桥面铺装用水泥乳化沥青混合料早期性能研究

张志厅，于 华，陆 均

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

乳化沥青混合料能够改善施工条件、减少环境污染，主要用于路面养护和桥面铺装［1］。但施工后的乳化沥青混合料需要较长时间才能达到开放交通要求，因此，向乳化沥青混合料中掺加水泥是一种提高其强度的途径［2-5］。水泥乳化沥青混合料（Cement Emulsified Asphalt Mixture，CEAM）是一种以水泥和乳化沥青作为胶结料的复合材料，与普通水泥混凝土相比提高了柔性，与乳化沥青混合料相比提高了强度及刚性，兼有水泥混凝土和沥青混合料的优点［6］。此外，乳化沥青成膜后所释放的水分可以被水泥水化利用，较好地解决了沥青“憎水”和水泥水化“需水”间的矛盾，提高了水泥浆体与集料及乳化沥青与集料界面性能，具有强度高、高温稳定性好、施工能耗低以及和环境友好型等优点。

由于CEAM 中的水泥和乳化沥青两种胶结料性能差异大，两者相容性较差，从而影响混凝土性能。近年来，国内外学者研究了水泥掺量、水泥和乳化沥青质量比以及乳化沥青种类等对CEAM 性能影响［7-9］。WANG 等［10］研究了乳化沥青和水泥比例（Emulsified Asphalt to Cement，A/C）对两种CEAM 性能的影响，结果表明CEAM 的工作性和抗压强度随A/C 比的提高而显着降低；另外，含阴离子乳化沥青的CEAM 工作性能高于含阳离子乳化沥青的CEAM。TIAN 等［11］研究了CEAM 组分参数与其弹性模量之间的关系，研究结果发现A/C 是影响CEAM 力学性能的关键因素。LIU 等［12］研究了A/C 对CEAM 静态和动态力学性能的影响，结果表明随着A/C 提高，CEAM 的抗压强度、弹性模量以及损耗因子呈下降趋势。LIU 等［13］研究了SBS 和SBR 两种阳离子改性沥青对CEAM 工作性、气体含量以及力学性能的影响，结果表明随着A/C 提高，CEAM 工作性气体含量以及力学性能随之提高，而28 d 弹性模量呈现不同趋势。近年来，研究主要集中在CEAM 中水泥用量、A/C 以及乳化沥青种类对CEAM 路用性能的影响，鲜有研究涉及CAEM 早期强度发展。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）采用早强型硅酸盐水泥（PO 42.5R），主要性能见表1。（2）乳化沥青选用阴离子乳化沥青，技术指标见表2。（3）细集料为天然河砂，细度模数为2.5。粗集料为5 ～10 mm 连续级配碎石，技术指标见表3。（4）外加剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率为20%，含固量为35%，掺量为水泥质量1%。

表1 水泥技术性能

表2 乳化沥青技术性能

表3 碎石技术性能指标

1.2 配合比设计

通过调整A/C，以研究乳化沥青用量对新拌CEAM 早期力学性能和工作性的影响，试验配合比见表4。

表4 CEAM 配合比设计

1.3 试验方法

1.3.1 工作性能

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30—2005）中要求，测试水泥乳化沥青混合料凝结时间。

1.3.2 早期力学性能

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30—2005）中要求，测试水泥乳化沥青混合料早期力学性能。每组成型6 个试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm 和150 mm×150 mm×150 mm，试件在20+2 ℃、相对湿度为90%的标准养护条件下，养护至规定龄期进行力学性能测试。

1.3.3 孔隙率测试

采用压汞法（MIP）观察CEAM 孔隙率和孔径分布。将试样养护至规定龄期取出破碎，避免选取表面区域样品，将选好的块状砂浆置于酒精中终止水化预处理，试验前置于105 ℃下烘干样品，并置于干燥器中，试样制备过程中避免用力敲击样品，以免造成微细裂缝影响试验结果。

2 结果及讨论

2.1 工作性

乳化沥青用量对CEAM 工作性的影响见图1，工作性包括流动性和可工作时间两方面，流动性用拌合物的坍落度表征，可工作时间用拌合物的初凝时间表征。

图1 CEAM 工作性能测试结果

由图1 可知，在胶凝材料用量一定的情况下，CEAM 的坍落度和可工作时间随乳化沥青用量增加而提高，当A/B 值从0.3 提高到0.5 时，CEAM 坍落度提高了15.8%，可工作时间增加了112.5%。因为乳化沥青用量增加使浆体总量增加，从而提高了坍落度，同时乳化沥青用量的增加增大了对水泥颗粒的包裹厚度，阻碍了水泥的水化，使可工作时间延长。

2.2 早期力学性能

采用6 h 和28 d 抗压强度、抗折强度、28 d弹性模量评价CEAM 早期力学性能，研究A/C 对CEAM 早期强度发展规律的影响。

2.2.1 抗压强度

A/C 为 0.3、0.4、0.5 时，CEAM 的6 h 和28 d抗压强度测试结果见图2。

图2 沥青用量对CEAM 抗压强度影响

由图2 可知，随着水化龄期延长，不同A/C对CEAM 抗压强度提高规律基本一致，其中6 h 的CEAM 强度增长速率远高于之后。（1）随着沥青用量增加，CEAM 抗压强度出现降低趋势，当A/C 为0.3时，CEAM 6 h 抗压强度为24.6 MPa，当A/C 为0.5 时，其抗压强度降低了24.8%。（2）当A/C 为0.3 时，CEAM 28 d 抗压强度为28.7 MPa，当A/C 为0.5 时，其抗压强度降低了22.9%。结果表明随乳化沥青增多，试件抗压强度呈现不断降低趋势。

