乳化沥青对水泥稳定碎石力学性能影响的微观机理研究_黄琴龙.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 1 9收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 4第一作者:黄琴龙(1 9 7 0-),男,副教授,博士。乳化沥青对水泥稳定碎石力学性能影响的微观机理研究黄琴龙 崔博恩 权晨嘉(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 2 0 1 8 0 0 4)摘 要 乳化沥青水泥稳定碎石的微观结构和宏观特性联系紧密。为进一步研究混合料力学性能的演变规律,文中首先通过扫描电镜(S EM)和X射线能谱分析(E D S)探究其微观形态结构和物相组成,其次通过无侧限抗压试验、弯曲试验和干缩试验,分析乳化沥青对水泥稳定碎石宏观特性的影响,并进一步分析其微观结构组成和形貌特征对宏观性能演变的影响机制。研究表明,乳化沥青破乳行为和水泥水化反应同时进行,产生由沥青薄膜与水泥水化产物交织形成的絮状胶体,并进一步和针状水泥水化晶体骨架结构交织形成复杂致密的空间网络结构,从而降低混合料的无侧限抗压强度,并提高其弯拉能力和收缩变形能力。关键词 道路工程 水泥稳定碎石 乳化沥青 微观特性中图分类号 U 4 1 4 水泥稳定碎石材料因其强度高、承载力强等优点,广泛应用于我国道路基层中。但是其存在抗变形能力差、早期易出现收缩裂缝等问题,影响道路性能和结构寿命。研究表明,掺入乳化沥青可有效提高水泥稳定碎石材料的抗变形能力并改善其抗裂性,从而提升道路使用性能和服务水平1-2。乳化沥青水泥稳定碎石价格较为低廉且施工方便,具有良好的应用前景。近年来许多学者对乳化沥青水泥稳定碎石材料的强度、收缩、疲劳等特性进行了研究3-8。乳化沥青水泥稳定碎石材料的微观结构与其力学性能关系密切,然而当前的研究对乳化沥青水泥稳定碎石材料的微观结构组成和形貌特征等方面缺乏系统深入的研究,且缺少分析其微观结构形貌特征和宏观力学性能演变规律方面的研究成果。基于此,本文通过扫描电镜(S EM)和X射线能谱分析(E D S)探究乳化沥青水泥稳定碎石的微观形态结构和物相组成。并通过无侧限抗压试验、弯曲试验和干缩试验,分析乳化沥青对水泥稳定碎石宏观力学性能的影响。此外,进一步结合微观物相组成和形貌特征对混合料宏观力学性能的演变规律进行深入的分析讨论。1 原材料及试验方法1.1 原材料和集料级配试验所用水泥为PO4 2.5普通硅酸盐水泥,乳化沥青为阳离子慢裂型乳化沥青,集料为石灰岩碎石和机制细砂,原材料各项参数均满足相关规范要求。试验采用骨架密实型结构,级配参照J T G/TF 2 0-2 0 1 5 公路路面基层施工技术细则 中的骨架密实型级配范围进行设计。级配曲线图见图1,设计集配处于细则要求的集配上限和下限范围之内,满足相关要求。图1 集料的级配设计曲线图1.2 试验方法参考常见的工程配比,本文试验水泥掺量c为4%,乳化沥青掺量a为0%和4%。考虑乳化沥青中的乳液水会随着破乳行为的发生而逐渐变为自由水,进而导致混合料中的实际含水量大于设计含水量。因此,采用最佳掺水量wd o进行混合料制备。经试验,乳化沥青掺量为0%时,最佳掺水量为5.1%,最大干密度为2.3 4 1g/c m3。乳化沥青掺量为4%时,最佳掺水量为3.1%,最大干密度为2.2 9 7g/c m3。本文采用S EM和E D S探究乳化沥青水泥稳定碎石混合料的微观特性。S EM可以直观观察与表征掺乳化沥青水泥稳定碎石混合料的微观结构与形貌差异,探究水化产物、沥青与集料的空间网络结构。E D S可对比掺加乳化沥青后水泥稳定碎石材料试样的能谱值,量化分析其不同元素的构成与比例,从而推断混合料内部物相种类,进一步明确该复合材料的强度形成过程。本文对2种乳化沥青掺量(a=0%,4%)的4 5d养生龄期混合料进行扫描电镜测试和元素能谱测试。