纤维对水泥-乳化沥青混合料性能的影响研究

马 超，赖兆平

(广东省公路建设有限公司，广东 广州 510660)

0 引言

近年来由于公路交通行业在节能减排、绿色施工等方面的发展需求，新型材料水泥-乳化沥青混合料进入国内外研究学者的视野，它是由水泥-乳化沥青胶浆为胶结料和集料经强制冷拌形成的沥青混合料，制备和施工过程中无需加热，具有节能减排、施工方便等优势，符合公路交通行业对于碳排放和环保相关要求[1-2]。但在工程实践中发现，同等条件下的水泥-乳化沥青混合料与热拌沥青混合料相比，在不同荷载模式下的强度与综合路用性能等方面表现较差，这严重影响了水泥-乳化沥青混合料在各等级道路上大范围推广应用[3-4]。

2013年长安大学的肖晶晶等[5]指出乳化沥青和水泥用量是影响水泥-乳化沥青混合料空隙特征的重要参数，从CT和SEM等微观试验结果中可知，试件中空隙尺寸与乳化沥青掺量成反比，水泥超过一定掺量时，混合料中表观空隙率和大尺寸空隙比例显著增大，其内部构造比热拌沥青混合料较疏松。2015年长安大学的肖晶晶等[6]采用MQK和SBT两种乳化剂进行复配，目的在于了解不同乳化剂复配方案对水泥-乳化沥青混合料的施工和易性和路用性能的影响，报告中显示0.8%MQK+1%SBT是最佳的复配方案。同时期李元元等[7]认为偶联剂能够改善集料与水泥-乳化沥青胶浆的界面结构，研究过程重点分析了偶联剂用量对混合料单轴抗压强度的影响程度，推荐偶联剂水溶液(偶联剂：水=1:3)比例为4%，成型试件过程中发现1次旋转压实形成试件的密实度远差于2次击实。2017年秦先涛等[8]通过一系列试验验证了水泥乳化沥青比例对水泥-乳化沥青混合料黏弹性和微观结构的影响趋势是一致的，当水泥乳化沥青比例为0.8时，其复数模量是纯乳化沥青的2.5倍，由于水泥与乳化沥青结合后形成了一种相互贯穿、多点接触的均质空间网络结构，抗压强度和抗变形能力较乳化沥青混合料大幅度提高。2019年李东和等[9]认为粗集料构造与水泥-乳化沥青混合料的抗水损害性能和抗滑性能相关性较强，而对其高温稳定性和低温抗裂性能影响很小。同年张翠红等[10]引入了基于有效平均应力的压实变形Bodner-Partom本构模型，以此分析水泥-乳化沥青混合料在碾压过程中的黏弹塑性变形特性和机理，进一步依据时间与应变的拟合曲线准确得出相关模型参数。包洵等[11]针对水泥-乳化沥青混合料早期强度低和流动性差等问题，研制出一种具备超早强特性的水泥-乳化沥青混合料，他认为乳化沥青掺量是影响工作性的消极因素，乳化沥青掺量越多，混合料体系水化产物越少，即密实度也较差，当采用快硬性水泥时，混合料的1 d强度可达28 d强度的 85%。2020年包惠明等[12]基于聚类分析理论探究影响水泥-乳化沥青混合料初期强度的各种因素，相关数据显示内部空间结构松散程度和黏结状态是两个主要因素，材料组成中的粉煤灰、硅粉、乳化沥青可降低混合料内部密实度，而养生条件对初期强度几乎没有影响。

本研究针对水泥-乳化沥青混合料综合路用性能逊色于同等条件下的热拌沥青混合料，在混合料中加入不同种类纤维，通过一系列相关试验验证纤维对性能的增强效果，分析纤维性能增强机理，并比较不同性质纤维的作用效果，为公路交通绿色建养提供材料保证。

1 原材料和试样制备

1.1 原材料

1.1.1乳化沥青

本研究所使用的乳化沥青是通过胶体磨自行研制的阳离子慢裂快凝型乳化沥青，沥青采用重交70#基质沥青，根据相关试验规范对技术指标进行测定，如表1所示，均满足施工技术规范的要求，试样制备过程中维持油石比为5%不变。

