水泥-阳离子乳化沥青复合胶浆材料性能研究

何俊 章灿林

摘  要：通过调配不同比例的水灰比和沥灰比来研究复合胶浆的凝结时间及力学性能，采用旋转粘度计测定不同沥灰比在不同剪切速率下的表观粘度，并通过宾汉姆模型得到塑性粘度和屈服应力来分析胶浆的流变性。结果表明：复合胶浆初凝和终凝时间都随着水灰比和沥灰比的增大而增长;复合胶浆力学强度随水灰比的增加先增大后减小，随沥灰比的增大而下降，韧性随着沥灰比的增加而下降，为保证胶浆力学性能，水灰比宜为0.5，沥灰比为0.4效果最佳;复合胶浆表现出剪切变稀的非牛顿流体特性。

关键词：乳化沥青;复合胶浆;凝结时间;力学性能;流变性

引言

传统水泥基材料具有高早强、高弹性，耐久性好等优点，在建筑与土木工程中得到广泛的应用，但是韧性不足，很容易在使用中出现开裂变形的现象。向水泥浆体中加入乳化沥青可以有效提高胶浆的韧性，使得复合胶浆兼具水泥的刚性及沥青的柔性，但复合之后的材料性能并不是简单的两者相加，而是通过一定的物理和化学反应有机的结合在一起。水泥-乳化沥青复合胶浆是由水泥、乳化沥青及各种添加剂复合而成的有机-无机复合材料，是一种多孔，多相材料。复合材料可利用水泥水化需水和乳化沥青破乳释水互补特性来增强材料的强度发展，具有互补性、节能环保、可施工性强等优点。目前复合胶浆广泛应用于高速铁路无砟轨道板结构作为填充材料，能够起到支撑，调节、传力，减震等良好作用[1]。

近年来，各地学者和研究人员对水泥-乳化沥青胶浆性能进行了一定的研究，并取得不错的进展和成果。唐子珂[2]通过研究发现，参加乳化沥青后，复合胶浆的抗压强度和抗折强度均呈下降趋势，且掺量不超过50%才可以满足工程需求。而李力等人[3]认为加入乳化沥青后，随着聚灰比的增加，胶浆的抗压强度和抗折强度先增大后下降，同时也发现聚灰比越大，胶浆的凝结时间越长，阻碍了水泥的水化反应。潘硕等[4]通过研究得出乳化沥青粉的加入能够改善水泥砂浆的韧性，并且在不同试验龄期下，复合砂浆的压折比随乳化沥青粉掺量的提高大致呈下降趋势。Atzeni等人[5]通过试验研究了乳化沥青的掺量、种类等对水泥-乳化沥青复合胶浆屈服应力的影响，并且在此基础上建立了屈服应力模型。

但通过文献调研后，发现目前对水泥-乳化沥青胶浆的研究仍存在一些问题与不足。比如，现有研究向水泥胶浆中加入沥青对胶浆力学性能的影响仍未达成一致结论;另外，对复合材料的凝结时间研究较少，且大多数研究只对复合胶浆的凝结时间作为笼统性研究，并未分别对初凝和终凝时间进行系统性研究;最后，水泥-乳化沥青复合胶浆的流变性与水泥净浆及沥青流变性有关，因两种无机、有机胶凝材料的相互作用有所不同，但当前各地对于这方面的研究较少。

本研究选用阳离子乳化沥青和快硬快凝硫铝酸盐水泥作为主要复合原材料，通过调配不同比例的水灰比和沥灰比，来研究对复合材料初凝和终凝时间以及力学性能的影响规律，从而确定出最佳配合比。最后采用NXS-11B型旋转粘度计测得不同沥灰比下表观粘度与剪变率的关系曲线，并通过宾汉姆模型得到塑性粘度和屈服应力来分析研究胶浆的流变性，对后续研究具有一定的理论与现实意义。

