消石灰-礦渣對陽離子乳化瀝青膠漿性能的影響

宋大偉

(新疆交通建設集團股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830016)

消石灰-礦渣對陽離子乳化瀝青膠漿性能的影響

宋大偉

(新疆交通建設集團股份有限公司，新疆烏魯木齊830016)

關鍵詞：道路工程；陽離子乳化瀝青；表觀黏度；屈服應力；水穩性

0引言

乳化瀝青作為當今道路工程領域中的一種重要的交通材料，已廣泛應用于道路表面稀漿封層、道路冷再生、路面坑槽修補等方面[1]。為提高乳化瀝青的應用性能，國內外道路科研工作者通常通過添加外加材料以提升乳化瀝青的使用性能，如王振軍等[2]研究不同劑量的水泥對乳化瀝青混合料的1 d以及7 d的路用性能的影響，發現水泥摻量為3%時，乳化瀝青混合料的路用性能較好，且發現，水泥的水化產物C-S-H等能夠提高乳化瀝青混合料中的Zate電位，水化產物還能減少自由瀝青的比例，使結構瀝青增加，提高乳化瀝青膠漿的致密性。杜少文[3]研究了消石灰、消石灰礦渣粉和水泥三種改性劑對乳化瀝青冷再生混合料性能的影響，發現水泥能明顯提高冷再生混合料的路用性能，但未對乳化瀝青膠漿的相關性能進行深入研究。L.E.Cha′vez-Valencia等[4]利用聚羧酸乙酯對乳化瀝青進行改性，聚羧酸乙酯能和瀝青有較好相容性和親和性，形成瀝青-聚羧酸乙酯粘合劑包裹住骨料，改性瀝青與骨料之間的粘附性得到提升，比未對乳化瀝青進行改性的冷拌混合料強度提升31%，但聚羧酸乙酯的應用無形中增加了工程經濟成本。礦渣作為工業廢棄物，具有受堿性物質激發擁有膠凝性的特點[5]，可以作為膠凝材料，如果不回收利用既污染環境，又浪費資源；消石灰具有堿性特征，且常用于酸性集料表面的改性[6]，因此，本文將研究礦渣粉以及消石灰-礦渣復合材料對陽離子乳化瀝青膠漿相關性能的影響，為以后乳化瀝青的相關研究提供借鑒。

1原材料與試驗方法

1.1原材料

乳化瀝青：陽離子慢裂快凝型；瀝青含量60.0%(質量分數)；5 d存儲溫定性4.5%(質量分數)；篩上殘留物含量0.4%(質量分數)。

消石灰：性能指標如表1所示。

表1　消石灰的技術性質表

礦渣粉：S95級礦渣粉，其中比表面積587 m2/kg，其化學成分如表2所示。

表2　礦渣粉的主要化學成分表(%)

1.2試驗方法

1.2.1改性乳化瀝青制備

以礦渣粉單獨作為改性劑a；參考相關文獻[3]，確定消石灰與礦渣的質量比按1∶3組成消石灰-礦渣復合改性劑b，兩種改性劑與乳化瀝青質量比率分別為ka、kb；再按照配比率0∶1；0.2∶1；0.4∶1；0.6∶1；0.8∶1；1∶1選取一定的乳化瀝青、消石灰、礦渣，先把乳化瀝青放入攪拌鍋中攪拌30 s，然后將消石灰、礦渣等改性劑添加到攪拌過中攪拌1 min。

1.2.2改性乳化瀝青膠漿流變性測試

將上述制備好的乳化瀝青漿體立即進行測定，采用 Brookfield RVⅡ型流變儀對乳化瀝青膠漿流變性進行測定。測試時，每個轉速下需剪切30 s后記錄測試值，整個測試在15 min內完成，減少由于乳化瀝青固化以及改性劑反應對流變性的影響。

1.2.3乳化瀝青混合料水穩性測試

本文采用100%利用RAP，級配如表3所示；最佳外加用水量和最佳乳化瀝青用量的確定均以15 ℃劈裂強度最大值為指標，參考相關研究[7]，改性劑的摻量為瀝青混合料的2.5%。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ 052-2000)，采用浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗對乳化再生瀝青混合料的水穩定性進行評價。

