耦聯(lián)劑－水泥乳化瀝青混合料的成型方法及抗壓強度研究＊

李元元 李闖民 劉 安

（長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 長沙 410004）

0 引 言

路面工程中運用最多的2種材料即為瀝青混凝土和水泥混凝土，兩者各有優(yōu)缺點，瀝青混凝土高溫變軟、施工過程污染環(huán)境，水泥混凝土接縫不易布置.水泥乳化瀝青混合料的提出，得益了兩者性能的優(yōu)點，早期強度高、開放交通快，且施工方便、快捷、全時.但水泥乳化瀝青的膠凝材料包括有機的乳化瀝青和無機的水泥［1］，如何保證2種膠凝材料之間，以及膠凝材料與集料的良好粘附至關(guān)重要.研究表明［2］，良好的膠凝材料－集料界面結(jié)構(gòu)，能夠改善水泥乳化瀝青混凝土的路用性能.界面改性劑耦聯(lián)劑，其分子存在親無機和親有機兩種基團［3］，耦聯(lián)劑的添加能夠在集料、礦粉和水泥凈漿表面形成一層偶聯(lián)層［4－8］，使其表面“有機化”，增強親油性，降低親水性［9－10］，從而增強與有機高分子（乳化瀝青）的黏結(jié).

文中分別采用常溫和高溫養(yǎng)生48h的馬歇爾試件的馬歇爾穩(wěn)定度試驗評定水泥乳化瀝青混合料的早期和后期馬歇爾力學(xué)性能，并測定常溫養(yǎng)生7d的旋轉(zhuǎn)壓實試件的單軸抗壓強度.通過正交試驗方法，分析耦聯(lián)劑用量、瀝青用量及水泥摻量對馬歇爾試件早期、后期馬歇爾力學(xué)指標以及旋轉(zhuǎn)壓實成型試件（常溫7d養(yǎng)生）的單軸抗壓強度的影響情況，重點分析耦聯(lián)劑用量的影響.對比馬歇爾試驗和單軸抗壓強度試驗結(jié)果，綜合考慮混合料的高溫、低溫性能及經(jīng)濟性，推薦添加耦聯(lián)劑的水泥乳化瀝青混合料的原材料（耦聯(lián)劑、乳化瀝青及水泥）的適宜摻量.并對比旋轉(zhuǎn)壓實1次成型試件和2次擊實成型馬歇爾試件的空隙率，驗證2次擊實能否使試件更加密實.從而確定添加耦聯(lián)劑的水泥乳化瀝青混合料原材料的適宜摻量和馬歇爾試驗力學(xué)參數(shù)和單軸抗壓強度的變化規(guī)律，并確定是否有必要采用2次擊實成型.

1 原材料及原材料試驗

試驗用耦聯(lián)劑為KH－550硅烷耦聯(lián)劑.乳化瀝青為陽離子乳化瀝青，依據(jù)JTG E20－2011 T0658試驗確定為慢裂型.乳化瀝青（或蒸發(fā)殘留物）技術(shù)指標見表1.由于火山灰水泥與普通硅酸鹽水泥相比，不利于乳化瀝青的破乳［11］，本次選用普通硅酸鹽水泥，初凝時間140min.集料的技術(shù)指標均符合規(guī)范要求，則不一一列舉.

表1 膠結(jié)料技術(shù)指標

2 配合比下交試驗設(shè)計

集料共分為9.5～19，4.75～9.5mm和0～4.75mm 3檔，配合比為9.5～19mm∶4.75～9.5mm∶0～4.75mm∶礦粉＝23∶27∶48∶2，合成級配見表2.乳化瀝青、水泥及耦聯(lián)劑的用量選擇4個水平，實驗方案采用正交法設(shè)計，見表3.表3中的百分比均為與集料總質(zhì)量的比值，乳化瀝青油石比為瀝青乳液（包括乳液中的水）與集料總質(zhì)量的比值，表中的耦聯(lián)劑實際為m（耦聯(lián)劑）∶m（水）＝1∶3的耦聯(lián)劑水溶液.

