阳离子乳化沥青对硅酸盐水泥砂浆力学性能影响分析

王振军，高 杰，魏永锋，石 艳，侯小红

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安710061)

0 引言

硬化水泥基复合材料属脆性材料，韧性较差，乳化沥青混合料属于柔性材料，近年来在公路工程中备受关注．乳化沥青改性水泥砂浆是以水泥浆体为连续相进行“刚中掺柔”来提高水泥砂浆韧性的新型工程材料［1-2］．近几年，国内外学者对阳离子乳化沥青改性水泥砂浆的宏观性能进行了深入的研究．Song 等［3］研究了乳化沥青乳液作为高聚物改善水泥浆体的力学性能的可行性，认为乳化沥青能够显著提高水泥浆体的抗渗、抗碳化性能，并能有效阻止氯离子渗透． 李祝龙等［4］研究认为乳化沥青对水泥砂浆具有滞缓终凝及减少用水量的作用，分析了乳化沥青用量对动弹性模量的影响规律．胡曙光等［5］在极度干燥条件下研究了乳化沥青对水泥砂浆的改性机理，认为乳化沥青能提高水泥砂浆的抗折强度，降低压折比，并深入阐述了乳化沥青破乳程度对改性效果的影响．Ghazi 等［6-7］等制备了水泥乳化沥青混合料测试了其路用性能，并分析复合胶浆的微观结构，认为复合胶浆是由沥青包裹的矿粉与未水化水泥组成的粒状颗粒和纤维状水泥水化产物C -S -H凝胶、CH 等构成．上述研究从不同角度讨论了乳化沥青对水泥砂浆性能影响，鲜见结合微观结构特征对其力学变化规律提出较为详尽的机理解释．

因此，笔者研究不同乳化沥青含量对水泥砂浆抗压强度及抗折强度的变化，并根据其变化规律深入、系统的研究乳化沥青对水泥砂浆的作用机理．

1 原材料与试验方法

1．1 原材料性能

采用32．5 复合硅酸盐水泥，其物理性能见表1;干净河砂，细度模数μx= 2．58，属中砂;慢裂型阳离子乳化沥青，其性能指标见表2;萘系高效减水剂，减水率20%．

表1 水泥的物理性能Tab．1 The physical properties of the cement

表2 乳化沥青性能指标Tab．2 Emulsified asphalt performance indicators

1．2 试验方法

砂浆中水泥、砂子、水、减水剂的质量比例为1∶1．33∶0．25∶0．026，且保持不变，乳化沥青与水泥的质量百分比(用AE/C 表示)按0、5%、10%、15%和20%取代水泥．将所设计配合比的水泥砂浆制成40 mm×40 mm ×160 mm 的试件，室温养护24 h 脱模，在恒温(20 ±2)℃相对湿度95%的条件下养护7 d，后置于室温环境养护至28 d 龄期．

采用SANS 万能试验机测试力-挠度曲线并计算抗折强度，支座跨距100 mm，匀速加载速率0．5 mm/min，直至断裂．受压面为试件成型时的2个侧面，用折断后的棱柱进行抗压试验，压力机加载速率为2 400 N/s ±200 N/s，测取不同龄期试块的抗折、抗压强度．

另外，将试样切片并喷金，采用Hitachi S4800环境扫描电镜，分辨率为8．0 nm，最大束流2 μA，分析乳化沥青水泥砂浆的微观结构．

2 结果与分析

2．1 乳化沥青对砂浆抗压强度的影响机理

AE/C 对抗压强度的影响如图1 所示．由图1可见，随着AE/C 的增大，不同龄期下砂浆的抗压强度显著下降．当AE/C =5%时，其3，7，28 d 龄期下抗压强度分别较基准试件下降了24%、11%、19%，但乳化沥青聚集程度相对较低，其抗折强度保持在较高水平，这是因为包裹在水泥颗粒表面的沥青膜厚度较薄，水泥的水化产物仍是构成骨架结构的连续相． 当AE/C =10%时，其3 d、7 d、28 d 抗压强度分别较基准试件下降了36%、25%、23%;当AE/C =15%时，其3 d、7 d、28 d 抗压强度分别较基准试件下降了53%、36%、37%;当AE/C =20% 时，其抗折强度下降至28 Mpa 以下，将限制其在工程中的使用，这是由于随着乳化沥青聚集程度提高，沥青膜厚度增大，水泥的水化产物无法穿过沥青膜生长，未能相互搭接形成连续的支撑结构． 此时硬化复合浆体的骨架结构是由裹附在水泥颗粒及砂表面的沥青膜构成，这种骨架结构较为疏松，难以提供足够的强度．

