改性乳化瀝青混合料膠漿特性及強度分析

禤煒安，熊劍平，張仰鵬，曾俐豪

（1.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007；3.高等級公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣西 南寧 530007）

節(jié)能減排、降碳增效逐步成為生產(chǎn)經(jīng)營活動的重要導向，道路工程從“重建輕養(yǎng)”向“建養(yǎng)并重”發(fā)展，對低碳高品質(zhì)的瀝青路面養(yǎng)護技術的需求迫切。傳統(tǒng)養(yǎng)護工程常用的熱拌瀝青混合料在拌制過程中需要消耗大量的燃料，且會產(chǎn)生大量的煙塵和廢氣，嚴重污染環(huán)境。乳化瀝青基冷拌材料在常溫環(huán)境下就能完成拌合、攤鋪、碾壓成型等工序，具有節(jié)能減排、施工便捷、適于各種氣候等優(yōu)點，并可改善施工條件，是道路養(yǎng)護技術的重要發(fā)展方向。

21世紀，中國開始研究與推廣使用SBS、SBR改性乳化瀝青，這些瀝青在微表處理、黏結層和霧封層材料等領域被廣泛應用［1］。王偉明等［2-4］開展了改性乳化瀝青制備技術與性能的研究，分析了新型改性乳化瀝青的技術特點和優(yōu)勢。唐太熊［5］研究了乳化瀝青膠漿的干燥成膜過程的影響機制和發(fā)展過程。李霞等［6-7］研究了乳化瀝青材料特性對混合料性能的影響。徐世法等［8-9］研究了環(huán)境條件對改性乳化瀝青混合料強度的影響。李昊隆等［10-11］對乳化瀝青基材料的早期強度特性進行了研究。彭波等［12-13］對乳化瀝青混合料配合比設計方法開展了研究。這些研究主要集中于乳化瀝青及其混合料的制備技術、基本性能等方面，但對不同條件下其強度發(fā)展規(guī)律的研究少見。膠漿組成、黏度特性對乳化瀝青混合料的施工和易性、破乳控制、力學強度影響的研究也較為鮮見。因此，開展改性乳化瀝青混合料膠漿特性及強度發(fā)展規(guī)律的研究是必要的。本研究擬設計不同配合比的乳化瀝青膠漿，研究不同粉膠比、水泥替代率、養(yǎng)護時間對膠漿黏度特性的影響，分析不同膠漿的初始強度和在不同環(huán)境條件下乳化瀝青混合料強度與時間的關系，研究乳化瀝青混合料強度發(fā)展規(guī)律，為復合改性乳化瀝青膠漿的設計及其力學強度的控制提供參考。

1 原材料及試驗設計

1.1 原材料

1） 乳化瀝青為自加工的SBS-SBR復合改性乳化瀝青。其中，SBS摻量為1%，SBR摻量為2%，固含量為65%，1.18 mm篩上剩余量為0.85%，蒸發(fā)殘留物軟化點68.5 ℃，5 d儲存穩(wěn)定性2.2%。

2） 集料中，粗集料采用5～10 mm、10～15 mm輝綠巖和3～5 mm石灰?guī)r，細集料采用0～3 mm石灰?guī)r；礦粉采用石灰?guī)r碎石加工。礦料技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）中的相關技術要求。

3） 水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測，其抗壓強度為51.5 MPa，抗折強度為7.7 MPa，初凝時間為195 min，終凝時間為225 min。

1.2 混合料配合比設計

根據(jù)礦料篩分結果，進行AC-13混合料設計，各檔礦料摻配比例為（10～15） mm∶（5～10） mm∶（3～5） mm∶（0～3） mm∶礦粉=20∶40∶6∶32∶2，水泥摻量為2%。礦料級配設計曲線如圖1所示。

圖1 礦料級配曲線Fig.1 Gradation curves of mineral material

通過試驗確定的最佳改性乳化瀝青油石比為7.7%，在此條件下，AC-13改性乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度為8.82 kN，殘留穩(wěn)定度為91.6%，凍融劈裂強度比為88.7%，動穩(wěn)定度為4 655次/mm。

1.3 試驗方案設計

1） 膠漿黏度特性研究。

改性乳化瀝青膠漿的粉膠比分別取為1.0和0.8，水泥等量替代礦粉分別取為0%、10%、30%、50%、70%進行試驗，分析不同粉膠比、水泥替代率、持續(xù)時間等因素對改性乳化瀝青膠漿布氏黏度的影響。試驗方案見表1。