表2 礦料合成級配

表3 正交試驗設(shè)計L16（43）

3 拌和、擊實與養(yǎng)生

為保證混合料充分拌和，特制定混合料拌和步驟：將礦料投入拌和機干拌60s；然后加入水泥和礦粉，拌和60s，防止粉狀的水泥和礦粉遇液體的瀝青和耦聯(lián)劑后成漿不易分散；最后加入乳化瀝青和耦聯(lián)劑拌和60s；總體拌和時間共180s.

乳化瀝青混合料需經(jīng)過瀝青破乳與水分離、瀝青與集料粘附和水分蒸發(fā)的過程，在此過程需經(jīng)過交通荷載的補充壓實和自然環(huán)境作用，形成最終強度.為了模擬該過程，特將馬歇爾試件雙面75次擊實過程分2次完成，即先雙面擊實50次，養(yǎng)生4h后再擊實剩余25次.2次擊實時間間隔選擇4h，主要是考慮到水泥的初凝時間.本次試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥，試驗確定初凝時間為140min，為防止將已經(jīng)形成初期強度的水泥石再次擊碎，2次擊實間隔時間理論上應(yīng)小于初凝時間，但是試驗過程發(fā)現(xiàn)僅間隔2h擊實時確實仍有較多液體流出，擊實效果不佳，故綜合考慮將2次擊實時間間隔設(shè)定為4h.

馬歇爾試件養(yǎng)生分為2種方式：常溫養(yǎng)生；高溫養(yǎng)生.每組試驗成型6個試件，3個用于常溫養(yǎng)生，3個用于高溫養(yǎng)生.常溫養(yǎng)生將試件至于25℃室溫，模內(nèi)養(yǎng)生24h后脫模，模外繼續(xù)養(yǎng)生24 h；由于環(huán)境溫度高于60℃后，將會阻礙水泥的水化過程［12］，本次試驗將高溫養(yǎng)護溫度設(shè)定為60℃，模內(nèi)養(yǎng)生47～48h后脫模，冷卻至室溫.

用于測定單軸抗壓強度的試件，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型100mm×100mm的圓柱體試件，每組混合料成型3個試件，旋壓次數(shù)100次，1次旋壓完成.模內(nèi)常溫養(yǎng)生1d，模外常溫養(yǎng)生6d.

4 馬歇爾力學(xué)指標及空隙率分析

按照JTG E20－2011T0709的方法進行馬歇爾實驗，其中常溫組試驗溫度為25℃，高溫組試驗溫度為60℃，馬歇爾試驗結(jié)果見表4.馬歇爾試件空隙率采用表干法測得.常溫組試件主要用于確定水泥乳化瀝青混合料早期性能，高溫組試件主要用于模擬混合料鋪筑于現(xiàn)場后，經(jīng)過近一個月的自然環(huán)境、車輛補充壓實作用，內(nèi)部水分基本散失、混合料呈密實狀態(tài)，定義為后期性能.

計算各因素的極差，結(jié)果見表5.繪制乳化瀝青用量、水泥摻量和耦聯(lián)劑用量與馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的關(guān)系圖，見圖1～6.

表5的極差數(shù)據(jù)知，對常溫組馬歇爾試件的MS，F(xiàn)L和空隙率影響最大的因素分別為乳化瀝青用量、水泥摻量和耦聯(lián)劑用量；對高溫組馬歇爾試件的MS，F(xiàn)L和空隙率影響最大的因素分別為乳化瀝青用量、水泥摻量和乳化瀝青用量.

