為探究水泥變量的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中以粉煤灰和硅粉增加幅度代替水泥摻量，膠漿中摻合料的增加幅度為5%，相應(yīng)水泥的下降幅度為5%，選取集料級(jí)配為間斷級(jí)配，為保證混合料擁有足夠的孔隙率，便于探究孔隙率對(duì)混合料初期力學(xué)性能的影響，集料級(jí)配設(shè)計(jì)運(yùn)用改進(jìn)主骨料孔隙填充(course aggregate void filling，CAVF)法，得到的集料級(jí)配見(jiàn)表2。方案流程圖見(jiàn)圖2。試件養(yǎng)護(hù)溫度為(25±3) ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d。

表2 集料級(jí)配

圖2 方案流程圖

1.3 試驗(yàn)樣品制備

水泥乳化瀝青混合料的混合過(guò)程包括3個(gè)步驟：首先，在攪拌機(jī)內(nèi)加入集料的預(yù)濕用水，與干骨料攪拌90 s；然后，將所需的水和乳化瀝青加入攪拌機(jī)攪拌90 s；然后，為了保證混合料的均勻性和和易性，取出后人工攪拌60 s?；旌虾螅民R歇爾擊實(shí)儀器制作馬歇爾樣品，用于試驗(yàn)。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 摻加材料需水率試驗(yàn)

摻加材料中，每種材料都有其需水特性，而混合料初期強(qiáng)度由于存在水泥水化反應(yīng)，具有較強(qiáng)的水敏感性，為此，對(duì)每種材料的需水率進(jìn)行實(shí)測(cè)。取50 g原材料放于容量為100 mL的量筒中，以10 g為單位，用滴管向量筒中加水，達(dá)到潤(rùn)濕狀態(tài)后用玻璃棒進(jìn)行攪拌，并以g為單位，用滴管向量筒中加水，直到原材料達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)。原材料濕潤(rùn)可流動(dòng)，流出量筒狀態(tài)呈間斷液滴狀，表明混合料達(dá)到了黏稠狀態(tài)；材料流出剛好呈連續(xù)流動(dòng)狀，表明材料已經(jīng)達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)。每種狀態(tài)測(cè)試3次，用水量取平均值。記錄每種材料在兩種狀態(tài)的用水量，不同狀態(tài)材料用水率見(jiàn)表1。乳化瀝青為液態(tài)，體積含水率為46%～48%。粗細(xì)集料作為骨架結(jié)構(gòu)，不作為摻合料，因此不考慮其需水率。

1.4.2 水分損失試驗(yàn)

由于水化反應(yīng)的存在，混合料初期強(qiáng)度受水化反應(yīng)影響較大，為此，對(duì)混合料初期內(nèi)部水分變化進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)試方法為擊實(shí)試樣脫模后，每12 h稱取不同乳化瀝青摻量混合料的質(zhì)量。

1.4.3 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)為測(cè)定混合料應(yīng)力應(yīng)變的試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。制備馬歇爾試樣過(guò)程中，為防止膠漿稀釋流出、減少集料表面水分蒸發(fā)、保證試樣的質(zhì)量，用薄膜包裹混合料后再進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)為上下各50次。試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速率為50 mm/min。

1.4.4 掃描電鏡試驗(yàn)

用掃描電鏡對(duì)微觀黏結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)不同條件下養(yǎng)護(hù)7 d的試樣取芯，目的是更好地觀察環(huán)境變量下內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。掃描電鏡分辨率為5 μm和10 μm，試驗(yàn)條件為真空，試驗(yàn)電壓為5.0 kV。

1.4.5 孔隙率測(cè)定試驗(yàn)

