不同成型工藝對(duì)水泥乳化瀝青性能影響研究

符美鑫

(海南路橋工程有限公司 三亞 572000)

瀝青和水泥混凝土2種結(jié)構(gòu)是目前道路鋪筑材料采用的主流。前者施工方便，性能良好，開(kāi)放交通快，但是其溫度敏感性較高，尤其是在夏季，受到溫度影響較大，與集料之間的黏結(jié)力較弱，會(huì)產(chǎn)生車(chē)轍、波浪、壅包等破壞；在冬季，瀝青材料容易變脆，在車(chē)輛荷載和溫度的共同作用下容易產(chǎn)生裂縫。水泥混凝土路面具有耐磨性好、強(qiáng)度高及耐久性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是必須設(shè)置接縫和施工縫，因此影響行車(chē)舒適性，且在工藝上需要養(yǎng)護(hù)的時(shí)間較長(zhǎng)，唧泥、錯(cuò)臺(tái)、裂縫等都容易產(chǎn)生，影響使用性能和壽命[1-2]。為了解決水泥混凝土路面舒適性差的問(wèn)題，同時(shí)改善瀝青路面的高、低溫性能，采用水泥乳化瀝青復(fù)合材料作為替代。該材料是將水泥摻入冷拌乳化瀝青混合料中，經(jīng)過(guò)冷拌冷鋪過(guò)程形成半剛性路面材料，該材料具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1) 早期強(qiáng)度高。水泥可以與乳化瀝青破乳后的水分反應(yīng)，促進(jìn)強(qiáng)度形成，很好地平衡了乳化瀝青破乳憎水的問(wèn)題。

2) 降低建設(shè)成本，節(jié)約能源和資源，緩解環(huán)境污染。相比于熱瀝青而言，乳化瀝青可以節(jié)省20%左右的瀝青用量，且能夠節(jié)省50%以上的熱能消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。水泥乳化瀝青是在常溫下施工的，可以避免產(chǎn)生污染性氣體，施工條件也得到明顯改善。

3) 施工條件改善，施工方便。施工過(guò)程中污染氣體減少，施工條件明顯改善。

4) 解決了普通乳化瀝青混合料開(kāi)放交通慢、早期強(qiáng)度低等問(wèn)題，且由于半剛性面層顏色淺，可顯著降低溫度應(yīng)力，對(duì)夜間行車(chē)也十分有利。

在整個(gè)配合比設(shè)計(jì)中，成型工藝的不同將直接影響成型混合料試件的性能，與現(xiàn)實(shí)路用性能直接相關(guān)，最佳的成型工藝總能最真實(shí)地反映材料在實(shí)際環(huán)境中的工作特性。而水泥乳化瀝青由于同時(shí)存在乳化瀝青的破乳和水泥初凝形成強(qiáng)度的過(guò)程，故需要在成型工藝方面重新研究，以便獲得最佳的路面材料性能。

本文研究的目的即從水泥乳化瀝青復(fù)合材料成型工藝角度進(jìn)行探究，優(yōu)化成型工藝，研究水泥乳化瀝青復(fù)合材料在真實(shí)環(huán)境中的工作特性。主要研究?jī)?nèi)容包括對(duì)原材料性能指標(biāo)測(cè)試分析、不同成型方法設(shè)計(jì)(包括拌和順序、擊實(shí)方法和試件制備)及試驗(yàn)結(jié)果的分析，以期進(jìn)一步推廣水泥乳化瀝青材料的應(yīng)用范圍。

1 原材料

水泥乳化瀝青混合料原材料主要包括乳化瀝青、集料和水泥。乳化瀝青采用慢裂陽(yáng)離子乳化瀝青，參照相關(guān)文獻(xiàn)[3]，其性能指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表1。集料采用石灰?guī)r，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4-6]，測(cè)得其主要技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～4，礦粉技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表5，水泥采用32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表1 乳化瀝青性能指標(biāo)

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

表3 細(xì)集料物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo) %

表4 集料表觀密度

表5 礦粉的技術(shù)指標(biāo)

表6 水泥技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2 不同成型方法確定

考慮到水泥的特殊作用，其既是填料又是結(jié)合料，考慮不同成型方式的同時(shí),也需要考慮水泥乳化瀝青混合料的合理拌和順序。

2.1 拌和順序

對(duì)于水泥乳化瀝青，拌和順序的研究較為重要。雖然水泥占比較少，但是其比表面積非常大，如果處理不好，很容易不能形成均勻的水泥瀝青膠漿；此外，合理的拌和順序有利于結(jié)合料充分裹附在集料上，起到一定結(jié)構(gòu)性黏結(jié)。而水作為乳化瀝青中不可忽視的部分，如果加入順序不當(dāng)，乳化瀝青會(huì)提前破乳，集料礦粉等分散性變差，嚴(yán)重影響混合料的路用性能和力學(xué)性能。在拌和順序上，主要選擇以下2種方式進(jìn)行研究。

方式一。先將粗、細(xì)、水泥、礦粉等均勻拌和，然后加入乳化瀝青進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