表4 常溫及高溫組馬歇爾力學(xué)指標及空隙率

圖1 乳化瀝青用量對馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的影響（常溫）

由圖1可見，隨著乳化瀝青含量的增加，MS穩(wěn)定度呈降低趨勢，降幅較大，8%乳化瀝青含量與6%相比，降低41.9%.原因是隨著乳化瀝青的增加導(dǎo)致試件含水率增大、自由瀝青含量增加，經(jīng)48h常溫養(yǎng)生后仍有較多水分殘留，影響了試件早期強度的形成.但8%乳化瀝青含量對應(yīng)的最小MS也比規(guī)范推薦值3kN［13］要大，6%對應(yīng)的最大MS超過了推薦值2倍，表明此時已有足夠的強度予以開放交通.而FL受乳化瀝青用量的影響較小，僅有小幅增大，在5.973～7.334mm變化.空隙率隨乳化瀝青用量的影響也較小，最大值與最小值僅相差0.06%.

圖2 水泥摻量對馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的影響（常溫）

圖3 耦聯(lián)劑用量對馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的影響（常溫）

由圖2可見，隨著水泥摻量的增加MS單調(diào)遞增，4%的水泥摻量與1%用量相比MS增長60%，表明水泥的添加對乳化瀝青混合料早期強度的提高有著絕對的優(yōu)勢，試件早期MS均遠大于3kN，平均每添加1%的水泥MS增大約0.85 kN.空隙率隨水泥摻量的變化，差異不大，最大值與最小值僅相差0.07%.同時由表5知對常溫試件FL影響最大的因素為水泥摻量，水泥摻量的變化使得流值最大值與最小值相差1.76mm，相差不大，說明水泥乳化瀝青混合料常溫組FL的變化均不顯著.

表5 正交試驗MS，F(xiàn)L和空隙率影響因素的極差

由圖3可見，隨著耦聯(lián)劑用量的而增大，MS呈降低趨勢，原因是常溫養(yǎng)生試件48h后進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗時，試件內(nèi)部的水分并沒有散失完全，耦聯(lián)劑的添加增加了總的液體含量，故對試件早期強度的提高沒有明顯優(yōu)勢.隨著耦聯(lián)劑用量的變化FL和空隙率的變化不顯著，最大值最小值分別相差僅為1.435mm，0.13%.雖然圖中看起來空隙的波動較大，原因是空隙率坐標Y軸的分度值很小，為0.02%，所以很小的變化反映在圖上就較明顯.

由圖1～6的空隙率數(shù)據(jù)，可見圖1～3的常溫組空隙率范圍（平均值2.28%）分別為2.25%～2.31%，2.25%～2.32%和2.24%～2.37%，圖4～6的高溫組空隙率范圍（平均值2.16%）分別為2.12%～2.17%，2.15%～2.18%和2.15%～2.17%，空隙率都不大，且試件密實，空隙較穩(wěn)定、波動不大，說明采用2次擊實的方法能夠確?；旌狭铣擅軐崰顟B(tài).且常溫組試件空隙率均大于高溫組試件空隙率，平均值相差0.12%，原因是高溫養(yǎng)生的試件，在第1次與第2次擊實的間隔時間內(nèi)，高溫養(yǎng)生的時間水分散失更多，2次擊實后也更密實.

綜合以上分析結(jié)果，考慮到瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫性能及疲勞性能、經(jīng)濟性，推薦瀝青用量為7～8%，水泥摻量為2～3%；耦聯(lián)劑用量為4%.

圖4 乳化瀝青用量對馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的影響（高溫）

圖5 水泥摻量對馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的影響（高溫）

圖6 耦聯(lián)劑用量對馬歇爾力學(xué)參數(shù)和空隙率的影響（高溫）

5 單軸抗壓強度及空隙率分析

進行單軸試驗的目的是，驗證耦聯(lián)劑的添加對水泥乳化瀝青混合料7d單軸抗壓強度的影響；并驗證2次擊實成型試件與1次旋壓成型試件的空隙率情況有無差異，從而確定有無必要采用2次擊實方法；最后以單軸抗壓強度為目標，推薦最優(yōu)配合比方案，與馬歇爾試驗確定的最優(yōu)方案進行比較，最總確定添加耦聯(lián)劑的水泥乳化瀝青混合料配合比設(shè)計方案.