1原材料及试验方法

1.1原材料

本文使用的特种水泥为杭州奥飞建材科技有限公司生产的快硬快凝硫铝酸盐水泥、广州路洁经贸生产的PC-3中裂阳离子乳化沥青。各原材料的技术指标见下表1-2

1.2试验方法

复合胶浆材料的凝结时间试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土实验规程》（JTG E30-2005）中的T 0505-2005维卡仪法进行，每组试验水泥用量为500g，水灰比（W/C）分别选用0.2、0.3、0.4、0.5、0.6的比例，沥灰比（A/C）选用0.4、0.5、0.6的比例进行试配。拌和顺序为先将乳化沥青与外加水倒入水泥净浆搅拌机中，在规定时间内将称量好的水泥加入乳化沥青中，低速、高速分别搅拌120s。

复合材料的力学性能试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005中的相关测试方法进行。

流变性能试验：按照试验工况设计配合比准备原材料，搅拌时先将乳化沥青、水和减水剂投入搅拌装置中搅拌1min，再加入水泥慢速搅拌1min之后继续快速搅拌1min，随后采用NXS-11B型旋转粘度计将搅拌装置中的试样倒入外筒至规定刻度线，将粘度计转子放入外筒内，改变转子转速，记录不同剪切速率下的刻度盘读数。

1.3复合胶浆配合比

注：当沥灰比（A/C）为0.5或0.6、水灰比（W/C）为0.4时，根据表2得知沥青固体含量为55.2%，计算出来的乳化沥青用水量大于设计的水灰比中的用水量，因此试验无法进行。

2 结果与分析

2.1凝结时间

水泥-乳化沥青胶浆是一种复合型材料，在某些特性上会同时具有水泥和沥青的特点。水泥通过和水拌合形成浆体可以快速凝结硬化，从初凝演变成终凝。沥青是一种有机胶凝材料，因此水泥-乳化沥青胶浆也会凝结硬化，并且具有初凝和终凝之分，凝结时间会直接影响施工拌合和摊铺，不宜过快，否则材料会过早硬化不利施工，也不宜过慢影响路面交通開放时间。本研究通过调控不同比例的沥灰比和水灰比来测试胶凝材料的凝结时间，设计配合比见表3中A1～ A13，实验结果见图1、2。

由图1实验结果可知，在相同沥灰比的条件下，复合胶浆的初凝时间和终凝时间都随着水灰比的增大而延长，变化幅度较大，这表明水灰比的配合比对复合材料胶浆的凝结时间的影响较大。硫铝酸盐水泥是一种快硬型特种水泥，当水灰比从0.4调配到0.6，除了水泥自身水化所需水外，富余水量以自由游离的状态分散于胶浆中。这些多余的水分填充在水泥产物表面及孔隙中稀释浆体，这部分水将通过蒸发排出，延缓了复合胶浆的凝结时间。但是，水灰比不能过大，若浆体体系中含有大量自由水，将会导致材料的密度与强度下降，因为这些富余的游离状态的水分通过蒸发排出，会在复合产物中形成分散的毛细通道和孔洞。因此在确定水灰比时，除了考虑对复合材料凝结时间的影响，还要综合考虑其他因素。

由图2试验结果可知，在相同水灰比的条件下，复合材料的初凝和终凝时间总体随沥灰比的增加呈上升趋势。当W/C=0.4时，沥灰比从0.2调至0.3，复合胶浆的初凝时间和终凝时间上升缓慢;沥灰比从0.3调至0.4时，复合胶浆的初凝和终凝时间上升较快。当W/C=0.5、W/C=0.6时，复合材料的初凝和终凝时间也是随着沥灰比的增加出现先上升缓慢后上升较快的现象。说明低沥灰比对胶浆凝结时间影响较小，高沥灰比对复合胶浆的凝结时间影响较大。在水泥-乳化沥青胶浆中，乳化沥青微滴首先向水泥颗粒表面聚集并且压缩形成一层沥青薄膜，阻碍水泥的水化反应，从而延长了凝结时间。随着沥灰比的增加，聚集在水泥颗粒表面沥青增多从而导致压缩形成的沥青膜厚度变厚，促进了凝结时间的延长。