為探明不同孔隙率下的粗細(xì)集料分布與黏結(jié)狀態(tài)，對(duì)混合料切面進(jìn)行了分析。將不同粗細(xì)集料下的馬歇爾試樣切片，選擇較均勻的片狀作試樣，兩側(cè)選定固定區(qū)域1 000 pixels×800 pixels，用image J軟件閾值處理后再用PCAS軟件分析圖像的孔隙率變化，黏結(jié)狀態(tài)孔隙率分析斷面和分析區(qū)間見(jiàn)圖3。

(a) 孔隙率分析斷面 (b) 分析區(qū)間

圖3 黏結(jié)狀態(tài)孔隙率分析斷面和分析區(qū)間圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 摻合料摻量與類型對(duì)初期強(qiáng)度的影響

圖4 穩(wěn)定度與摻合料摻量的關(guān)系

圖4為穩(wěn)定度與摻合料摻量的關(guān)系。由圖4可知：在養(yǎng)護(hù)初期，由于水泥用量逐步減少，隨著摻合料摻量的增加，混合料穩(wěn)定度呈下降趨勢(shì)。此外，由于粉煤灰和硅粉的物理結(jié)構(gòu)、需水率差異，摻加硅粉的混合料下降趨勢(shì)更為明顯。

圖5為掃描電鏡圖，其中，摻0%表示未摻加摻合料，EA表示乳化瀝青，SF表示硅粉，F(xiàn)A表示粉煤灰，下同。從圖5c和圖5d中可以看出：摻加10%摻合料的混合料內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)相比于未摻加摻合料(見(jiàn)圖5a)，其結(jié)構(gòu)松散，粉煤灰和硅粉球形結(jié)構(gòu)未被破壞，初期水化反應(yīng)弱，故而增加摻合料摻量會(huì)降低混合料的強(qiáng)度。由于硅粉粒徑遠(yuǎn)小于粉煤灰，摻加硅粉的物理結(jié)構(gòu)多呈微孔連接狀，黏結(jié)成塊時(shí)結(jié)構(gòu)較為松散，故而強(qiáng)度低于粉煤灰混合料。研究結(jié)果表明：摻合料的增加會(huì)降低混合料的初期強(qiáng)度，硅粉對(duì)初期強(qiáng)度的影響大于粉煤灰。

另外，由于水泥被摻合料替代，水泥用量的減少會(huì)降低混合料的穩(wěn)定度。從圖5b和圖5c可知：在未摻加摻合料的時(shí)候，混合料結(jié)構(gòu)面連接較為緊密，當(dāng)摻合料替代水泥后，結(jié)構(gòu)面由于摻合料的增加而變得松散，強(qiáng)度也逐步降低。其主要原因?yàn)椋核嘤捎谠缙诘匿X酸三鈣水化迅速，其初期硬化特性高于火山灰質(zhì)活性材料，故其對(duì)初期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，水泥用量的減少會(huì)降低混合料的初期強(qiáng)度。

2.2 乳化瀝青摻量對(duì)初期強(qiáng)度的影響

乳化瀝青摻量分別為0%、3%、5%、7%和9%，相應(yīng)的穩(wěn)定度分別為196.22 kN、145.43 kN、127.82 kN、89.64 kN和59.21 kN。隨乳化瀝青摻量的增加，每級(jí)穩(wěn)定度下降幅度分別為26%、12%、30%和34%，可見(jiàn)混合料穩(wěn)定度隨乳化瀝青摻量的增加而降低，主要是由于乳化瀝青呈膠團(tuán)狀游離于水中，與試樣接觸后，膠團(tuán)呈黏彈性，會(huì)影響混合料的整體強(qiáng)度。對(duì)比未摻乳化瀝青的圖5b和摻加9%乳化瀝青的圖5e可知：乳化瀝青膠團(tuán)與細(xì)微填料的結(jié)合面，其結(jié)構(gòu)面與未摻乳化瀝青相比，更為松散，結(jié)構(gòu)面區(qū)域水化特征降低，故穩(wěn)定度隨乳化瀝青摻量的增加而降低。結(jié)果表明：乳化瀝青摻量的增加會(huì)降低混合料初期強(qiáng)度。