表3　級配表

2結果與討論

2.1改性劑對陽離子乳化瀝青膠漿黏度的影響

從圖1可以看出，隨著剪切速率的增加，乳化瀝青膠漿的表觀黏度逐漸降低，最后趨于穩定，表現出典型的非牛頓流體特性，說明漿體內存在凝絮結構。其主要原因是乳化瀝青接觸到礦渣顆粒表面，乳化瀝青顆粒表面的乳化劑與礦渣顆粒表面發生吸附，導致乳化瀝青破乳，與礦渣顆粒發生裹附的影響[8]。由于乳化瀝青膠漿中礦渣顆粒的存在增加了膠漿內部之間的摩擦力，隨著ka的增加，顆粒之間相互摩擦阻礙作用增大，其表觀黏度也逐漸增加。圖2是消石灰-礦渣與乳化瀝青的比率kb對陽離子乳化瀝青表觀黏度的影響，從圖2中可以看出，陽離子的表觀黏度呈現出和單獨添加礦渣粉后乳化瀝青膠漿相同的流變趨勢，但其表觀黏度要增大很多，說明消石灰-礦渣粉組合使用的效果要好。

圖1　ka對陽離子乳化瀝青膠漿表觀黏度的影響曲線圖

圖2　kb對陽離子乳化瀝青膠漿表觀黏度的影響曲線圖

2.2改性劑對陽離子乳化瀝青膠漿屈服應力的影響

按照賓漢姆模型的流變方程[9]，使用上述兩種添加的情況下，乳化瀝青膠漿的屈服應力可以更好地反應其性質以及內部結構，其計算結果如圖3所示；隨比率k的增大，乳化瀝青膠漿的屈服應力呈增大的趨勢。其主要原因是：在乳化瀝青膠漿中，隨添加劑含量增加，分散介質中水的體積分數下降，礦物顆粒的堆密度增大，乳化瀝青膠漿的結構強度增大，從而使乳化瀝青膠漿的屈服應力增大；由于礦渣顆粒表面物質具有兩性特征[10]，而瀝青乳液帶正電荷，較易吸附在礦渣顆粒表面，隨著礦渣含量的增加，乳化瀝青較多地吸附在礦渣顆粒表面且加強了團聚趨勢，增強了礦渣顆粒間的絮凝作用，導致乳化瀝青膠漿的結構強度增大，從而使屈服應力增大。

從圖3中還可以看出，消石灰-礦渣粉的組合使用，更能使乳化瀝青膠漿的屈服應力提高，尤其當k>0.6時，屈服強度相比單摻礦渣粉提高明顯，其主要原因是單獨的礦渣粉僅能加速乳化瀝青的破乳速度，很難產生水化硅酸鈣等凝膠產物。由于礦渣化學成分主要是CaO、SiO2、Al2O3等氧化物[10]，消石灰發生電解提供堿性環境，礦渣顆粒表面的Ca2+和Mg2+吸附溶液中的OH-，使礦渣解體生成Si(OH)4，即發生如下反應[11]：

-Si-O-Ca-O-Si-+2NaOH→2(-Si-O-Na)+Ca(OH)2

Ca(OH)2與生成的Si(OH)4形成C-S-H凝膠，起到凝結作用，在乳化瀝青與消石灰-礦渣拌合的過程中，最終使礦渣、消石灰-礦渣的水化產物和瀝青薄膜能相互貫穿形成無機-有機的相互貫穿的結構產物，而對于單獨使用礦渣的情況，礦渣顆粒大多單獨分散在乳化瀝青膠漿中，不能相互連接以達到整體上提升乳化瀝青膠漿性能的效果，因此，消石灰-礦渣復合作用下乳化瀝青膠漿的屈服應力提升明顯。

圖3　乳化瀝青膠漿的屈服應力變化趨勢曲線圖

2.3改性劑對陽離子乳化瀝青膠漿強度的影響

圖4和圖5分別是添加改性劑后，再生混合料的殘留穩定度比和凍融劈裂強度比的試驗結果。從圖4～5中可以看出，不摻改性劑情況下，再生混合料的殘留穩定度比和凍融劈裂強度比均低于JTG-F412008規范要求，摻加礦渣后，再生混合料性能提高，達到規范要求。當摻加消石灰-礦渣后，殘留穩定度比和凍融劈裂強度比均明顯提高，達到85%以上，這說明添加消石灰-礦渣復合改性劑后，再生混合料的水穩性也得到了明顯提高。