表1 不同膠漿的黏度特性試驗安排Table 1 Test schedule of viscosity characteristics of mortar system

2） 力學強度特性研究。

以馬歇爾穩(wěn)定度作為改性乳化瀝青混合料力學強度的評價指標，研究不同膠漿組成對混合料初始馬歇爾穩(wěn)定度的影響，見表2。分別設計不同溫度（室溫、60 ℃、90 ℃）、濕度（20%、60%）、風力（無風、10 m/s）等養(yǎng)護條件，研究不同環(huán)境因素對改性乳化瀝青混合料強度的影響。

企業(yè)的文化建設是和企業(yè)相關的管理理念，是以企業(yè)的價值觀為依托所產(chǎn)生的，也是其長久發(fā)展和不斷擴散的過程。同時，企業(yè)的文化建設能夠彰顯出企業(yè)的核心價值，它還體現(xiàn)在企業(yè)深刻的文化觀念、長久以來的歷史傳統(tǒng)、與眾不同的企業(yè)精神和嚴格遵守的道德規(guī)范、行為準則這些方面上，而員工的思想行為、道德風貌則是其具體表現(xiàn)。企業(yè)文化建設的價值觀就代表著企業(yè)的核心，是企業(yè)最中心的環(huán)節(jié)，而企業(yè)的價值觀也不僅僅局限于企業(yè)管理運行中的各種文化現(xiàn)象和文化表現(xiàn)，更多的是企業(yè)員工在工作期間所秉持的企業(yè)理念以及企業(yè)精神。企業(yè)的文化建設不僅代表了企業(yè)生存競爭發(fā)展的趨勢，更是企業(yè)不竭的動力。

表2 不同膠漿的乳化瀝青混合料初始強度試驗安排Table 2 Initial strength test schedule of emulsified asphalt mixture with different mortars

2 不同膠漿的黏度特性研究

2.1 不同膠漿的黏度測試

按照本試驗方案制備乳化瀝青膠漿，并采用布氏黏度儀測試不同膠漿在不同時間（0、15、30、45和60 min）的布氏黏度，試驗結果見表3。

表3 不同膠漿的黏度的試驗結果Table 3 Viscosity test results of different mortars

2.2 粉膠比對膠漿黏度的影響

當粉膠比分別為1.0和0.8時，5組不同水泥替代率的膠漿乳化瀝青膠漿黏度的試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，在水泥替代率相同時，粉膠比為1.0的膠漿布氏黏度均大于粉膠比為0.8的。當水泥替代率為0時，粉膠比為0.8的膠漿布氏黏度為0.325 Pa·s，粉膠比為1.0的膠漿布氏黏度為0.577 Pa·s，粉膠比為1.0的膠漿布氏黏度較粉膠比為0.8的提高了77.5%；當粉膠比為1.0時，水泥替代率分別為10%、30%、50%的膠漿布氏黏度較粉膠比為0.8的相同水泥替代率的依次提高了82.1%、51.6%、65.4%。這表明粉膠比越大，乳化瀝青膠漿的布氏黏度越大。

圖2 不同粉膠比膠漿黏度的試驗結果Fig.2 Viscosity test results of mortar with different powder-binder ratio

2.3 水泥替代率對膠漿黏度的影響分析

本試驗分別在乳化瀝青膠槳中分別摻入0%、10%、30%、50%、70% 的水泥替代礦粉，分析其對膠漿材料黏度的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同水泥替代率膠漿黏度的變化曲線Fig.3 Viscosity change curve of mortar with different cement replacement rate

從圖3可以看出，當粉膠比相同時，隨著水泥替代率的增大，膠漿的布氏黏度值呈增大趨勢。當粉膠比為0.8時，水泥替代率分別為10%、30%、50%、70%的膠漿布氏黏度依次是水泥替代率為0%的膠漿布氏黏度的2.56倍、3.26倍、3.45倍、4.07倍。粉膠比為1.0時，水泥替代率大于等于70%的膠漿的黏稠值，無法測出，如A5。不同粉膠比具有不同的水泥替代率臨界值，需要根據(jù)實際乳化瀝青混合料的粉膠比確定合適的水泥替代率。當粉膠比為1.0時，建議其水泥替代率不超過50%。

