消石灰-矿渣对阳离子乳化沥青胶浆性能的影响

宋大伟

(新疆交通建设集团股份有限公司，新疆　乌鲁木齐　830016)

消石灰-矿渣对阳离子乳化沥青胶浆性能的影响

宋大伟

(新疆交通建设集团股份有限公司，新疆乌鲁木齐830016)

关键词：道路工程；阳离子乳化沥青；表观黏度；屈服应力；水稳性

0引言

乳化沥青作为当今道路工程领域中的一种重要的交通材料，已广泛应用于道路表面稀浆封层、道路冷再生、路面坑槽修补等方面[1]。为提高乳化沥青的应用性能，国内外道路科研工作者通常通过添加外加材料以提升乳化沥青的使用性能，如王振军等[2]研究不同剂量的水泥对乳化沥青混合料的1 d以及7 d的路用性能的影响，发现水泥掺量为3%时，乳化沥青混合料的路用性能较好，且发现，水泥的水化产物C-S-H等能够提高乳化沥青混合料中的Zate电位，水化产物还能减少自由沥青的比例，使结构沥青增加，提高乳化沥青胶浆的致密性。杜少文[3]研究了消石灰、消石灰矿渣粉和水泥三种改性剂对乳化沥青冷再生混合料性能的影响，发现水泥能明显提高冷再生混合料的路用性能，但未对乳化沥青胶浆的相关性能进行深入研究。L.E.Cha′vez-Valencia等[4]利用聚羧酸乙酯对乳化沥青进行改性，聚羧酸乙酯能和沥青有较好相容性和亲和性，形成沥青-聚羧酸乙酯粘合剂包裹住骨料，改性沥青与骨料之间的粘附性得到提升，比未对乳化沥青进行改性的冷拌混合料强度提升31%，但聚羧酸乙酯的应用无形中增加了工程经济成本。矿渣作为工业废弃物，具有受碱性物质激发拥有胶凝性的特点[5]，可以作为胶凝材料，如果不回收利用既污染环境，又浪费资源；消石灰具有碱性特征，且常用于酸性集料表面的改性[6]，因此，本文将研究矿渣粉以及消石灰-矿渣复合材料对阳离子乳化沥青胶浆相关性能的影响，为以后乳化沥青的相关研究提供借鉴。

1原材料与试验方法

1.1原材料

乳化沥青：阳离子慢裂快凝型；沥青含量60.0%(质量分数)；5 d存储温定性4.5%(质量分数)；筛上残留物含量0.4%(质量分数)。

消石灰：性能指标如表1所示。

表1　消石灰的技术性质表

矿渣粉：S95级矿渣粉，其中比表面积587 m2/kg，其化学成分如表2所示。

表2　矿渣粉的主要化学成分表(%)

1.2试验方法

1.2.1改性乳化沥青制备

以矿渣粉单独作为改性剂a；参考相关文献[3]，确定消石灰与矿渣的质量比按1∶3组成消石灰-矿渣复合改性剂b，两种改性剂与乳化沥青质量比率分别为ka、kb；再按照配比率0∶1；0.2∶1；0.4∶1；0.6∶1；0.8∶1；1∶1选取一定的乳化沥青、消石灰、矿渣，先把乳化沥青放入搅拌锅中搅拌30 s，然后将消石灰、矿渣等改性剂添加到搅拌过中搅拌1 min。

1.2.2改性乳化沥青胶浆流变性测试

将上述制备好的乳化沥青浆体立即进行测定，采用 Brookfield RVⅡ型流变仪对乳化沥青胶浆流变性进行测定。测试时，每个转速下需剪切30 s后记录测试值，整个测试在15 min内完成，减少由于乳化沥青固化以及改性剂反应对流变性的影响。

1.2.3乳化沥青混合料水稳性测试

本文采用100%利用RAP，级配如表3所示；最佳外加用水量和最佳乳化沥青用量的确定均以15 ℃劈裂强度最大值为指标，参考相关研究[7]，改性剂的掺量为沥青混合料的2.5%。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)，采用浸水马歇尔试验以及冻融劈裂试验对乳化再生沥青混合料的水稳定性进行评价。

