黃琴龍，古小明，楊 壯，楊傳景

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200000）

乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)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(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海200000）

通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度特性與影響因素，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，分析了水泥和乳化瀝青摻量、養(yǎng)生溫度和延遲成型時(shí)間對混合料強(qiáng)度的影響規(guī)律，并提出了混合料的強(qiáng)度預(yù)估模型，能有效預(yù)估乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度；高溫條件能有效促進(jìn)混合料早期強(qiáng)度的形成；為保證工程質(zhì)量，乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石施工時(shí)應(yīng)采用最佳摻水量進(jìn)行拌合，延遲成型時(shí)間應(yīng)控制在2 h內(nèi)，且應(yīng)加強(qiáng)混合料早期（尤其是前14 d）的養(yǎng)生。

道路工程；水泥穩(wěn)定碎石；乳化瀝青；強(qiáng)度特性

針對水泥穩(wěn)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(chǎn)生，從而提高道路的服務(wù)水平與使用壽命[1,2]。乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石是以乳化瀝青和水泥共同作為粘結(jié)劑，通過與碎石的物理和化學(xué)變化形成的新型復(fù)合材料，由于其兼具半剛性基層和柔性基層的特點(diǎn)，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(wěn)定碎石的溫縮和干縮性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其抗收縮能力相比普通水泥穩(wěn)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(qiáng)度形成機(jī)理發(fā)生改變，混合料的性能影響因素與質(zhì)量控制方法尚不明確，施工質(zhì)量難以得到有效保證。因此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)與對比分析方法，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，對乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度特性和影響因素進(jìn)行研究，從而有效地保證乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石基層的施工質(zhì)量。

1 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度形成機(jī)理與影響因素

1.1 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度形成機(jī)理

在乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長過程中，乳化瀝青、水泥、碎石和水之間發(fā)生了多種復(fù)雜的物理化學(xué)作用。其中水泥的水化與乳化瀝青的破乳是同時(shí)進(jìn)行的，這兩個(gè)過程既相互獨(dú)立又相互貫穿，形成了兩種性質(zhì)不同而又相互交叉的立體空間網(wǎng)絡(luò)。它不同于水泥穩(wěn)定碎石的剛性空間網(wǎng)絡(luò)，也區(qū)別于瀝青穩(wěn)定碎石的柔性空間網(wǎng)絡(luò)，是一種介于兩者之間的新型復(fù)合材料[6]。

水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)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(gè)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(jié)成密實(shí)的薄膜；破乳過程為混合料提供了更充足的水份，進(jìn)一步促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的發(fā)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(nèi)部，有的還與集料發(fā)生反應(yīng)，牢牢固定在集料表面，水泥水化產(chǎn)物與瀝青交織裹覆集料顆粒，形成以水泥為連續(xù)相、瀝青為分散相的有機(jī)整體，如圖1所示。

圖1 乳化瀝青水泥穩(wěn)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(wěn)定碎石強(qiáng)度影響因素

相比普通水泥穩(wěn)定碎石材料，乳化瀝青的摻入使混合料強(qiáng)度性能的影響因素更為復(fù)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(jié)劑摻量、養(yǎng)生溫度和延遲成型時(shí)間3個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究：

1）粘結(jié)劑摻量。水泥和乳化瀝青作為混合料的粘結(jié)劑，其摻量是影響乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素。

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

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

2 試驗(yàn)材料與方案設(shè)計(jì)

2.1 原材料與集料級配

試驗(yàn)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?guī)r，分為15～25，5～15，3～5 mm和0～3 mm，共4檔；細(xì)集料為機(jī)制細(xì)砂，原材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)中采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，并按《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）[7]中推薦的骨架密實(shí)型級配范圍中值進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體見表1。

表1 骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[8]中的甲類重型擊實(shí)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(jù)混合料強(qiáng)度形成機(jī)理可知，乳化瀝青破乳后會產(chǎn)生一定量的自由水，導(dǎo)致混合料的設(shè)計(jì)含水量與實(shí)際含水量存在一定差異，故本文提出了最佳摻水量ωd1指標(biāo)，ωd1可通過最佳含水量與乳化瀝青摻量計(jì)量得到，其計(jì)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(zhì)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(zhì)量比）和3種乳化瀝青摻最λa（外摻質(zhì)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(shí)，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(yàn)設(shè)計(jì)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《公路無極結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）[8]的方法進(jìn)行。先根據(jù)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(shí)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(yǎng)生室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生，養(yǎng)生溫度為（20±2）℃，相對濕度在95%以上，并在設(shè)計(jì)齡期前24 h放入恒溫水槽中進(jìn)行飽水養(yǎng)生。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用MTS-810萬能材料試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變加載模式，加載速率為1 mm/min，每個(gè)工況進(jìn)行5組平行試驗(yàn)，取5組試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為混合料的強(qiáng)度代表值。