图1 AE/C 对抗压强度的影响Fig．1 AE/C on mortar compression strength of the influence

图2 为7d 龄期下，不同聚灰比所构成试件的表面微观形貌．AE/C=5%的试样中，由于沥青膜包裹不充分，所以水泥水化反应进展良好，反应初期产生的大量水化产物彼此搭接，不断生长，穿插于凝胶体内，形成了连续的空间骨架结构．随着水化反应的进行，水化生成的C-S -H 凝胶和其他水化产物不断填充内部的孔隙，一些微细的纤维状水化物也大量产生．观察发现其表面孔隙较少，水泥石的结构致密，由水化产物相互交织而提供的强度较高． 随着AE/C 增至10%及15%，试样中水泥颗粒被沥青膜分割若干个区域，区域之间是由沥青进行粘结，且水泥水化产物发育不佳，孔隙较多，结构松散，沥青-水泥的界面过渡区还存在较多的片状氢氧化钙晶体，这些特征均对抗压强度的形成不利．

图2 不同AE/C 砂浆微观形貌Fig．2 Different AE/C mortar microscopic morphology

另外，阳离子乳化沥青在与水泥、砂子拌合的过程中，乳化沥青中的水相部分率先与集料表面接触，在其表面形成一层吸附水膜，由于阳离子乳化剂同时具有亲油基团和亲水基团，亲水基团一端插入水中随着水相流动的方向进行定向移动，吸附在集料表面，完成了水泥颗粒和集料从乳化沥青中“夺水”的过程． 随后，乳化剂开始从乳化沥青中流失，直至胶浆体系失衡、乳化剂完全失去分散作用．同时，乳化剂中亲油基一端插入沥青微珠中，对之产生牵引效果并逐渐向集料表面聚集．在乳化剂的桥连作用下，大量沥青微珠相互交织、堆积、缠绕，形成沥青膜并完全裹附在水泥颗粒和集料表面，形成如图3 所示囊包状突起［8-10］． 在沥青成膜瞬间，一部分水在沥青与集料表面较强的吸附力作用下将二者间的水沿着它们的界面挤压出去，这种吸附力主要是由沥青中的环己烷酸和沥青酸与水化和水解过程中获得的Ca(OH)2进行化学反应形成的化学键所提供的，另一部分水则留在囊包中参与水化．

图3 沥青水泥囊包内部结构示意图Fig．3 Asphalt cement sac bag internal structure diagram

2．2 乳化沥青对砂浆抗折强度的影响机理

乳化沥青对砂浆抗折强度的影响如图4 所示．

图4 AE/C 对砂浆抗折强度的影响Fig．4 AE/C on mortar bending strength of the influence

图4 表明，7 d、28 d 龄期下，随着聚灰比的升高，砂浆抗折强度的变化规律呈现出先大幅提高后趋于平缓，最后显著下降，并且其抗折强度均高于基准试件．当AE/C =5%时砂浆抗折强度的增幅较大，7 d、28 d 龄期下其抗折强度分别较基准试件提高了72%、35%;当AE/C =10% 时，砂浆抗折强度最大，7 d、28 d 龄期下分别较基准试件提高了75%、43%;当AE/C 大于10%后，抗折强度出现显著的下降．

3 d 龄期试件的抗折强度因为加入了乳化沥青而低于基准试件;到达7 d 龄期后其抗折强度迅速发展，高于基准试件．这说明乳化沥青对水泥颗粒的早期水化反应具有延缓作用，龄期超过7 d后延缓作用逐渐消除． 这是由于水化初期水化产物发育不良，而后随着沥青膜内外的水泥颗粒水化反应进行，大量C -S -H 和次生的钙矾石、氢氧化钙晶体开始填充在基体架构中的空隙里［11］;这些簇状水化产物快速生长，使膜内外的水化产物实现贯穿，它们彼此交织、重叠在一起，形成了一个如图5 所示错综复杂的密实网络结构，使抗折强度逐渐增大;同时，处于沥青膜之外的水泥颗粒的水化产物也牢牢刺入集料表面的沥青膜．