表3　级配表

2结果与讨论

2.1改性剂对阳离子乳化沥青胶浆黏度的影响

从图1可以看出，随着剪切速率的增加，乳化沥青胶浆的表观黏度逐渐降低，最后趋于稳定，表现出典型的非牛顿流体特性，说明浆体内存在凝絮结构。其主要原因是乳化沥青接触到矿渣颗粒表面，乳化沥青颗粒表面的乳化剂与矿渣颗粒表面发生吸附，导致乳化沥青破乳，与矿渣颗粒发生裹附的影响[8]。由于乳化沥青胶浆中矿渣颗粒的存在增加了胶浆内部之间的摩擦力，随着ka的增加，颗粒之间相互摩擦阻碍作用增大，其表观黏度也逐渐增加。图2是消石灰-矿渣与乳化沥青的比率kb对阳离子乳化沥青表观黏度的影响，从图2中可以看出，阳离子的表观黏度呈现出和单独添加矿渣粉后乳化沥青胶浆相同的流变趋势，但其表观黏度要增大很多，说明消石灰-矿渣粉组合使用的效果要好。

图1　ka对阳离子乳化沥青胶浆表观黏度的影响曲线图

图2　kb对阳离子乳化沥青胶浆表观黏度的影响曲线图

2.2改性剂对阳离子乳化沥青胶浆屈服应力的影响

按照宾汉姆模型的流变方程[9]，使用上述两种添加的情况下，乳化沥青胶浆的屈服应力可以更好地反应其性质以及内部结构，其计算结果如图3所示；随比率k的增大，乳化沥青胶浆的屈服应力呈增大的趋势。其主要原因是：在乳化沥青胶浆中，随添加剂含量增加，分散介质中水的体积分数下降，矿物颗粒的堆密度增大，乳化沥青胶浆的结构强度增大，从而使乳化沥青胶浆的屈服应力增大；由于矿渣颗粒表面物质具有两性特征[10]，而沥青乳液带正电荷，较易吸附在矿渣颗粒表面，随着矿渣含量的增加，乳化沥青较多地吸附在矿渣颗粒表面且加强了团聚趋势，增强了矿渣颗粒间的絮凝作用，导致乳化沥青胶浆的结构强度增大，从而使屈服应力增大。

从图3中还可以看出，消石灰-矿渣粉的组合使用，更能使乳化沥青胶浆的屈服应力提高，尤其当k>0.6时，屈服强度相比单掺矿渣粉提高明显，其主要原因是单独的矿渣粉仅能加速乳化沥青的破乳速度，很难产生水化硅酸钙等凝胶产物。由于矿渣化学成分主要是CaO、SiO2、Al2O3等氧化物[10]，消石灰发生电解提供碱性环境，矿渣颗粒表面的Ca2+和Mg2+吸附溶液中的OH-，使矿渣解体生成Si(OH)4，即发生如下反应[11]：

-Si-O-Ca-O-Si-+2NaOH→2(-Si-O-Na)+Ca(OH)2

Ca(OH)2与生成的Si(OH)4形成C-S-H凝胶，起到凝结作用，在乳化沥青与消石灰-矿渣拌合的过程中，最终使矿渣、消石灰-矿渣的水化产物和沥青薄膜能相互贯穿形成无机-有机的相互贯穿的结构产物，而对于单独使用矿渣的情况，矿渣颗粒大多单独分散在乳化沥青胶浆中，不能相互连接以达到整体上提升乳化沥青胶浆性能的效果，因此，消石灰-矿渣复合作用下乳化沥青胶浆的屈服应力提升明显。

图3　乳化沥青胶浆的屈服应力变化趋势曲线图

2.3改性剂对阳离子乳化沥青胶浆强度的影响

图4和图5分别是添加改性剂后，再生混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比的试验结果。从图4～5中可以看出，不掺改性剂情况下，再生混合料的残留稳定度比和冻融劈裂强度比均低于JTG-F412008规范要求，掺加矿渣后，再生混合料性能提高，达到规范要求。当掺加消石灰-矿渣后，残留稳定度比和冻融劈裂强度比均明显提高，达到85%以上，这说明添加消石灰-矿渣复合改性剂后，再生混合料的水稳性也得到了明显提高。