1.1.2水泥

为保证混合料的优越性和稳定性，选用PO42.5普通硅酸盐水泥，保证所有水泥材料来源于同一批次，其指标参数如表2所示，掺量为集料质量的2%。

表1 乳化沥青基本技术指标Table 1 Basic technical indexes of emulsified asphalt类别筛上剩余量(80 m)/%恩格拉年度Ev(25 ℃)储存稳定性(1 d)/%储存稳定性(5 d)/%蒸发残留物固含量/%针入度(100 g,25 ℃,5 s)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 ℃)/cm试验结果0.02130.121.462715730技术要求≤0.23-30≤1≤5≥6040-100≥53≥20

表2 PO42.5水泥基本技术指标Table 2 Basic technical indexes of PO42.5 cement类别比表面积/(m-2·kg)初凝时间/min终凝时间/min干收缩率/%试验结果3751405800.03技术要求300～450≥60≤720≤0.1

1.1.3纤维

本研究分别选用聚酯纤维和水镁石纤维两种不同性质的纤维作为研究对象，在探究纤维对水泥-乳化沥青混合料性能增强效果的同时进行对比分析，进一步筛选适宜的纤维类型，聚酯纤维和水镁石纤维样品见图1和图2，其掺量分别为0.2%和0.3%，按照《沥青路面用纤维》(JT/T 533-2020)中相关指标要求进行评价，技术指标见表3。

图1 聚酯纤维样品

图2 水镁石纤维样品

1.2 级配设计

本研究涉及的水泥-乳化沥青混合料欲用于沥青路面上面层，另外根据已有研究成果显示密级配的水泥-乳化沥青混合料具有较强的附着力，所以混合料选用AC-13级配类型，经过配合比设计得到如图3所示的目标配合比设计曲线。

表3 纤维的基本技术性能Table 3 Basic technical properties of fiber类别颜色平均长度/mm平均直径/m密度/(g·cm-3)含水率/%断裂强度/MPa断裂伸长率/%通过率(0.15 mm筛)/%纤维类型聚酯纤维白色7191.2950.0432511—水镁石纤维灰白色0.2-42-42.1750.09——9性能要求—10～38/≤615～35/≤5—≤0.2≥270≥8≤20

图3 水泥-乳化沥青混合料目标配合比设计曲线

1.3 试件制备

混合料制备过程中应严格控制各组成材料的掺配比例，首先按照目标配合比在转速可调的搅拌机中加入集料、水泥和纤维(根据试验要求添加)，低速搅拌1 min至混合均匀，然后缓慢倒入2 %的水并搅拌均匀，接着按照油石比要求添加乳化沥青，最后快速搅拌30 s即可得到水泥-乳化沥青混合料。

对于试验方法中的抗压强度试验和浸水马歇尔试验采用的圆柱体试件，使用马歇尔击实仪将混合料双向击实50次，在25 ℃恒定温度条件下养生24 h后接着再次双向击实25次，即为试验用圆柱体试件；对于车辙试验、低温弯曲试验、四点弯曲疲劳试验采用的板式和梁式试件，使用振动轮碾成型仪，先轮碾12次往返，25 ℃养生后再次进行12次往返，即得到试验要求的板式试件，梁式试件根据尺寸要求进行切割得到。

2 试验方法

水泥-乳化沥青混合料的车辙试验和浸水马歇尔试验与热拌沥青混合料的试验方法一致，具体做法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验过程》(JTG E20-2011)。

2.1 抗压强度试验

在万能试验机MTS上进行抗压强度试验，采用应力控制模式，加载速率为2 mm/min，整个试验过程在恒定温度的环境箱中进行，温度保持在20 ℃。根据试验数据绘制应力-应变曲线，抗压强度则通过曲线中的数据计算得到。

2.2 低温弯曲试验

采用低温弯曲试验对掺加纤维的水泥-乳化沥青混合料进行低温拉伸性能评价，试件为250 mm×30 mm×35 mm的小梁，试验温度设定为-10 ℃，在50 mm/min的加载频率下试验得到试件破坏时的抗弯拉强度(RB)、最大弯曲应变(εB)和弯曲劲度模量(SB)，综合评价纤维添加对水泥-乳化沥青混合料低温性能的增强效果。

2.3 四点弯曲疲劳试验

根据已有研究成果可知，简单加载模式下的应力控制模式与我国沥青路面结构设计原理较为贴合，适用于水泥-乳化沥青混合料的疲劳耐久性研究，本试验参数设置如下：荷载控制模式为应力控制，温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为正弦波，应力比为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。四点弯曲疲劳试验装置图见图4。

