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乳化沥青混凝土强度形成机理研究
2019年01月25日    阅读量:4538    新闻来源: 沥青路面  |  投稿

摘要:通过与热沥青混合料相比较,分析并得到乳化沥青混合料的相异之处。采用三轴试验法应用摩尔一库仑包络线方程分析乳化沥青混合料强度,混合料初期强度主要来源于内摩阻力,内聚力随时间推移慢慢提高;分析了水泥在乳化沥青混合料强度形成过程中的作用,分析表明:水泥的水化作用和矿粉作用是混合料技术性能提高的主要因素。

 

关键词:水泥-乳化沥青混合料乳化沥青混合料强度机理

 

乳化沥青混合料是一种复杂的复合材料,压实不久的混合料是由初步开始破乳并恢复沥青性质的乳化沥青、较多数量的水、粗集料、细集料和矿粉构成,某些情况下还包括较少量的水泥;压实成型的混合料,在行车荷载和环境温度作用下,水分不断蒸发、乳化沥青不断破乳并恢复沥青黏结性质中国沥青网sinoasphalt.com。30d后,乳化沥青混合料含有很少量水分,强度发育几乎全部完成,理论上将最终达到与热沥青路面相同的路用效果。

 

乳化沥青混凝土与热拌沥青混合料不同的组成特点

 

乳化沥青混合料与热沥青混合料的明显区别在于:

 

a)乳化沥青混合料中含有水分。这是和热沥青混合料的最大不同。由于含有水分,所以乳化沥青混合料就有一个破乳、水分蒸发的过程,铺筑完成后大约30d,强度才能完全形成;热沥青混合料在摊铺碾压成型后,温度急速冷却,沥青迅速由勃稠态转人玻璃体态,分散体系也由具有较大空隙的散堆状态变为密实整体状态,强度就完全形成。

 

b)乳化沥青完全恢复黏结性能后,乳化剂可看作一种沥青添加剂,部分乳化剂与沥青互溶、部分乳化剂存在于沥青与矿料界面之间,乳化剂对沥青性质的影响,对沥青与矿料勃附性的影响可能有利也可能不利;热沥青中的添加物一般都对混合料技术性能起到改善作用。c)乳化沥青混合料完全成型后,残留在沥青和矿料表面的水与侵人热沥青混合料中的水对混合料路用性能影响的异同。前者是水预先存在于沥青一集料界面(或者存在于集料孔隙),后者是水主动侵人原来完全干燥的沥青一集料界面。

 

d)在相同材料配合比的情况下,拌制热沥青混合料工艺的控制因素是沥青与骨料的加热温度,而乳化沥青混合料拌制时控制因素为沥青乳液类型、含水量以及拌和时间等。

 

e)在乳化沥青混合料配合比设计中,水是一个重要因素;某些情况下,还要考虑水泥的添加,水泥是改善乳化沥青混合料技术性能的重要因素。

 

f)乳化沥青与热沥青混合料设计方法中的试验不同川。

 

鉴于以上不同点,并由于在理论上乳化沥青混合料将最终取得与热沥青混合料相同的路用性能,因此,在乳化沥青混合料配合比设计、拌和、摊铺、压实等过程中,应以热沥青混合料为基础,进行相应的试验、工艺等的修正、创新。

 

强度形成机理

 

乳化沥青在常温下具有良好的流动性,拌和时能直接与湿润骨料戮附,可以在常温条件下与骨料拌制成乳化沥青混凝土,在常温下进行摊铺压实。乳化沥青混合料强度构成因素同样是材料的内聚力和内摩阻力。不同的是,内聚力和内摩阻力有一个变化过程,在混合料初期和后期各自对强度的贡献不同。内聚力主要是由沥青的豁聚力及沥青与矿料的薪附力组成,内摩阻力主要是由骨料之间的嵌挤和摩擦构成。混合料抗剪强度仍然可以通过三轴试验方法应用摩尔一库仑包络线方程求得。

 

乳化沥青混合料必须经过乳液与骨料的黏附、分解破乳、水分蒸发之后才能完全恢复原有的黏结性能,并在压实作用下,沥青与骨料紧密黏结在一起形成强度。

 

起初摊铺碾压的乳化沥青混合料,由于沥青翁结力较低,所以混合料内聚力较低;同时混合料中存在较多水分,由于水的猫度低于沥青,水分在混合料中甚止起着“润滑”作用,降低骨料间内摩阻力。混合料初期强度主要来源于混合料内摩阻力,内摩阻力的贡献远大于内聚力。在其他条件相同情况下,粗级配混合料初期强度高于密级配,而后期强度远低于细级配。因此,为提高混合料初期强度,所选用的矿料级配中必须含有足够的粗集料来形成嵌挤骨架,提供较高的内摩阻力。乳化沥青混合料试验证明:粉用量是影响强度的一个重要因素,矿粉应有较高的含量,可达5%一8%。而本研究采用了工程中常用的AC16一I型级配,但在矿粉和大于4.75mm粒径矿料用量取高限。

 