图5 砂浆内部网络结构示意图Fig．5 Mortar internal network structure diagram

2．3 乳化沥青对砂浆韧性的影响机理

不同AE/C 下砂浆-挠度曲线如图6 所示．图6 表明，基准试件裂缝迅速贯通表现出脆性材料的典型破坏形式．随着乳化沥青的加入，荷载-挠度曲线逐渐变的较为平滑，初裂出现后试件所承受的荷载随位移的增大而缓慢增大，并在最大值附近出现小幅波动，然后逐渐下降． AE/C 为0～5%时，试件荷载-挠度曲线的脆性特征较为明显，极限挠度较低，韧性不佳． 当AE/C 增至15%～20%时，抗折强度有所降低，跨中挠度也相应降低，韧性较基准试件有所提高．AE/C =10%时，极限挠度最大，裂缝贯通过程缓慢，延性变形过程中所受荷载相对较为稳定，其韧性最佳．这是由于沥青水泥囊包状突起之间的空隙是由针状及纤维状的水化产物相互搭接而成的，图7 中可观察到沥青胶浆填充在其中．在受弯曲荷载条件下，由于沥青的模量远低于硬化水泥浆体，沥青在压缩过程中吸收了部分荷载，为水化产物的断裂提供了缓冲．同时，AE/C =10%时不会出现由于囊包之间填充沥青过多而导致的滑动位移，从而提高了砂浆的抗折强度和韧性．

图6 不同AE/C 下砂浆荷载－挠度曲线图Fig．6 Different AE/C mortar load-deflection curve

图7 砂浆内部结构SEM 图像Fig．7 Mortar internal structure SEM image

3 结论

采用不同质量分数的乳化沥青与水泥(AE/C)制备乳化沥青改性水泥砂浆，通过评价其抗压强度和抗折强度等力学性能，确定乳化沥青的最佳质量百分比;并采用扫描电镜(SEM)分析微观结构，解析乳化沥青对水泥砂浆力学性能影响机理．

(1)乳化沥青质量分数大于5%时，砂浆的抗压强度显著下降，抗折强度提高，当质量百分比达到10%时，砂浆具有最佳的韧性．

(2)乳化沥青对水泥颗粒的早期水化反应具有阶段性的延缓作用，龄期超过3d 后延缓作用逐渐消除．

(3)沥青胶浆填充在水化产物的空隙中，起吸收荷载、提供缓冲的作用;在砂浆强度得到保证的情况下，水泥砂浆的变形能力决定了其韧性．

(4)水化产物中沥青的充实程度是影响水泥砂浆力学性能的主要因素，这是由乳化沥青的加入量决定的，其填充厚度大于水化产物生长长度，水化产物不能实现贯通，无法形成连续的骨架结构，导致结构失稳破坏．

［1］ 沙爱民．半刚性路面材料结构与性能［M］．北京:人民交通出版社，1999:7 -11．

［2］ LU Cheng-Tsung，KUO Ming-Feng，SHEN Der-Hsien．Composition and reaction mechanism of cement-asphalt mastic［J］． Construction and Building Materials，2009(23):2580 -2585．

［3］ SONG Han，DO Jeongyun，SOH Yangseob． Feasibility study of asphalt-modified mortars using asphalt emulsion［J］． Construction and Building Materials，2006，20 (5):332 -337．

［4］ 李祝龙，梁乃兴． 乳化沥青改性水泥砂浆的试验研究［J］．公路，2011(11):117 -119．

［5］ 胡曙光，许祥俊，丁庆军．干燥环境下乳化沥青改性水泥砂浆的试验研究［J］． 武汉理工大学学报，2003，25(5):1 -3．

［6］ AL-Khateeb G，AL-Akhras N M．Properties of Portland cement-modified asphalt binder using superpave tests［J］．Construction and Building Materials，2011(25):926 -932．

［7］ ISSA R，ZAMAN M，MILLER G A，et al． Characteristics of cold asphalt millings and cement-emulsion mix［J］． Transportation Research Record，2001，17:1 -6．

［8］ 王振军，沙爱民． 水泥乳化沥青复合胶浆微观结构特征［J］． 长安大学学报:自然科学版，2009，29(3):11 -14．

［9］ LI G，ZHAO Y，PANG S S． Experimental study of cement-asphalt emulsion composite［J］． Cement and Concrete Research，1998，28(5):635 -641．

［10］ ORUC SEREF，CELIK FAZIL． Effect of cement on emulsified asphalt mixtures［J］． Journal of Materials Engineering and Performance． 2007，16 (5):578-583．

［11］ KUMAR MEHTA P，PAOLO Mehteiro J M． Microstructure，properties and materials［M］． NewYork:The McGraw-Hill Companies Inc，2007:131 -133．