(a) 0%摻,0%EA,干燥

(b) 0%摻,0%EA,浸潤(rùn)

(c) 10%FA,0%EA,浸潤(rùn)

(d) 10%SF,0%EA,浸潤(rùn)

(e) 0%摻,9%EA,浸潤(rùn)

圖5 掃描電鏡圖

2.3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)初期強(qiáng)度的影響

圖6 初期養(yǎng)護(hù)條件與穩(wěn)定度的關(guān)系

圖6為初期養(yǎng)護(hù)條件與穩(wěn)定度的關(guān)系。由圖6可知：在混合料初期，不同的初期養(yǎng)護(hù)條件會(huì)對(duì)其穩(wěn)定度產(chǎn)生一定的影響，但其規(guī)律性并不明顯。對(duì)比干燥養(yǎng)護(hù)條件試樣(見(jiàn)圖5a)和浸潤(rùn)養(yǎng)護(hù)條件試樣(見(jiàn)圖5b)的微觀圖像可知：初期養(yǎng)護(hù)條件不同，混合料微觀結(jié)構(gòu)面并無(wú)顯著改善，摻加摻合料后，甚至還會(huì)使結(jié)構(gòu)面黏結(jié)更為松散，由此可知，初期養(yǎng)護(hù)條件并不是影響初期強(qiáng)度的主要條件。

2.4 孔隙率對(duì)初期強(qiáng)度的影響

孔隙率分別為18.57%、20.10%、21.16%、21.90%和22.03%，相應(yīng)的穩(wěn)定度分別為191.66 kN、133.75 kN、74.29 kN、58.89 kN和35.86 kN。隨孔隙率的增加，每級(jí)穩(wěn)定度下降幅度為30%、44%、21%和39%，可見(jiàn)混合料的穩(wěn)定度隨孔隙率的提升而降低。圖7為孔隙原圖和黏結(jié)狀態(tài)分析圖。對(duì)比表面孔隙率為16.48%和24.13%的混合料圖像(見(jiàn)圖7a和圖7b)，以及其黏結(jié)狀態(tài)分析圖(見(jiàn)圖7c和圖7d)可知：在16.48%孔隙區(qū)域A中，粗細(xì)骨料之間接觸面緊湊，結(jié)構(gòu)面骨架粗細(xì)集料分配較為均勻，故強(qiáng)度較高；在24.13%孔隙率區(qū)域B中，集料間距增加，接觸面減少，且接觸面多由瀝青以及膠漿組成的界面過(guò)渡區(qū)組成，因此降低了混合料的強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：孔隙率的提升會(huì)降低混合料的強(qiáng)度。

(a) 16.48%孔隙原圖

(b) 24.13%孔隙原圖

(c) 16.48%孔隙黏結(jié)狀態(tài)分析

(d) 24.13%孔隙黏結(jié)狀態(tài)分析

圖7 孔隙原圖和黏結(jié)狀態(tài)分析圖

2.5 水分損失對(duì)初期強(qiáng)度的影響

圖8 初期水分損失分析圖

圖8為初期水分損失分析圖。由圖8可知：混合料的初期水分損失與乳化瀝青摻量密切相關(guān)，乳化瀝青摻量越多，初期水分損失就越大。其主要原因一方面是乳化瀝青摻量的增多會(huì)提升內(nèi)部孔隙，增加水分蒸發(fā)量；另一方面，由48 h時(shí)初期水分損失可知，此時(shí)乳化瀝青破乳釋放游離水，為水泥的初始水化提供水分，同樣增加了水分損失。結(jié)合2.2小節(jié)中乳化瀝青摻量與穩(wěn)定度的關(guān)系可知，初期水分損失會(huì)降低混合料的初期強(qiáng)度。