除此之外，研究发现，乳化沥青中的乳化剂会延缓水泥的水化，并且阳离子乳化剂比阴离子乳化剂的缓凝作用更强。所以随着沥灰比的加入，复合材料中的乳化剂含量增加，更加阻碍了水泥的水化反应。除上述原因，本文还认为在制备阳离子乳化沥青过程中通常加入盐酸等将pH值调至2-3呈酸性，然后向乳化沥青溶液中加入硫铝酸盐特种水泥，酸性环境阻碍了液相中钙矾石的成核，导致钙矾石结晶无法析出，胶浆中钙矾石的浓度会一直处于稳定状态，使得浆体无法正常凝结。

2.2力学性能

2.2.1抗压强度和抗折强度

水泥-乳化沥青复合材料作为道路坑槽修补材料，必须要求复合材料具有一定力学强度和力学性能，才能在服役中提高道路结构的耐久性和使用年限。通常用抗压强度和抗折强度来作为复合材料力学性能的评价指标。本文主要调控水灰比和沥灰比来研究复合胶浆4h的抗压强度和抗折强度，从而对胶浆力学性能进行分析。试验配合比见表3中A1-A3，试验结果如图3、4。

由图3可知，在相同沥灰比时，水灰比从0.4变化至0.6，复合胶浆的抗压强度和抗折强度呈现出先上升后下降的趋势且变化较为明显。特别当W/C=0.5时，复合材料的力学强度达到峰值，效果显著。

水泥-乳化沥青复合胶浆的力学强度主要来自水泥水化后的产物形成空间网格结构。当W/C=0.4时，拌合用水量不足以完全与水泥进行水化反应，而乳化沥青破乳需要一定的条件导致乳化沥青中的含水量不能及时释放，使得胶浆力学强度偏低;而W/C=0.5时，胶浆的力学强度上升并达到最大值，表明水灰比满足水泥水化需要。继续提高水灰比，抗压强度和抗折强度均出现下降，说明复合材料中除了满足水泥水化所需水外，富余水分会以水泡形式残留于胶浆中。这些水分只能通过蒸发的方式从胶浆中排出，导致复合材料形成毛细多孔结构，降低了胶浆抵抗荷载的有效实际面积，使得胶浆的力学强度降低。由此可以看出，低水灰比和高水灰比都会影响胶浆的力学性能，当W/C=0.5时效果最佳。

图4说明，在相同水灰比条件下，复合胶浆的抗压强度和抗折强度随着沥灰比的提高而大致呈下降趋势。当沥灰比超过0.3时，折线下降幅度更大，因此沥灰比不宜超过0.4。当沥灰比增大时，胶浆中的乳化沥青含量就增多，导致破乳之后的沥青大量聚集在水泥颗粒表面形成致密的沥青膜，阻碍了水泥水化产物三维空间网格结构的形成和发展。Wang 等通过研究发现胶浆中的沥青膜通过包裹作用影响水分的内渗，会阻碍水泥的水化反应，导致胶浆的强度下降。除此之外，使用的阳离子乳化沥青体系pH呈弱酸性，当水灰比一定时，加入的乳化沥青越多，则体系弱酸浓度越高，对水泥水化起到延缓效果，导致早期强度未能快速形成，材料强度下降。

2.2.2韧性

在材料学中，韧性是表示材料抵抗裂纹产生和扩展的能力，是材料力学性能和变形性能的综合体现。韧性越高，说明材料抵抗开裂变形的能力越强，对于提高结构耐久性有着至关重要的作用。一般用压折比来表征复合材料的韧性，压折比是复合材料抗压强度和抗折强度的比值，压折比越小则说明材料的柔韧性越好，抵抗外部作用变形的能力越强。试验结果如图5所示。