2.4 持續(xù)時間對膠漿黏度的影響分析

根據(jù)本試驗方案配制的改性乳化瀝青膠漿，分別測試試件在0、15、30、45和60 min的布氏黏度，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同粉膠比膠漿黏度隨時間的變化曲線Fig.4 Viscosity change curve of mortar with different powder-binder ratio with time

從圖4可以看出，當持續(xù)時間為0～60 min時，同一粉膠比的膠漿在不同水泥替代率的膠漿布氏黏度值變化不大。當粉膠比為1.0、水泥替代率為50%時，持續(xù)時間分別為0、30和60 min的膠漿的布氏黏度值依次為1.604、1.694和1.732 Pa?s，其最大相差值為0.128 Pa?s。其主要原因是在60 min內(nèi)，盡管有部分水泥開始發(fā)生了水化反應，但水化程度并不高，遠未達到使水泥材料凝結的程度；其次，由于該布氏黏度在室溫條件下進行，改性乳化瀝青破乳率不高，水分蒸發(fā)不多，因此其對膠漿材料的黏度值影響不大。

3 乳化瀝青混合料力學強度特性研究

3.1 不同膠漿的初始穩(wěn)定度

采用按照本試驗方案配制的改性乳化瀝青膠漿進行馬歇爾試驗，測量不同配方的改性乳化瀝青膠漿的初始馬歇爾穩(wěn)定度，試驗結果見表4。

表4 不同膠漿的馬歇爾穩(wěn)定度的試驗結果Table 4 The Marshall stability test results of different mortars kN

由表4可知，按照不同粉膠比、不同水泥替代率制備的改性乳化瀝青膠漿，其混合料的初始穩(wěn)定度均有所差異。當粉膠比相同時，隨著水泥替代率的提高，乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度不斷增強，A4方案下的初始馬歇爾穩(wěn)定度比A1方案下的提高了1.18倍。其主要原因是在乳化瀝青膠漿體系中，水泥能夠發(fā)生水化反應，該反應一方面加速了水分的消耗和乳化瀝青的破乳；另一方面，水化反應形成了水泥石，促進了其初始馬歇爾穩(wěn)定度的提高。

當水泥替代率相同時，對比A4與B4方案可知，膠漿粉膠比越高，初始馬歇爾穩(wěn)定度也越高。粉膠比為1.0的膠漿的初始馬歇爾穩(wěn)定度比粉膠比0.8的膠漿的馬歇爾穩(wěn)定度提高了19.0%。這是因為粉膠比越高，其總比表面積越大，吸水量越大，乳化瀝青的破乳時間越短，促進了膠漿初始馬歇爾穩(wěn)定度的形成。

對比不同的試驗方案，可知：方案A4的初始馬歇爾穩(wěn)定度最高，即當粉膠比為1.0，水泥等量替代率為50%時，乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度較高，其值為3.32 kN。由表4還可知，初始馬歇爾穩(wěn)定度越高，其最終的馬歇爾穩(wěn)定度也越高，如：A4方案的馬歇爾穩(wěn)定度為8.08 kN，該值較A1、B4方案的5.50 kN、6.25 kN的馬歇爾穩(wěn)定度均有明顯提高。

3.2 溫度對強度的影響

對AC-13乳化瀝青混合料試件進行擊實后，分別將其置于室溫、60 ℃、90 ℃ 3種不同溫度條件下養(yǎng)護1、2、3、5和7 d，再將其取出，在常溫下放置24 h，最后脫模并測試馬歇爾穩(wěn)定度，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同溫度下強度隨時間的變化曲線Fig.5 Variation curves of the Marshall strength with time at different temperatures

從圖5可以看出，當養(yǎng)護時間相同時，養(yǎng)護溫度越高，乳化瀝青混合料的強度越高，90 ℃的乳化瀝青混合料的強度最高，60 ℃的次之，室溫養(yǎng)護的最小。當養(yǎng)護時間為1 d時，養(yǎng)護濕度分別為60 ℃、90 ℃的乳化瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度比室溫養(yǎng)護的乳化瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度分別提高了1.26倍、1.88倍。這是因為在乳化瀝青混合料強度形成過程中，需要將材料體系內(nèi)的水分蒸發(fā)，還原瀝青常溫條件下半固體狀態(tài)，發(fā)揮其黏結作用。溫度升高能夠促進水分的蒸發(fā)，加快強度形成。因此，在乳化瀝青混合料攤鋪碾壓后，較高的氣溫條件有利于材料強度的形成。

