乳化瀝青水泥穩定碎石的強度特性及影響因素

黃琴龍，古小明，楊 壯，楊傳景

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.中船第九設計研究院工程有限公司，上海200000）

乳化瀝青水泥穩定碎石的強度特性及影響因素

黃琴龍1，古小明1，楊 壯1，楊傳景2

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.中船第九設計研究院工程有限公司，上海200000）

通過室內試驗研究了乳化瀝青水泥穩定碎石的強度特性與影響因素，以無側限抗壓強度為指標，分析了水泥和乳化瀝青摻量、養生溫度和延遲成型時間對混合料強度的影響規律，并提出了混合料的強度預估模型，能有效預估乳化瀝青水泥穩定碎石材料在不同齡期下的無側限抗壓強度。試驗結果表明：水泥摻量的減小和乳化瀝青摻量的增加都能明顯降低混合料的強度；高溫條件能有效促進混合料早期強度的形成；為保證工程質量，乳化瀝青水泥穩定碎石施工時應采用最佳摻水量進行拌合，延遲成型時間應控制在2 h內，且應加強混合料早期（尤其是前14 d）的養生。

道路工程；水泥穩定碎石；乳化瀝青；強度特性

針對水泥穩定碎石材料的早期開裂問題，摻入乳化瀝青可有效提高混合料的抗裂性能，防止反射裂縫的產生，從而提高道路的服務水平與使用壽命[1,2]。乳化瀝青水泥穩定碎石是以乳化瀝青和水泥共同作為粘結劑，通過與碎石的物理和化學變化形成的新型復合材料，由于其兼具半剛性基層和柔性基層的特點，因此也被稱為半剛半柔性基層[3]。王一琪[4]、李志剛等[5]分別對乳化瀝青水泥穩定碎石的溫縮和干縮性能進行了研究，結果表明其抗收縮能力相比普通水泥穩定碎石材料具有明顯的改善，乳化瀝青的加入可以有效改善半剛性基層的早期收縮開裂問題。然而，由于乳化瀝青的摻入使混合料的強度形成機理發生改變，混合料的性能影響因素與質量控制方法尚不明確，施工質量難以得到有效保證。因此，本文通過室內試驗與對比分析方法，以無側限抗壓強度為指標，對乳化瀝青水泥穩定碎石的強度特性和影響因素進行研究，從而有效地保證乳化瀝青水泥穩定碎石基層的施工質量。

1 乳化瀝青水泥穩定碎石強度形成機理與影響因素

1.1 乳化瀝青水泥穩定碎石強度形成機理

在乳化瀝青水泥穩定碎石的強度增長過程中，乳化瀝青、水泥、碎石和水之間發生了多種復雜的物理化學作用。其中水泥的水化與乳化瀝青的破乳是同時進行的，這兩個過程既相互獨立又相互貫穿，形成了兩種性質不同而又相互交叉的立體空間網絡。它不同于水泥穩定碎石的剛性空間網絡，也區別于瀝青穩定碎石的柔性空間網絡，是一種介于兩者之間的新型復合材料[6]。

水泥的水化反應是一個需水的過程，在水泥水化初期，生成許多膠體大小范圍的晶體（如水化硅酸鈣）和一些大的棱柱形晶體（如氫氧化鈣）包裹在水泥顆粒上；而乳化瀝青破乳是一個憎水的過程，瀝青微珠從乳化瀝青中分裂出來，吸附于集料表面并逐漸凝結成密實的薄膜；破乳過程為混合料提供了更充足的水份，進一步促進水泥水化反應的發生，形成了更多針狀或棒狀的水化晶體。這些晶體一端與其它水化晶體相互交織，另一端深深插入瀝青薄膜內部，有的還與集料發生反應，牢牢固定在集料表面，水泥水化產物與瀝青交織裹覆集料顆粒，形成以水泥為連續相、瀝青為分散相的有機整體，如圖1所示。

圖1 乳化瀝青水泥穩定碎石顆粒示意圖Fig.1 Schematic diagram of emulsified asphalt cement stabilized macadam particle

1.2 乳化瀝青水泥穩定碎石強度影響因素

相比普通水泥穩定碎石材料，乳化瀝青的摻入使混合料強度性能的影響因素更為復雜，綜合考慮各因素的影響程度與施工的可控性，本文主要從粘結劑摻量、養生溫度和延遲成型時間3個方面進行試驗研究：