图4 四点弯曲疲劳试验装置图

将疲劳寿命试验结果带入到S-N疲劳方程，采用专用数据拟合软件Origin进行数据拟合，其为应力控制模式下的疲劳方程，如式(1)所示。然后对应力比和疲劳寿命进行双对数回归，可得到一条线性的函数关系曲线，如式(2)所示。疲劳方程中的斜率n越大，疲劳寿命随应力比的增加减小速率越大；K值越大，其所代表的疲劳方程曲线的截距也就越大，疲劳耐久性更好。

(1)

lgNf=lgK-nlgt

(2)

式中：Nf为小梁试件破坏时经过的循环荷载次数，即疲劳寿命；K，n是关于材料组成和试验方法的参数；t为试验过程中施加的应力比。

3 结果与讨论

3.1 抗压强度试验

为了探索水泥-乳化沥青混合料的力学特性规律与较为直观的对比纤维对混合料力学性能的提升效果，以应变为横轴、应力为纵轴，将试验数据进行拟合，如图5所示。

图5 4种沥青混合料的应力-应变曲线

由图5的变化趋势可知，任何一种混合料在初始阶段应力与应变成正比例关系，且应力增长速度不断加快，具有明显的反向弯曲段，在应力达到峰值后两者转成反比例关系，虽然不同混合料的应力-应变曲线变化趋势一致，但也存在较大差异，具体表现为：①在乳化沥青混合料中加入水泥和纤维后，其应力-应变曲线的反向弯曲截面变宽，即添加水泥和纤维后，在应力初始阶段混合料的应变速度相对较快，这是因为水泥和纤维加入后带来较多的空隙，尤其是水泥水化过程使混合料内部出现了更多空隙，使应变在低应力水平下加快增长；②各混合料应力-应变曲线的峰值排序为掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青混合料>掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青混合料>水泥-乳化沥青混合料>乳化沥青混合料，添加纤维后的水泥-乳化沥青混合料抗压强度增大，这是由于水泥水化产物、破乳后的沥青和纤维形成复合体系，加强了各体系间的黏结，与水泥乳化沥青混合料相比，抗压强度有一定程度提高，聚酯纤维和水镁石纤维的增强效果基本一致。

3.2 车辙试验

在60 ℃条件下进行各混合料的车辙试验，记录45 min和60 min时的车辙变形，以此计算得到表征高温稳定性的动稳定度DS，试验结果见表4。

表4 四种沥青混合料的车辙试验结果Table 4 Rutting Test Results of Four Asphalt Mixtures混合料类型养生时间/d试验结果45 min车辙变形/mm60 min车辙变形/mm动稳定度DS/(次·mm-1)水泥-乳化沥青0.760.8014 248掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青70.610.6329 633掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青0.640.6627 138水泥-乳化沥青0.710.7517 029掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青280.500.5332 615掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青0.540.5631 887

由表4的试验结果可知，经过7 d和28 d养生的水泥-乳化沥青混合料、掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青混合料、掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青混合料的45 min和60 min的车辙变形均不到1 mm，添加聚酯纤维和水镁石纤维后，水泥-乳化沥青混合的7 d动稳定度分别提高2.08倍和1.90倍，28 d动稳定度分别提高1.92倍和1.87倍，其高温稳定性可与同等级的热拌SBS改性沥青混合料相媲美。对比而言，聚酯纤维对水泥-乳化沥青混合料高温稳定性的增强效果强于水镁石纤维，水泥-乳化沥青混合料作为一种复合有机水硬性胶凝材料，即使是添加了一种不利于抗车辙的可降解纤维，也同样具有较好的高温抗车辙性能。

3.3 浸水马歇尔试验

图6和图7为3种水泥-乳化沥青混合料的浸水马歇尔试验结果，添加纤维后水泥-乳化沥青混合料的马歇尔稳定度MS和浸水稳定度MS1均得到大幅提高，甚至出现MS1大于MS的情况，即浸水残留稳定度MS0大于100%，出现这个现象的原因是试样在养生7 d时强度还未完全形成，掺纤维的水泥-乳化沥青混合料的稳定度增长速率大于浸水48 h水损害对于稳定度的不良影响，最终导致掺加纤维后MS0大于100%。对于水泥-乳化沥青混合料，尽管其MS0随养生时间不断增长，但最大仅为93.2%，所以纤维的加入对提高水稳定性贡献很大。