2.2.2 抗折强度

当A/C 为0.3、0.4、0.5 时，CEAM 的6 h 和28 d抗折强度测试结果见图3。可知，水泥乳化沥青混合料抗折强度随乳化沥青掺量增加而增加。（1）当A/C为0.3 和0.4 时，CEAM 抗折强度变化趋势基本一致，而当A/C 为0.5 时，CEAM 抗折强度出现大幅度降低，且水化龄期6 h 前抗折强度波动很大。（2）当A/C为0.3 时，CEAM 6 h 抗折强度为5.1 MPa，当A/C 为0.5 时，其抗折强度降低了25.5%。（3）当A/C 为0.3时，CEAM 28 d 抗折强度为5.7 MPa，当A/C 为0.5时，其抗折强度降低了28.1%。因为乳化沥青用量增加，CEAM 浆体内沥青对水泥颗粒包裹数量和沥青膜厚度增加，阻碍水泥水化反应。当乳化沥青用量适量增加时（A/C 为0.4），水泥颗粒部分和沥青接触，另外部分与水相接触，发生水化反应，此时对强度影响较小；当乳化沥青用量超过一定值时（A/C为0.5），沥青完全包裹水泥颗粒，阻止水泥颗粒与浆体中自由水接触，水泥水化初期只能与沥青成膜后排出的水发生反应，水泥颗粒并未完全水化，因此，对早期的力学性能影响较为明显，并且随着乳化沥青用量增加，浆体内部引入的原生缺陷随之增加，从而导致后期力学性能出现降低，故CEAM 的A/C值在0.4 左右较为合适。

2.2.3 压折比

当A/C 为 0.3、0.4、0.5 时，CEAM 的6 h 和28 d压折强度测试结果见图4。可知，A/C 为0.3 和0.4的试件，其压折比基本一致，表明当A/C 低于0.4 时，试件韧性变化幅度不大。而CEAM-3 试件的6 h 和28 d 压折比分别为4.8 和5.3，即当A/C 为0.5 时，试件压折比达到最佳值。

图3 沥青用量对CEAM 抗折强度影响

图4 水泥乳化沥青混合料压折比测试结果

2.2.4 弹性模量

沥青混合料28 d 弹性模量测试结果见图5。可知，随着乳化沥青用量增加，CEAM 弹性模量逐渐降低。例如，CAEM-1 的28 d 抗压模量为25.1 GPa，而CAEM-2 和CAEM-3 抗压模量分别为2.50 GPa 和1.57 GPa。结果表明，试件28 d 弹性模量随乳化沥青掺量增多而降低，水泥乳化沥青具有良好的变形能力。因为乳化沥青残留物水泥和集料与其相互缠绕在一起，在浆体内部形成空间网络结构，当这种结构受到外部激励荷载作用时，浆体内部通过空间网络结构连接、相互牵制形成一个统一整体，共同应对外部激励。

图5 水泥乳化沥青混合料28 d 弹性模量测试结果

2.3 孔结构分析

不同乳化沥青用量的CEAM 6 h 和28 d 水化龄期的孔隙率和孔径分布见图6、图7。

图6 水泥乳化沥青混合料孔隙率测试结果

图7 水泥乳化沥青混合料孔径分布

可以看出，乳化沥青用量增加，CEAM 总孔隙率增加，当A/C 从0.3 增加到0.5 时，水化龄期为28 d的 CEAM 总孔隙率由0.023 9 ml/g 增加到0.085 8 ml/g。对于沥青用量相同的CEAM试样，随着水化龄期延长，浆体内部孔隙率降低。随着乳化沥青用量增多，有害孔（50 ～200 nm）和多害孔（＞200 nm）数量逐渐提高，而少害孔（20 ～50 nm）和无害孔（＜20 nm）数量降低。表明过高的乳化沥青用量对水泥乳化沥青砂浆的孔结构存在不利的影响。因为CEAM 浆体内部水分因参加水化反应或蒸发作用会在浆体内部形成“空位”，影响浆体内部的孔结构；随着水化反应的进行，生成水化产物的量逐渐增多，这些水化产物会填充浆体内部的部分孔隙，因此出现孔隙率和平均孔径降低的现象，当提高沥青用量后，会增加浆体黏度，因此在拌和与成型过程中引入的气泡不易排出，从而对浆体的孔结构产生不利的影响。

3 结语

（1）A/C 对新拌CEAM 早期力学性能和工作性影响是有限的。当A/C 为0.3 和0.5 时，拌合物工作性较差，CEAM 浆体黏度差导致沉降和分层，故建议A/C 为0.4。（2）水泥乳化沥青混合料抗压强度和抗折强度随A/C 增加而降低，乳化沥青掺量越多，越不利于混合料强度形成。（3）加入乳化沥青后，CEAM 的强度形成与乳化沥青破乳成膜和水泥颗粒水化相互作用，而CEAM 变形能力主要与乳化沥青形成连续的互相交织缠绕形成互穿网络结构有关。当A/C 为0.5 时，试件压折比和弹性模量达到最低值，即拥有较好的变形能力。（4）乳化沥青成膜后所释放的水分被水泥利用，解决了沥青“憎水”和水泥水化“需水”间的矛盾，提高了水泥浆体与集料及乳化沥青与集料界面性能，实现CEAM“刚柔并济”。