2.6 主要影響因素分析

上文得到了各種因素對(duì)混合料初期強(qiáng)度的影響，但實(shí)際生產(chǎn)中往往要抓住主要因素，以方便工前控制。因此，需要綜合選取并分析影響混合料強(qiáng)度的主要因素[21-22]。本文選取混合料的多種初期強(qiáng)度影響因素，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論分析影響因素與混合料初期強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性?；疑P(guān)聯(lián)理論分析是根據(jù)灰度來(lái)評(píng)判因素之間關(guān)聯(lián)的程度，關(guān)聯(lián)度越大則表明關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度分析實(shí)則是分析因素間關(guān)聯(lián)曲線的相似程度[22]?；疑P(guān)聯(lián)表達(dá)式為：

(5)

其中：

(6)

其中：r(X0,Xi)為灰色關(guān)聯(lián)度；r(x0(k),xi(k))為關(guān)聯(lián)系數(shù)；n為元素個(gè)數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，且ρ∈[0，1]。

本文以混合料穩(wěn)定度為參考列，影響條件為比較列，列出穩(wěn)定度與材料的相關(guān)信息列，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)理論分析?；疑P(guān)聯(lián)理論分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 灰色關(guān)聯(lián)理論分析結(jié)果

由表3可知：混合料的初期強(qiáng)度影響因素中，影響程度由大到小依次為：水泥摻量>孔隙率>12 h水分損失>硅粉摻量>乳化瀝青摻量>粉煤灰摻量。結(jié)合按需水性對(duì)材料聚類分析的結(jié)果，Ⅳ類硅粉>Ⅲ類乳化瀝青>Ⅱ類粉煤灰，結(jié)論趨向與灰色關(guān)聯(lián)理論分析結(jié)果一致，同時(shí)證明分析結(jié)論的正確性。由此可知：材料需水性與混合料初期強(qiáng)度息息相關(guān)，因而對(duì)不同材料進(jìn)行需水性劃分是必要的；影響因素中，水泥摻量與初期強(qiáng)度相關(guān)性最大，同比超過(guò)孔隙率11%，超過(guò)12 h水分損失12%，超過(guò)硅粉29%。結(jié)果表明：混合料的初期強(qiáng)度影響因素中，在一定的摻量范圍內(nèi)摻合料對(duì)初期強(qiáng)度的影響較小，水泥摻量影響最大，孔隙率、12 h水分損失次之。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)采用聚類分析理論把材料按需水率分為4類，在分類的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)試驗(yàn)。由于粉煤灰和硅粉的物理結(jié)構(gòu)性差異，混合料強(qiáng)度隨摻合料的增加而降低；粉煤灰微觀黏結(jié)空間更為密實(shí)，因而對(duì)初期強(qiáng)度影響程度為硅粉>粉煤灰。

(2)隨摻合料增加，水泥摻量降低，同樣會(huì)降低混合料的初始強(qiáng)度；且由于摻加乳化瀝青后會(huì)使膠漿瀝青結(jié)合面變得松散，初期強(qiáng)度便隨乳化瀝青的增多而降低。

(3)由于初期水化時(shí)間差不多，干燥和浸潤(rùn)養(yǎng)護(hù)條件下的混合料強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯；但干燥條件下的混合料摻加乳化瀝青后，水分損失與乳化瀝青摻量呈正向趨勢(shì)，強(qiáng)度隨水分損失而降低。

(4)實(shí)測(cè)孔隙率試驗(yàn)得出強(qiáng)度隨孔隙率的增加而降低；灰色理論分析得出混合料初期強(qiáng)度影響因素中影響程度依次為：水泥摻量>孔隙率>12 h水分損失>硅粉摻量>乳化瀝青摻量>粉煤灰摻量。

(5)在對(duì)初期強(qiáng)度要求較高的路面修補(bǔ)等領(lǐng)域，要求混合料盡快發(fā)揮其初始性能，就需要采用合理的水泥摻量，以減小孔隙率以及減少水分損失。