为探究乳化沥青对水泥稳定碎石混合料的力学性能影响,按照J T GE 5 1-2 0 0 9 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 相关试验要求,进行无侧限抗压试验、弯拉试验和干缩试验。2 乳化沥青水泥稳定碎石的微观组成及形貌特征2.1 扫描电镜结果(S EM)扫描电镜试验结果见图2。图2 扫描电镜结果(3 00 0 0)2种混合料的扫描电镜图像中存在大量的空间孔隙。通过图像标记处理,将原图像转化为二值图像(见图3),并对孔隙的数量与面积进行计算,计算结果见表1。图3 扫描电镜结果二值图像表1 混合料S EM图像孔隙计算结果c/%a/%单位图像内的孔隙数/个单位图像内的孔隙面积/p x4041 8 11 0 148 4 23 9 9 由图3 a)可知,混合料的微观结构图像中,有大量的针状与棱柱状晶体,这是水泥稳定碎石材料在强度形成过程中,水泥与水接触发生水化反应所生成的水化硅酸钙、水化硫酸铝钙及氢氧化钙等水化产物。这些针状与棱柱状晶体的水化产物晶体相互交织,相互连接,并向周围扩展逐渐填充集料间孔隙,形成立体空间网络结构。该空间网络结构存在较多的孔隙且孔径较大,根据表1计算结果,单位图像内孔隙数量为1 8 1个,孔隙面积为48 4 2p x。由图3 b)可知,掺加4%乳化沥青后,混合料扫描电镜图像有所不同。微观结构中同样存在立体空间网络结构,但网络结构的骨架外围包裹了一层絮状胶体。这层絮状胶体是乳化沥青破乳之后形成的沥青薄膜与水泥水化产物的结合体。絮状胶体与水化产物晶体相互交织,填充原有网络结构中的孔隙。由表1可知,单位图像内孔隙数量由1 8 1个减少为1 0 1个,下降4 4%;孔隙面积由48 4 2p x减少为3 9 9p x,下降9 2%。这表明乳化沥青的掺入,明显减少了混合料内部微观结构的孔隙率,使得微观结构更加复杂致密。2.2 X射线能谱分析(E D S)混合料元素能谱分析结果见图4,汇总结果见表2。表2 混合料元素能谱E D S分析测试结果表%ca以下各元素的质量分数COM gA lS iPSKC aF e合计403 6.21 7.00.73.41 2.502.61.72 4.51.51 0 045.43 7.61.56.51 6.50.91.62.62 5.42.11 0 0 由表2可知,水泥稳定碎石材料的微观结构元素组成主要为碳、氧、铝、硅、硫及钙等元素,其中占比最大的元素为碳元素3 6.1 6%,其次是钙元素2 4.4 7%、氧元素1 7.0 3%、硅元素1 2.4 6%。这是因为普通硅酸盐水泥中主要成分为C a O、S i O2、A l2O3、F e2O3及S O3等水硬性胶结材料,这些材料与水接触发生水泥水化反应,形成水化硅酸钙C-S-H凝胶、C a(OH)2、M g(OH)2、982 0 2 3年第1期黄琴龙等:乳化沥青对水泥稳定碎石力学性能影响的微观机理研究C a C O3及水化铝酸钙C-A l-H凝胶9等针状与棱柱状的水化晶体。这些水化晶体相互交织,形成图2 a)中的空间网络结构。掺入4%乳化沥青后,混合料的微观结构元素组成中占比最大的元素是氧元素3 7.5 7%,其次是钙元素2 5.3 8%、硅元素1 6.4 6%。乳化沥青的掺入导致氧元素绝对占比提高2 0%,碳元素绝对占比降低约3 0%,而铝、硅、钙与铁元素等占比变化不明显。氧元素含量大幅提高,对应图2 b)中出现的大量絮状胶体。在乳化沥青水泥稳定碎石中,水泥水化反应与乳化沥青破乳凝结同时进行。在初期水泥水化产物的外围包裹着一层沥青薄膜,而随着乳化沥青的进一步破乳提供水分,水泥进一步发生水化反应,并在之前沥青薄膜的外围继续生成晶体,且该晶体一端插入沥青薄膜与其相互交织,另一端与后续水泥水化产物相连接,并不断向外扩展逐渐填充集料间孔隙。