1）粘結劑摻量。水泥和乳化瀝青作為混合料的粘結劑，其摻量是影響乳化瀝青水泥穩定碎石強度的最關鍵因素。

2）養生溫度。養生溫度的變化不僅會影響水泥的水化與凝結過程，同時對乳化瀝青的破乳速度和瀝青與集料的粘結硬化造成影響，因此養生溫度是影響混合料強度的重要因素之一。

3）延遲成型時間。乳化瀝青水泥穩定碎石在工程實踐中多采用廠拌法進行集中拌合，然后通過卡車運送至現場進行攤鋪，而拌合與運輸過程的延遲時間會對混合料成型后的強度造成一定影響。

2 試驗材料與方案設計

2.1 原材料與集料級配

試驗采用水泥為海螺牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；乳化瀝青采用東海牌陽離子慢裂型乳化瀝青（PC-2），其中有效固含量為61.9%；粗集料為石灰巖，分為15～25，5～15，3～5 mm和0～3 mm，共4檔；細集料為機制細砂，原材料的各項性能指標均滿足規范要求。試驗中采用骨架密實型結構，并按《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）[7]中推薦的骨架密實型級配范圍中值進行設計，具體見表1。

表1 骨架密實型結構集料級配Tab.1 Aggregate gradation of skeleton dense structure

2.2 混合料的最佳摻水量與最大干密度

采用《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）[8]中的甲類重型擊實方法，可確定不同水泥和乳化瀝青摻量下混合料的最佳含水量與最大干密度。但根據混合料強度形成機理可知，乳化瀝青破乳后會產生一定量的自由水，導致混合料的設計含水量與實際含水量存在一定差異，故本文提出了最佳摻水量ωd1指標，ωd1可通過最佳含水量與乳化瀝青摻量計量得到，其計算公式如下：

式中：ωd為混合料的最佳含水量；ωa1為乳液水與混合料干重的質量比；λa為乳化瀝青摻量；ωa為乳化瀝青中乳液水含量；λc為水泥摻量。

表2給出了3種水泥摻量λc（水泥與混合料質量比）和3種乳化瀝青摻最λa（外摻質量比）下混合料的最佳摻水量ωd1和最大干密度ρd。從表2可知：水泥摻量一定時，隨著乳化瀝青摻量的增加，混合料的最佳摻水量和最大干密度明顯降低。

表2 最佳摻水量與最大干密度Tab.2 Optimum water addition and maximum dry density

2.3 試件成型與試驗設計

無側限抗壓強度試驗按照《公路無極結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）[8]的方法進行。先根據表2給出的不同工況下混合料的最佳摻水量和最大干密度，在98%壓實度下靜壓成型圓柱體試件，試件的直徑和高度均為100 mm。試件脫模后包上塑料膜放入養生室進行標準養生，養生溫度為（20±2）℃，相對濕度在95%以上，并在設計齡期前24 h放入恒溫水槽中進行飽水養生。無側限抗壓強度試驗采用MTS-810萬能材料試驗機的應變加載模式，加載速率為1 mm/min，每個工況進行5組平行試驗，取5組試驗結果的平均值作為混合料的強度代表值。

3 各因素對乳化瀝青水泥穩定碎石強度的影響

3.1 水泥和乳化瀝青摻量對強度的影響

為了解水泥和乳化瀝青摻量對混合料強度的影響，對3種水泥摻量（λc=3%，4%和5%）和3種乳化瀝青摻量（λa=0%，2%和4%）下混合料在7 d和28 d的無側限抗壓強度進行了試驗檢測，結果見圖2。從圖2可知：在水泥穩定碎石中摻2%乳化瀝青后，混合料7 d齡期的強度降低了18%～22%，28 d齡期的強度降低了15%～20%；而乳化瀝青摻量為4%時，混合料7 d齡期的強度降低了35%～49%，28 d齡期的強度降低了32%～43%，可知乳化瀝青的摻入一定程度上降低了混合料的強度，但強度降低率隨著齡期的增長略有減小，表明乳化瀝青水泥穩定碎石的強度增長相比普通水泥穩定碎石具有一定的延滯性，施工中應有效延長混合料的養生時間。