3 各因素對乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響

3.1 水泥和乳化瀝青摻量對強(qiáng)度的影響

為了解水泥和乳化瀝青摻量對混合料強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)檢測，結(jié)果見圖2。從圖2可知：在水泥穩(wěn)定碎石中摻2%乳化瀝青后，混合料7 d齡期的強(qiáng)度降低了18%～22%，28 d齡期的強(qiáng)度降低了15%～20%；而乳化瀝青摻量為4%時(shí)，混合料7 d齡期的強(qiáng)度降低了35%～49%，28 d齡期的強(qiáng)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(qiáng)度，但強(qiáng)度降低率隨著齡期的增長略有減小，表明乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度增長相比普通水泥穩(wěn)定碎石具有一定的延滯性，施工中應(yīng)有效延長混合料的養(yǎng)生時(shí)間。

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

3.2 養(yǎng)生溫度對強(qiáng)度的影響

為了分析養(yǎng)生溫度對乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響，設(shè)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(yǎng)生的環(huán)境溫度T分別為5℃，20℃和35℃，對混合料7 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可知：養(yǎng)生溫度對混合料7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大，有效提高養(yǎng)生溫度能促進(jìn)混合料的物理和化學(xué)反應(yīng)，使混合料的早期強(qiáng)度相對較高。

3.3 延遲成型時(shí)間對強(qiáng)度的影響

為了考慮不同延遲成型時(shí)間對混合料強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)中設(shè)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(shí)間td為0，1，2和3 h時(shí)，混合料的7 d齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見圖4，從圖4可知：隨著成型延遲時(shí)間td的增長，混合料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，其中延遲1 h的強(qiáng)度平均降低了2%，延遲2 h的強(qiáng)度平均降低了8%，而延遲3 h的強(qiáng)度平均降低了18%，可以看出混合料成型延遲時(shí)間超過2 h后，其強(qiáng)度將大幅降低，為了保證現(xiàn)場施工質(zhì)量，應(yīng)盡可能將混合料拌合與運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間控制在2 h內(nèi)。

圖3 不同養(yǎng)生溫度下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 USC of mixtures under different curing temperatures

圖4 不同延遲成型時(shí)間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.4 USC of mixtures under different delaying time

4 乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度增長預(yù)估模型

由乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度形成機(jī)理可知，混合料的初始強(qiáng)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(xué)作用，而隨著水泥水化與凝結(jié)、乳化瀝青的破乳與硬化過程的不斷進(jìn)行，混合料的強(qiáng)度逐漸增大，且隨著物理化學(xué)變化的完成而使強(qiáng)度增長逐漸變得緩慢，最終構(gòu)成混合料的極限強(qiáng)度Rc∞。所以，摻乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度預(yù)估模型需要滿足下列3個(gè)邊界條件［9，10］：

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

根據(jù)上述邊界條件，可假設(shè)混合料的強(qiáng)度增長預(yù)估模型為

式中：a為回歸系數(shù)。為了分析乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度增長規(guī)律，設(shè)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(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)生，并在試件成型當(dāng)天、養(yǎng)生3，7，14，28，60，90 d和180 d后分別進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系曲線，如圖5。試驗(yàn)中認(rèn)為混合料在180 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不再增長，即為極限強(qiáng)度Rc∞，根據(jù)公式（3）對強(qiáng)度增長曲線進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見表3。

圖5 不同乳化瀝青摻量下混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)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(qiáng)度預(yù)估模型的相關(guān)性均較好，能夠較為準(zhǔn)確地反映乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料在不同齡期下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。此外，混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期呈非線性增長，其中未摻乳化瀝青的水泥穩(wěn)定碎石在0～28 d早期強(qiáng)度以較快速度增長，28 d的強(qiáng)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(qiáng)度增長速率相對較慢，28 d的強(qiáng)度形成比為0.77；摻入4%乳化瀝青，混合料的28 d強(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)越明顯，證明了乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度形成相比普通水泥穩(wěn)定碎石材料具有一定的延滯性。

5 結(jié)語

1）乳化瀝青水泥穩(wěn)定碎石材料拌合時(shí)需要考慮乳液水的影響，施工中應(yīng)采用最佳摻水量指標(biāo)進(jìn)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(wěn)定碎石材料中摻入2%乳化瀝青后，混合料7 d齡期的強(qiáng)度降低了18%～22%；摻入4%乳化瀝青后，混合料7 d齡期的強(qiáng)度降低了35%～49%，混合料的強(qiáng)度隨乳化瀝青摻量的增加而降低，但強(qiáng)度變異系數(shù)明顯減小，乳化瀝青使水泥穩(wěn)定碎石材料的強(qiáng)度性能更為穩(wěn)定。

3）養(yǎng)生溫度對混合料7 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大，而對28 d齡期的強(qiáng)度影響相對較??；為了保證現(xiàn)場施工質(zhì)量，建議現(xiàn)場施工時(shí)將混合料的拌合與運(yùn)輸總時(shí)間控制在2 h以內(nèi)。

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

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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(zé)任編輯 王建華）

2016－10－17

山西省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（20160101）

黃琴龍（1970—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槁坊访婀こ獭?/p>

楊壯（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槁坊访婀こ獭?/p>