單軸抗壓強度試驗，按照JTG E20－2011 T0713的方法，20℃下以2mm／min的加載速率測定單軸抗壓強度，試驗結(jié)果見表6.各因素的極差見表7.繪制各影響因素與單軸抗壓強度和空隙率關(guān)系圖，見圖7～9.

表6 旋轉(zhuǎn)壓實成型試件空隙率及單軸抗壓強度

表7 正交試驗單軸抗壓強度和空隙率影響因素極差

表7極差數(shù)據(jù)知，對旋轉(zhuǎn)壓實成型試件的單軸抗壓強度、空隙率影響最大的因素分別為乳化瀝青用量、水泥摻量.

圖7 乳化瀝青用量對旋壓成型試件的單軸抗壓強度和空隙率影響

圖8 水泥摻量對旋壓成型試件的單軸抗壓強度和空隙率影響

由圖7～9知，旋轉(zhuǎn)壓實依次成型的試件空隙率均較大，平均值為5.87%，而采用二次擊實的馬歇爾試件常溫組和高溫組空隙率平均值分別為2.28%，2.16%.原因是，與2次擊實方法相比，旋

轉(zhuǎn)壓實成型試件內(nèi)部人殘留有較多水分，待水分散失后，則表現(xiàn)為殘余空隙較大.表明，采用2次擊實能夠較好的模擬混合料鋪筑現(xiàn)場后的水分散失過程中仍接受車輛的補充壓實過程.

總結(jié)單軸抗壓強度試驗，推薦添加耦聯(lián)劑的水泥乳化瀝青混合料原材料適宜摻量為：乳化瀝青7%～8%，水泥2%～3%，耦聯(lián)劑水溶液為4%，此方案與馬歇爾試驗確定的適宜摻量一致.

圖9 耦聯(lián)劑用量對旋壓成型試件的單軸抗壓強度和空隙率影響

6 結(jié) 論

1）隨著耦聯(lián)劑用量的而增大，常溫組馬歇爾試件MS呈降低趨勢，原因是常溫養(yǎng)生試件48h后進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗時，試件內(nèi)部的水分并沒有散失完全，耦聯(lián)劑的添加增加了總的液體含量，故對試件早期強度的提高沒有明顯優(yōu)勢.

2）高溫組常溫組馬歇爾試件MS均在6kN以上，耦聯(lián)劑含量在2～4%范圍內(nèi)時，MS呈增大趨勢，4%對應(yīng)的MS比2%增加19.1%，當(dāng)用量大于4%后，MS則開始降低.

3）常溫組馬歇爾試件空隙率均大于高溫組，平均值相差0.12%，原因是高溫養(yǎng)生的試件，在第1次與第2次擊實的間隔時間內(nèi)，高溫養(yǎng)生的時間水分散失更多，2次擊實后也更密實.

4）隨著耦聯(lián)劑用量的增加，同高溫組的MS趨勢相同，單軸抗壓強度呈先增大后降低的趨勢，原因為適量的耦聯(lián)劑用量，能夠改善有機膠結(jié)料瀝青同無機膠結(jié)料和集料的界面接觸條件，增強了單軸抗壓強度；過量的耦聯(lián)劑在混合料內(nèi)部發(fā)生了凝聚現(xiàn)象，隨著乳化瀝青的破乳，凝聚物吸水膨脹，導(dǎo)致抗壓強度降低.

5）與2次擊實方法相比，旋轉(zhuǎn)壓實成型試件內(nèi)部人殘留有較多水分，待水分散失后，則表現(xiàn)為殘余空隙較大.表明采用2次擊實能夠較好的模擬混合料鋪筑現(xiàn)場后的水分散失過程中仍接受車輛的補充壓實過程.

6）單軸抗壓強度試驗確定的原材料適宜摻量為：乳化瀝青7%～8%，水泥2%～3%，耦聯(lián)劑水溶液4%，與馬歇爾試驗確定的適宜摻量一致.

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