圖2 不同水泥和乳化瀝青摻量的無側限抗壓強度Fig.2 USC of mixtures under different cement and emulsified asphalt contents

3.2 養生溫度對強度的影響

為了分析養生溫度對乳化瀝青水泥穩定碎石強度的影響，設定混合料中水泥摻量λc恒為4%，乳化瀝青摻量λa分別為0%，2%和4%，養生的環境溫度T分別為5℃，20℃和35℃，對混合料7 d齡期的無側限抗壓強度進行檢測，試驗結果見圖3。從圖3可知：養生溫度對混合料7 d的無側限抗壓強度影響較大，有效提高養生溫度能促進混合料的物理和化學反應，使混合料的早期強度相對較高。

3.3 延遲成型時間對強度的影響

為了考慮不同延遲成型時間對混合料強度的影響，試驗中設定水泥摻量λc恒為4%，乳化瀝青摻量λa分別為0%，2%和4%，延遲成型時間td為0，1，2和3 h時，混合料的7 d齡期下的無側限抗壓強度，試驗結果見圖4，從圖4可知：隨著成型延遲時間td的增長，混合料的7 d無側限抗壓強度逐漸降低，其中延遲1 h的強度平均降低了2%，延遲2 h的強度平均降低了8%，而延遲3 h的強度平均降低了18%，可以看出混合料成型延遲時間超過2 h后，其強度將大幅降低，為了保證現場施工質量，應盡可能將混合料拌合與運輸的時間控制在2 h內。

圖3 不同養生溫度下的無側限抗壓強度Fig.3 USC of mixtures under different curing temperatures

圖4 不同延遲成型時間的無側限抗壓強度Fig.4 USC of mixtures under different delaying time

4 乳化瀝青水泥穩定碎石強度增長預估模型

由乳化瀝青水泥穩定碎石的強度形成機理可知，混合料的初始強度Rc主要來自于集料間的相互嵌擠作用和一定的物理化學作用，而隨著水泥水化與凝結、乳化瀝青的破乳與硬化過程的不斷進行，混合料的強度逐漸增大，且隨著物理化學變化的完成而使強度增長逐漸變得緩慢，最終構成混合料的極限強度Rc∞。所以，摻乳化瀝青水泥穩定碎石的強度預估模型需要滿足下列3個邊界條件［9，10］：

式中：t為混合料的養生齡期；Rc為摻乳瀝青水泥穩定碎石強度；Rc0，Rc∞分別為混合料養生0天和最終的強度，即初始強度和極限強度。

根據上述邊界條件，可假設混合料的強度增長預估模型為

式中：a為回歸系數。為了分析乳化瀝青水泥穩定碎石材料的強度增長規律，設定混合料中水泥摻量λc恒為4%，乳化瀝青摻量λa為0%，2%和4%，成型試件在標準條件下進行養生，并在試件成型當天、養生3，7，14，28，60，90 d和180 d后分別進行了無側限抗壓強度試驗，并根據試驗數據繪制了混合料的無側限抗壓強度與養生齡期的關系曲線，如圖5。試驗中認為混合料在180 d后的無側限抗壓強度不再增長，即為極限強度Rc∞，根據公式（3）對強度增長曲線進行回歸分析，結果見表3。

圖5 不同乳化瀝青摻量下混合料無側限抗壓強度增長曲線Fig.5 USC growth curves of mixtures under different emulsified asphalt contents

表3 乳化瀝青水泥穩定碎石無側限抗壓強度預估模型Tab.3 USC prediction models of emulsified asphalt cement stabilized macadam

從表3可知：不同乳化瀝青摻量下混合料強度預估模型的相關性均較好，能夠較為準確地反映乳化瀝青水泥穩定碎石材料在不同齡期下的無側限抗壓強度。此外，混合料的無側限抗壓強度隨齡期呈非線性增長，其中未摻乳化瀝青的水泥穩定碎石在0～28 d早期強度以較快速度增長，28 d的強度形成比為0.81，在28 d后其增長速率逐漸減小并趨于平緩；摻入2%乳化瀝青，混合料早期的強度增長速率相對較慢，28 d的強度形成比為0.77；摻入4%乳化瀝青，混合料的28 d強度形成比僅為0.71，表明乳化瀝青的摻入降低了混合料的早期強度增長率，而后期增長率提高，且隨著乳化瀝青摻量的增加而表現越明顯，證明了乳化瀝青水泥穩定碎石材料的強度形成相比普通水泥穩定碎石材料具有一定的延滯性。