图6 马歇尔稳定度MS和浸水稳定度MS1试验结果

图7 浸水残留稳定度MS0试验结果

3.4 低温弯曲试验

对不同养生时间和类型的沥青混合料进行低温弯曲试验，试验结果见图8和图9。

图8 试件破坏时抗弯拉强度RB和最大弯拉应变εB试验结果

图9 弯曲劲度模量SB试验结果

由图8中试验结果可知，3种水泥-乳化沥青混合料的7 d抗弯拉强度相差不大，随着养生期的延长抗弯拉强度不断提高，水泥-乳化沥青混合料、掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青混合料、掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青混合料的28 d抗弯拉强度较7 d的试验结果分别13.6%、45.1%和48.8%，即养生前期纤维对低温抗拉伸性能的提升效果不明显，甚至出现添加聚酯纤维后水泥-乳化沥青混合料7 d抗弯拉强度减小的现象。随着养生期延长，复合体系中纤维、水泥、沥青组分间的锚固力逐渐增强，抗弯拉强度不断提高。

最大弯拉应变εμ大小排序为：掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青混合料>水泥-乳化沥青混合料>掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青混合料，3种沥青混合料均明显大于同等条件下对于热拌沥青混合料的要求，因此挠度变形在一定荷载水平作用下持续增加，较难出现试件变形较小的断裂破坏，图9弯曲劲度模量SB试验结果展现出的结论与上述基本一致。

3.5 四点弯曲疲劳试验

对所研究的3种沥青混合料按照2.3节的试验参数进行四点弯曲疲劳试验，将试验数据按照S-N疲劳方程拟合，疲劳寿命Nf与应力比t在双对数坐标下呈线性相关，且相关系数R2均大于0.99，如图10所示。

图10 三种沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果

由图10可知，疲劳方程中参数K值由大到小依次为掺水镁石纤维的水泥-乳化沥青混合料、掺聚酯纤维的水泥-乳化沥青混合料、水泥-乳化沥青混合料，这表明添加纤维能显著提升水泥-乳化沥青混合料的疲劳性能，且水镁石纤维的贡献大于聚酯纤维；从参数n来看，掺水镁石纤维水泥-乳化沥青混合料比聚酯纤维略大，均明显小于未添加纤维的情况，这说明纤维不仅提高了水泥-乳化沥青混合料疲劳寿命，还降低了疲劳耐久性随应力比变化的敏感程度。进一步观察可知，试件破坏时大量纤维分布在失效界面处，可以极其有效地延缓微裂纹的产生和扩展，即纤维对疲劳耐久性的增强是显而易见的。

4 机理分析

从微观角度分析，在水泥-乳化沥青混合料中水泥水化产物和沥青在复合体系中形成相互渗透和多点接触的网络结构。添加聚酯纤维后，观察到聚酯纤维相互重叠，水泥水化产物嵌入两端，纤维又在沥青中相互缠绕，这种复合体系对水泥-乳化沥青混合料的力学性能有显著增强效果。添加水镁石纤维后，水镁石纤维具有较为宽泛的长度和直径且均匀分布在复合体系中，具有较强的桥接和咬合作用，对混合料综合路用性能提升较大。

5 结论

a.添加纤维后，水泥水化产物、破乳后的沥青和纤维形成复合体系，抗压强度有一定程度提高，聚酯纤维和水镁石纤维的对抗压强度的增强效果基本一致。

b.添加聚酯纤维和水镁石纤维后，水泥-乳化沥青混合的7 d动稳定度分别提高2.08倍和1.90倍，28 d动稳定度分别提高1.92倍和1.87倍，聚酯纤维对水泥-乳化沥青混合料高温稳定性的增强效果强于水镁石纤维。

c.添加纤维后水泥-乳化沥青混合料的马歇尔稳定度MS和浸水稳定度MS1均得到大幅提高，甚至出现MS1大于MS的情况，水泥-乳化沥青混合料的MS0随养生时间不断增长，但最大仅为93.2%，所以纤维的加入对提高水稳定性贡献很大。

d.3种水泥-乳化沥青混合料28 d的RB较7 d的RB显著增大，且7 d的RB相差不大，即养生前期纤维对低温抗拉伸性能的提升效果不明显，而复合体系中纤维、水泥、沥青组分间的锚固力随养生期延长而逐渐增强，抗弯拉强度随养生时间不断提高。

e.添加纤维不仅能显著提升水泥-乳化沥青混合料的疲劳性能，而且还能降低疲劳耐久性对于应力比变化的敏感程度，分布在失效界面处的大量纤维可有效延缓微裂纹的产生和扩展。总体来看，水镁石纤维对疲劳耐久性的贡献大于聚酯纤维。