图4　残留稳定度比实验结果柱状图

图5　冻劈裂强度比实验结果柱状图

3结语

(1)改性剂与乳化沥青比率在0～1之间，随着矿渣粉改性剂、消石灰-矿渣粉复合改性剂的增加，阳离子乳化沥青胶浆的表观黏度增加；

(2)单独掺加矿渣粉对阳离子乳化沥青的表观黏度提高不明显，消石灰-矿渣组合使用，阳离子乳化沥青胶浆表观黏度提高明显，且改性剂与乳化沥青比率在0.6～1之间，屈服应力提高明显；

(3)消石灰-矿渣粉复合改性剂的添加能明显提高乳化沥青冷再生混合料的水稳性。

参考文献

[1]拾方志，马卫民.沥青路面再生技术手册[M].北京：北京人民交通出版社，2006.

[2]王振军，杜少文.水泥对乳化沥青混合料路用性能的影响[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2009，33(3)：596-599.

[3]杜少文.外加材料对乳化沥青冷再生混合料的路由性能影响研究[J].建筑材料学报，2013，16(3)：534-538.

[4]L.E.Cha′vez-Valencia，E.Alonso，A.Manzano，et au.Improving the compressive strengths of cold-mix asphalt using asphalt emulsion modified by polyvinyl acetate[J].Construction and Building Material，2007(17)：583-589.

[5]Roy D M，Jiang W，Silsbee M.Chloride diffusion in ordinary，blended，and alkali-activated cement pastes and its relation to other properties.Cement and Concrete Research，2000，30(12)：1879-1884.

[6]王升.吸波沥青混合料的制备与性能研究[D].西安：长安大学，2014.

[7]杜少文，李立寒，袁坤.水泥乳化沥青混合料中合理CA比的试验研究[J].建筑材料学报，2010，13(6)：807-811.

[8]LACHEMIA M，HOSSAINA K M M，HOSSINA V，et al.Performance of new viscosity modifying admixtures in enhancing the rheological properties of cement paste[J].Cement and Concrete Research，2004，34：185-193.

[9]HU C，LARRARD F D.The rheology of fresh high-per-formance concrete[J].Cement and Concrete Research，1996，26(2)：283-294.

[10]张西玲.高掺量矿渣路面基层结合料的研制[D].西安：西安建筑大学，2006.

[11]梅琳.碱矿渣混凝土干缩性能及改善措施研究[D].重庆：重庆大学，2010.

摘要：文章采用消石灰、矿渣两种材料作为改性剂，通过流变仪对改性的阳离子乳化沥青胶浆进行流变性测试，研究改性剂对阳离子乳化沥青胶浆的表观黏度和屈服应力的影响，同时对掺上述改性剂的冷再生混合料进行水稳性对比试验。研究结果表明：单独掺加矿渣粉对阳离子乳化沥青的表观黏度提高不明显，消石灰-矿渣组合使用，阳离子乳化沥青胶浆表观黏度提高明显，且屈服强度也有提升；掺加消石灰-矿渣后，乳化沥青冷再生混合料的水稳性提高明显。

Impact of Calcium Hydroxide-Slag on Cationic Emulsified Asphalt Mortar Pe-rformance

SONG Da-wei

(Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830016)

Abstract：By using the calcium hydroxide and slag materials as the modifier，and through the rheology testing on modified cationic emulsified asphalt mortar by rheometer，this article studied the impact of modifier on the apparent viscosity and yield stress of cationic emulsified asphalt mortar，and conducted the comparative water stability test on cold recycled mixtures with the admixture of aforementioned modifier.The results showed that：with single admixture of slag powder，the apparent viscosity increase of cationic emulsified asphalt is not obvious，but when both calcium hydroxide and slag are used，the apparent viscosity of cationic emulsified asphalt mortar increases significantly，and its yield strength is also raised；after mixing by calcium hydroxide-slag，the water stability of emulsified asphalt cold recy-cled mixtures increases significantly.

Keywords：Road engineering；Cationic emulsified asphalt；Apparent viscosity；Yield stress；Water stability

作者简介

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.04.007

文章编号：1673-4874(2016)04-0023-04

收稿日期：2016-03-27

宋大伟(1982—)，工程师，研究方向：公路试验检测。