圖4　殘留穩定度比實驗結果柱狀圖

圖5　凍劈裂強度比實驗結果柱狀圖

3結語

(1)改性劑與乳化瀝青比率在0～1之間，隨著礦渣粉改性劑、消石灰-礦渣粉復合改性劑的增加，陽離子乳化瀝青膠漿的表觀黏度增加；

(2)單獨摻加礦渣粉對陽離子乳化瀝青的表觀黏度提高不明顯，消石灰-礦渣組合使用，陽離子乳化瀝青膠漿表觀黏度提高明顯，且改性劑與乳化瀝青比率在0.6～1之間，屈服應力提高明顯；

(3)消石灰-礦渣粉復合改性劑的添加能明顯提高乳化瀝青冷再生混合料的水穩性。

參考文獻

[1]拾方志，馬衛民.瀝青路面再生技術手冊[M].北京：北京人民交通出版社，2006.

[2]王振軍，杜少文.水泥對乳化瀝青混合料路用性能的影響[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2009，33(3)：596-599.

[3]杜少文.外加材料對乳化瀝青冷再生混合料的路由性能影響研究[J].建筑材料學報，2013，16(3)：534-538.

[4]L.E.Cha′vez-Valencia，E.Alonso，A.Manzano，et au.Improving the compressive strengths of cold-mix asphalt using asphalt emulsion modified by polyvinyl acetate[J].Construction and Building Material，2007(17)：583-589.

[5]Roy D M，Jiang W，Silsbee M.Chloride diffusion in ordinary，blended，and alkali-activated cement pastes and its relation to other properties.Cement and Concrete Research，2000，30(12)：1879-1884.

[6]王升.吸波瀝青混合料的制備與性能研究[D].西安：長安大學，2014.

[7]杜少文，李立寒，袁坤.水泥乳化瀝青混合料中合理CA比的試驗研究[J].建筑材料學報，2010，13(6)：807-811.

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[9]HU C，LARRARD F D.The rheology of fresh high-per-formance concrete[J].Cement and Concrete Research，1996，26(2)：283-294.

[10]張西玲.高摻量礦渣路面基層結合料的研制[D].西安：西安建筑大學，2006.

[11]梅琳.堿礦渣混凝土干縮性能及改善措施研究[D].重慶：重慶大學，2010.

摘要：文章采用消石灰、礦渣兩種材料作為改性劑，通過流變儀對改性的陽離子乳化瀝青膠漿進行流變性測試，研究改性劑對陽離子乳化瀝青膠漿的表觀黏度和屈服應力的影響，同時對摻上述改性劑的冷再生混合料進行水穩性對比試驗。研究結果表明：單獨摻加礦渣粉對陽離子乳化瀝青的表觀黏度提高不明顯，消石灰-礦渣組合使用，陽離子乳化瀝青膠漿表觀黏度提高明顯，且屈服強度也有提升；摻加消石灰-礦渣后，乳化瀝青冷再生混合料的水穩性提高明顯。

Impact of Calcium Hydroxide-Slag on Cationic Emulsified Asphalt Mortar Pe-rformance

SONG Da-wei

(Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830016)

Abstract：By using the calcium hydroxide and slag materials as the modifier，and through the rheology testing on modified cationic emulsified asphalt mortar by rheometer，this article studied the impact of modifier on the apparent viscosity and yield stress of cationic emulsified asphalt mortar，and conducted the comparative water stability test on cold recycled mixtures with the admixture of aforementioned modifier.The results showed that：with single admixture of slag powder，the apparent viscosity increase of cationic emulsified asphalt is not obvious，but when both calcium hydroxide and slag are used，the apparent viscosity of cationic emulsified asphalt mortar increases significantly，and its yield strength is also raised；after mixing by calcium hydroxide-slag，the water stability of emulsified asphalt cold recy-cled mixtures increases significantly.

Keywords：Road engineering；Cationic emulsified asphalt；Apparent viscosity；Yield stress；Water stability

作者簡介

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.007

文章編號：1673-4874(2016)04-0023-04

收稿日期：2016-03-27

宋大偉(1982—)，工程師，研究方向：公路試驗檢測。