5 結語

1）乳化瀝青水泥穩定碎石材料拌合時需要考慮乳液水的影響，施工中應采用最佳摻水量指標進行控制，而乳化瀝青摻量的增加使混合料的最佳摻水量和最大干密度明顯降低。

2）在水泥穩定碎石材料中摻入2%乳化瀝青后，混合料7 d齡期的強度降低了18%～22%；摻入4%乳化瀝青后，混合料7 d齡期的強度降低了35%～49%，混合料的強度隨乳化瀝青摻量的增加而降低，但強度變異系數明顯減小，乳化瀝青使水泥穩定碎石材料的強度性能更為穩定。

3）養生溫度對混合料7 d齡期的無側限抗壓強度影響較大，而對28 d齡期的強度影響相對較小；為了保證現場施工質量，建議現場施工時將混合料的拌合與運輸總時間控制在2 h以內。

4）乳化瀝青水泥穩定碎石的強度在成型28 d內的強度增長較為明顯；相比普通水泥穩定碎石材料，乳化瀝青的摻入使混合料的強度形成具有一定的延滯性，建議基層碾壓成型后，應加強早期尤其是前14 d的養生。

[1]符佳，楊吳禮，謝玲兒，等.乳化瀝青水泥穩定碎石基層材料收縮性能研究[J].交通科技，2014（2）：119-122.

[2]賈克聰.乳化瀝青對水泥穩定碎石強度特性及力學性能的影響[J].公路工程，2015（3）：213-217.

[3]郭義超.水泥穩定碎石材料的乳化瀝青增柔改性[D].長沙：湖南大學，2012：22-23.

[4]王一琪，譚憶秋，王開生，等.水泥乳化瀝青穩定碎石溫縮特性[J].建筑材料學報，2015（4）：584-588.

[5]李志剛，鄧小勇.水泥乳化瀝青穩定碎石基層收縮特性[J].解放軍理工大學學報：自然科學版，2008（2）：177-181.

[6]BULLEN F.The use of emulsion,lime,cementitious blends（ELCs）in roads[J].Road&Transport Research，1995，4（3）：84-93.

[7]JTG/T F20-2015公路路面基層施工技術細則[S].北京：人民交通出版社，2015.

[8]JTG E51-2009，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2009.

[9]蔣應軍，王富玉，劉斌.水泥穩定碎石強度特性的試驗研究[J].武漢理工大學學報，2009（15）：52-57.

[10]蔣應軍，李明杰，張俊杰，等.水泥穩定碎石強度影響因素[J].長安大學學報：自然科學版，2010（4）：1-7.

Strength Properties and Influence Factors of Cement and Emulsified Asphalt Stabilized Macadam

Huang Qinlong1，Gu Xiaomin1，Yang Zhuang1，Yang Chuanjing2
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University, Shanghai 201804,China；2.China）

Laboratory tests were conducted to study the strength properties and influence factors of cement and emulsified asphalt stabilized macadam.Considering unconfined compressive strength（UCS），this paper analyzed the influence rules of mixture strength on the proportion of cement and emulsified asphalt，curing temperatures and forming retard time，and presented prediction models of mixture strength，which can precisely predict the UCS of cement and emulsified asphalt stabilized macadam under different ages.Test results revealed that the reduction of cement contents or the increase of emulsified asphalt contents can significantly reduce the mixture strength；higher temperatures provide condition for the formation of forepart strength of mixture.In order to ensure the engineering quality，it’s suggested to mix the cement and emulsified asphalt stabilized macadam by optimum amount of water.The forming retard time should be controlled within 2 hours，and the curing conditions of mixtures should be guaranteed at early stage，especially 14 days after compaction of mixtures.

road engineering;cement stabilized macadam;emulsified asphalt;strength property

U416.214

A

1005-0523（2017）02-0054-06

（責任編輯 王建華）

2016－10－17

山西省交通運輸廳科技計劃項目（20160101）

黃琴龍（1970—），男，副教授，博士，研究方向為路基路面工程。

楊壯（1993—），男，碩士研究生，研究方向為路基路面工程。