方式二。先將乳化瀝青與粗、細(xì)集料拌和均勻，最后與水泥和礦粉進(jìn)行拌和。

2.2 擊實(shí)方法

擊實(shí)、揉搓、旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等成型方法中，主要采用的還是馬歇爾擊實(shí)法，但是不同材料，其成型工藝均有不同。若材料為普通熱拌瀝青混合料，則相應(yīng)的擊實(shí)次數(shù)為75次；若材料為瀝青瑪蹄脂碎石SMA混合料，則通常擊實(shí)次數(shù)為50次，而在一些重載條件需求較高的路面上，會(huì)將擊實(shí)次數(shù)提高到75次，前提是不會(huì)導(dǎo)致集料在擊實(shí)過(guò)程中出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。而水泥乳化瀝青作為半剛性材料，與普通熱拌瀝青和SMA有較大差別，故其最佳成型方式也必然有所區(qū)別。基于國(guó)內(nèi)外研究成果，為尋找合適的擊實(shí)次數(shù)，擬定一次成型(雙面50次，雙面75次)和二次成型(先雙面擊實(shí)50次，待水泥初凝時(shí)，再雙面擊實(shí)25次)方案。

2.3 試件制備

水泥的摻量為集料總質(zhì)量的3%，外加拌和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)取2.5%，乳化瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.4%，按照熱拌瀝青混合料AC-16的級(jí)配中值，其具體通過(guò)質(zhì)量百分率見(jiàn)表7。制作的試件需要7 d的養(yǎng)生齡期，20 ℃的養(yǎng)生溫度，且需要保濕處理。在養(yǎng)生24 h之后再進(jìn)行脫模，以防止在脫模過(guò)程試件發(fā)生變形而影響其性能。

表7 AC-16級(jí)配各篩孔集料通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同成型工藝下進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，并測(cè)其密度、孔隙率和飽和度等參數(shù)，最終測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同成型工藝下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見(jiàn)：

1) 不同成型工藝條件下，其馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果差別較大。在不同拌和方式下，方式二(即后加入水泥和礦粉)具有更小的孔隙率，更大的飽和度，更優(yōu)的穩(wěn)定度。從原理分析講，方式一由于先將水泥、礦粉、粗細(xì)集料等均勻拌和，當(dāng)加入乳化瀝青中時(shí)，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，乳化瀝青難以充分裹附先前的拌和料，這些預(yù)拌和料不易均勻分散在混合料中。而方式二由于乳化瀝青的提前加入，將粗細(xì)集料充分包裹后，水泥和礦粉能夠在后續(xù)物料加入時(shí)較好地均勻分散在體系中，更好地形成水泥-瀝青膜粘結(jié)，確保集料之間的“結(jié)構(gòu)性”，測(cè)試性能也比方式一更好。故在成型過(guò)程中，要先將乳化瀝青與粗、細(xì)集料拌和均勻，最后與水泥和礦粉進(jìn)行拌和。

2) 與常見(jiàn)的雙面擊實(shí)50次相比，當(dāng)雙面擊實(shí)75次時(shí)，相應(yīng)的密度增大，孔隙率降低，飽和度增加，穩(wěn)定度增加，且水泥乳化瀝青混合料并沒(méi)有出現(xiàn)破損變形問(wèn)題，故其是可以承受雙面擊實(shí)75次的。

3) 將一次性擊實(shí)75次和二次擊實(shí)共75次相比，后者在穩(wěn)定度方面有明顯改善，且孔隙率降到最低，故采用二次擊實(shí)方法是最佳的工藝。

由此可以確定最終的水泥乳化瀝青成型工藝為將乳化瀝青與粗、細(xì)集料先拌和均勻，再與水泥和礦粉進(jìn)行拌和，采用先雙面擊實(shí)50次，待延遲到水泥初凝時(shí)再雙面擊實(shí)25次，最后成型混合料試件。

4 試驗(yàn)路段性能效果分析

按照最佳的成型工藝方法，用AC-16級(jí)配鋪筑500 m乳化瀝青試驗(yàn)路段，通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)路段鋪筑后質(zhì)量，碾壓后測(cè)得壓實(shí)度均值為98.6%，滿足規(guī)范要求。通過(guò)鉆芯取樣，分別進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)[5]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 試驗(yàn)路段檢測(cè)結(jié)果

由表9可見(jiàn)，整個(gè)路段測(cè)試點(diǎn)的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求，即在高溫性能和水穩(wěn)定性能方面表現(xiàn)較好。

5 結(jié)語(yǔ)

為擴(kuò)大水泥乳化瀝青的使用，結(jié)合馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，考慮混合料拌料順序和擊實(shí)次數(shù)2個(gè)工藝參數(shù)，對(duì)乳化瀝青的成型工藝進(jìn)行研究。最終確定水泥乳化瀝青合理工藝為將乳化瀝青與粗、細(xì)集料先拌和均勻，再與水泥和礦粉進(jìn)行拌和，采用先雙面擊實(shí)50次，待延遲到水泥初凝時(shí)再雙面擊實(shí)25次，最后成型混合料試件。在借鑒該工藝時(shí)要結(jié)合具體采用的原材料性能進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，以便獲得最佳的成型工藝。