在3種不同溫度下，乳化瀝青混合料的強度均呈前期增長較快、后續(xù)逐漸減緩甚至趨于穩(wěn)定的規(guī)律。但不同養(yǎng)護溫度的乳化瀝青混合料的轉(zhuǎn)折點不太一致。在室溫條件下，乳化瀝青混合料的強度在3 d后趨于平穩(wěn)；在60 ℃和90 ℃條件下，養(yǎng)護2 d后，乳化瀝青混合料的強度可基本達到最終強度的80%左右。

3.3 濕度對強度的影響

在對AC-13乳化瀝青混合料試件進行擊實后，先將其置于室溫，濕度分別設置為60%和20%的條件中，分別養(yǎng)護1、2、3、5和7 d，再取出常溫放置24 h，最后脫模，并測試其馬歇爾穩(wěn)定度，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同濕度下強度隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of the Marshall strength with time at different humidity

從圖6可以看出，當養(yǎng)護時間相同時，養(yǎng)護濕度越小，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度越大。當養(yǎng)護為3 d時，60%濕度的乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度為3.87 kN，20%濕度的乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度為4.26 kN，其增幅為10.1%。其主要原因是環(huán)境濕度越小，越有利于乳化瀝青混合料中水分蒸發(fā)，越有利于乳化瀝青破乳，縮短強度形成時間；而濕度越高，越不利于水分蒸發(fā)和混合料強度的形成。

在時間軸上，與溫度的發(fā)展規(guī)律相似，乳化瀝青混合料的強度均呈前期增長較快、后續(xù)逐漸減緩甚至趨于穩(wěn)定的規(guī)律。由于試驗溫度較低，其強度大致在3～5 d后才基本達到峰值。

3.4 風力對強度的影響

在對AC-13乳化瀝青混合料試件進行擊實后，先將其置于室溫中，濕度設為60%，風力分別設為無風和10 m/s的風速，分別養(yǎng)護1、2、3、5和7 d，再將其取出，在常溫中放置24 h后，最后脫模并測試其馬歇爾穩(wěn)定度，試驗結果如圖7所示。

圖7 不同風力馬歇爾穩(wěn)定度隨時間變化曲線Fig.7 Variation curves of the Marshall strength with time at different wind force

從圖7可以看出，當養(yǎng)護時間相同時，風力越大，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度越大。與無風環(huán)境的乳化瀝青混合料相比，風速為10 m/s的乳化瀝青混合料在養(yǎng)護1、3、5和7 d的馬歇爾穩(wěn)定度分別提高了23.7%、17.1%、23.4%、24.4%，表明風力對乳化瀝青混合料的強度形成具有良好促進作用。其主要原因是，加大風力，有利于乳化瀝青混合料中水分蒸發(fā)，促進乳化瀝青混合料強度的形成。

與溫度、濕度的發(fā)展規(guī)律相似，隨著養(yǎng)護時間的延長，乳化瀝青混合料的強度均呈前期增長較快、后續(xù)逐漸減緩甚至趨于穩(wěn)定的趨勢。

4 結論

1） 粉膠比越大，乳化瀝青膠漿的黏度越大；隨著水泥替代率的增大，膠漿的布氏黏度值總體呈增大的趨勢，當粉膠比1.0時，水泥替代率建議不超過50%；持續(xù)0～60 min，膠漿材料的布氏黏度值變化不大，基本維持在相同水平。

2） 通過水泥等量替代礦粉，可提高乳化瀝青混合料的初始強度；粉膠比越大，其乳化瀝青混合料初始強度越高。當粉膠比為1.0，水泥等量替代率為50%時，乳化瀝青混合料的初始馬歇爾穩(wěn)定度為3.32kN，具有較高的初始強度。

3） 溫度越高，濕度越小，風力越大，越有利于水分蒸發(fā)，加速乳化瀝青破乳，促進乳化瀝青混合料強度的形成與發(fā)展。當養(yǎng)護溫度分別為60 ℃和90 ℃時，乳化瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度2 d左右，基本達到其馬歇爾強度峰值的80%以上。

4） 隨著養(yǎng)護時間的延長，乳化瀝青混合料的強度逐漸增大，該強度總體上呈前期增長較快、后續(xù)逐漸減緩甚至趨于平穩(wěn)的趨勢。