加人水泥之后,水泥一乳化沥青混合料成型强度(包括稳定度和无侧限抗压强度,与普通乳化沥青混合料相比)的增长幅度比水泥一乳化沥青混合料初期强度小,主要是因为水泥的黏结作用和水泥石的形成在初期几乎已经完成,并且由此产生的强度在混合料强度中占相当大部分;后期强度主要是由沥青黏结作用的继续发挥,强度继续增大。

 

水泥对乳化沥青混合料的作用由两部分构成

 

①大部分水泥吸收混合料或乳液中的水分发生水化反应,并产生水化热,加速了乳化沥青破乳和强度形成,缩短了强度形成时间。纤维状的水化生成物向周围空间发展,填充混合料中水分蒸发遗留下来的空隙。

 

正是因为如此,与比普通乳化沥青混凝土相比,水泥一乳化沥青混合料的空隙率较小、密度较大。而空隙率和密度与初始无侧限抗压强度一起构成反映混合料初期强度的重要指标。水泥水化反应与乳化沥青破乳形成沥青膜猫附石料同时进行,因而水化物与沥青膜既相互独立又相互渗透地交织在一起,形成空间立体网络结构裹覆在矿料周围,将矿料紧密地结合在一起。

 

这种空间结构即保证了混合料具有足够的强度,又防止了高温情况下沥青软化时混合料过大的变形。因而,水泥一乳化沥青混合料强度高且高温稳定性好,随着水泥水化反应的不断进行,生成的水化物切断混合料内部相连空隙,形成均匀、密实、孔隙闭合的整体,提高了混合料的总体强度和抗水剥落性。

 

②另一小部分水泥由于水分不足,不能发生水化反应,在混合料中起活性矿粉作用。其与沥青分子发生化学吸附,形成一层结构力学膜,使沥青以更薄的结构沥青形式存在,大大提高了沥青与骨料间的黏附性。正因如此,在水泥一乳化沥青混合料中乳化沥青用量比普通乳化沥青混合料更少,一般情况下,普通乳化沥青混合料比热沥青混合料沥青用量少10%一20%,水泥一乳化沥青混合料沥青用量比热沥青少20%一30%。由于沥青用量减少,混合料中自由沥青数量也减少,使混合料抗变形能力增强。

 

随着水分蒸发和行车荷载压实,乳化沥青混合料密实度逐步增加,裹覆在骨料表面的沥青、乳化剂的分布状态进一步调整、强度不断增强,30d后几乎完全形成强度。此时混合料具有热沥青混合料同样的路用性能,内聚力和内摩阻力同时起到重要作用,尤其是内聚力得以充分发挥。

 

资料显示,在其他条件相同情况下,粗级配混合料初期强度高于细级配,而后期强度远低于密级配。说明内摩阻力在初期强度中起主要作用,在后期强度增长中虽然都有大幅增长;在强度形成过程中,内聚力的增长率和幅度都高于内摩阻力。3乳化沥青混合料强度的影响因素

 

a)养生条件。养生条件主要是指温度、风等环境因素。在强度形成过程中,温度越高、风力越大,乳化沥青破乳速度越快,水分蒸分越快,越有利于强度形成。

 

b)拌和总用水量。在满足拌和时间和裹覆均匀的条件下,用水量不宜过大。水过多,混合料过稀,容易产生离析、流淌、不易压实等现象,不易实现初期强度的要求;水过少,不易拌和均匀、破乳过快,不易压实。

 

c)沥青用量。确定最佳油石比,对早期和后期强度都有重要影响。

 

d)水泥用量。乳化沥青混合料中的水泥,不但起到矿粉作用,更起到改性剂的作用。加人水泥之后,无论早期强度还是成型强度都有较大提高,说明由于水泥水化和水泥石的形成促使乳液尽快破乳,有效提高了混合料早期强度,并改善了混合料的高温稳定性。Schmidt和Nakamory等根据室内试验和试验路验证指出,水泥一乳化沥青混合料抗疲劳性能较差,只有限制水泥用量小于3%时,疲劳开裂的可能性才能减少。

 

e)乳化沥青。用性能良好的乳化沥青拌制的混合料相应较好,要能够满足施工要求。

 

f)集料级配。集料级配和集料性质对乳化沥青混合料强度尤其是初期强度影响很大。骨架一密实结构对早期和后期强度都有利,矿粉的用量是一个重要因素。

 

g)压实。由于混合料中有较多水分和初始黏结力较低,必须采用一种合理的压实方式。实验室中分两次击实,在施工中先轻压后重压。

 

结语

 

乳化沥青混合料与热沥青混合料既有共同点又有明显区别,因此,乳化沥青混合料配合比设计、试验方法等应以热沥青混合料为基础,进行相应的试验、工艺等。

 

a)乳化沥青混合料的强度形成有其自身特点。在强度形成过程中,内聚力的增长率高于内摩阻力。

 

b)沥青混合料初期强度主要来源于内摩阻力。因此,混合料设计中应选用能够提供较大内摩阻力的级配以提高乳化沥青混合料的初始强度。

 

c)水泥的水化作用和矿粉作用是混合料技术性能提高的主要因素。


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