最终沥青薄膜等有机物质与水泥水化产物所形成的絮状结合体与针状水化晶体骨架结构相互交织,形成图2 b)中的复杂致密空间网络结构。图4 E D S分析测试结果3 乳化沥青水泥稳定碎石力学特性分析乳化沥青水泥稳定碎石材料的微观物象组成和形貌特征与其力学性能关系紧密。在明确微观特性的基础上,对其无侧限抗压强度、弯拉特性、干缩特性进行试验,并结合微观物相组成和形貌特征对混合料力学性能的演变规律进行分析讨论。3.1 无侧限抗压强度水泥掺量为4%时,不同乳化沥青掺量下混合料的7,1 4,2 8d养生龄期无侧限抗压强度试验结果见表3。表3 混合料不同养生龄期下的无侧限抗压强度值c/%a/%以下龄期(d)的无侧限抗压强度/MP a71 42 8404.95.35.642.52.83.2 由表3可知,掺入4%乳化沥青的混合料7d龄期强度为2.5MP a,相比普通混合料强度下降4 9.0%,2 8d龄期强度为3.2MP a,相比普通混合料强度下降4 2.9%。这表明乳化沥青的掺入导致混合料无侧限抗压强度降低。结合S EM与E D S的微观结构测试结果,可以推断乳化沥青破乳凝结形成的沥青薄膜,改变了对水泥颗粒的包裹性能,阻碍了部分水泥颗粒与混合料中自由水的接触,导致混合料内部可能存在部分未充分水化的水泥颗粒,因此相比同掺量下的水泥稳定碎石材料,乳化沥青的掺入降低了水泥水化产物所起到的力学强度与刚度的支撑作用。同时,沥青薄膜除包裹集料外,还与水泥水化产物相结合产生大量的絮状凝胶物质,穿插于水泥水化产物所形成的基础骨架网络中,影响了基础骨架的充分形成,因此降低了混合料的力学强度与刚度。3.2 弯曲试验水泥掺量为4%时,不同乳化沥青掺量下混合料的2 8d养生龄期弯拉强度和极限弯拉变形量见表4。表4 混合料的2 8d弯拉强度值和极限弯拉变形量c/%a/%2 8d弯拉强度/MP a2 8d极限弯拉变形量/mm401.2 80.5 341.2 11.1 2 由表4可知,乳化沥青掺量从0%提升至4%时,混合料的2 8d弯拉强度由1.2 8 MP a变为1.2 1MP a,下降5.5%,2 8d极限弯拉变形量由0.5 3mm变为1.1 2mm,增长1 1 1.3%。这表明乳化沥青的掺入导致混合料弯拉强度轻微下降,极限弯拉变形量显著增加。由S EM与E D S的微观结构测试结果可知,沥青薄膜等有机物质与水泥水化产物所形成的结09黄琴龙等:乳化沥青对水泥稳定碎石力学性能影响的微观机理研究2 0 2 3年第1期合体絮状凝胶,穿插于集料与水泥水化晶体空间网络结构中。由于具有较好延度与柔性的沥青在絮状凝胶中起到重要作用,因此该絮状凝胶可以更好地提高混合料的柔韧性。此外,这些絮状凝胶物质与集料、水泥水化产物的晶体骨架网络结构相互交织与缠绕,形成互相牵制且整体性较好的空间网络结构,可以共同应对外部荷载的作用,改善了混合料的韧性与抗弯拉变形能力。3.3 干缩试验水泥掺量为4%时,不同乳化沥青掺量下混合料的干缩系数见表5。表5 干缩系数随时间的变化规律c/%a/%以下龄期(d)的干缩系数/1 0-671 42 8402 1.14 0.75 7.448.92 5.03 6.4 由表5可知,向水泥稳定碎石中加入乳化沥青可有效减小干缩系数。在2 8d养生龄期下,掺入4%乳化沥青后,干缩系数为3 6.41 0-6,较不掺乳化沥青减小3 6.6%。这表明乳化沥青可明显改善水泥稳定碎石干缩情况。结合S EM与E D S的微观结构测试结果,可以推断乳化沥青破乳后,在集料表面形成一层结构沥青薄膜1 0,该薄膜与集料存在一定的化学吸附作用,可有效减少混合料孔隙中的水分蒸发,从而提高收缩性能。此外,乳化沥青破乳之后,沥青分子部分包裹于集料外侧,部分与水泥水化晶体相互交织形成絮状凝胶物质。由于沥青分子具有一定的柔性与延度,集料外侧薄膜与絮状凝胶在混合料内部表现出一定的黏弹性,导致材料的收缩应变具有一定的滞后性,且有效减小了混合料的收缩应力。相比刚度较大的水泥稳定碎石材料,掺加乳化沥青可以很好地缓解混合料的收缩裂缝问