从图5可以看出，在相同水灰比下，复合材料的压折比随着沥灰比的增大而下降，表明乳化沥青在材料体系中起到增柔作用且效果显著。当W/C=0.5时，折线下降的幅度更大，说明该配合比对复合材料的压折比影响较大，在调配不同沥灰比时能够快速提高复合材料的韧性;W/C=0.6时，沥灰比在0.2-0.4变化范围内，体系压折比下降较快，当沥灰比超过0.4，压折比下降幅度开始变缓。综合考虑3.1.1节力学强度研究成果及沥灰比对压折比影响，建议沥灰比配比选用0.4效果最佳。

2.3流变性

水泥-乳化沥青胶浆的流变性对于其工作性能、力学性能以及耐久性有着至关重要的作用。本研究在水灰比为0.5条件下通过调控不同沥灰比对复合胶浆表观粘度和屈服应力的影响，来探讨乳化沥青对胶浆流变性的影响，实验结果见图6。

由图6（a）可知，在A/C=0.2-0.6时，复合胶浆表观粘度随着剪切速率的增大而下降后逐渐趋于平缓，表明复合胶浆是一种非牛顿流体并且呈现出剪切变稀的现象。另外，随着沥灰比的增大，胶浆表观粘度也会增大。这是因为水泥-乳化沥青复合胶浆是一种分散体系，当乳化沥青增加时，体系中的分散相（水泥和沥青）体积占比增大，水分占比减少，使得分散相颗粒间距减小结构更加紧密，导致分散相颗粒间的内摩擦阻力增大，表观粘度增大。

由（b）可知，屈服应力和塑性粘度随着沥灰比的增大而逐渐增大，主要原因是在低沥灰比条件下，标准稠度用水量要远远低于水灰比，因此胶浆流动性较好，屈服应力与塑性粘度较小，随着沥灰比逐渐增大，乳化沥青中水分占比增大，外加水量减少，由于乳化沥青破乳需要一定时间，所以乳化沥青中的水分不能及时供给水泥水化，“瞬时有效水灰比”降低，水泥凝结时间缩短，流动性损失加快，产生较大的屈服应力与塑性粘度。除此之外，胶浆中的沥青颗粒含量随沥灰比的增大而增加，从而增加了胶浆中的胶粒数量，使得水泥颗粒与沥青颗粒间粘结形成更大的沥青颗粒，从而改变粒径分布、降低自由水含量，因此屈服应力与塑性粘度呈逐渐上升的趋势。

3.结论

（1）水泥-乳化沥青复合胶浆的初凝时间和终凝时间都分别随着水灰比和沥灰比的增大而延长。同时发现水灰比对胶浆凝结时间影响更大，变化较为明显。复合胶浆的初凝和终凝时间随着沥灰比的增加先上升较缓后上升快速，低沥灰比对胶浆凝结时间影响较小，高沥灰比对复合胶浆的凝结时间影响较大。

（2）在相同沥灰比下，在水灰比0.4-0.6变化范围内，复合胶浆力学强度先增大后减小，W/C=0.5时达到力学强度峰值。在相同水灰比时，胶浆力学强度随着沥灰比的增加大致呈下降趋势，为保证胶浆具有足够的力学强度，沥灰比不宜超过0.4。

（3）在相同水灰比条件下，复合胶浆的韧性随着沥灰比的增加而下降，但下降程度有所差异。综合考虑胶浆力学强度与韧性影响因素，沥灰比宜为0.4效果较好。

（4）水泥-乳化沥青复合胶浆的表观粘度随沥灰比的增加而增大，并且表现出剪切变稀的非牛顿流体特性。屈服应力和塑性粘度都随沥灰比的增大而逐渐上升。

參考文献

[1]  赵东田，王铁成，刘学毅，等.板式无砟轨道CA砂浆的配置和性能[J].天津大学学报，2008，41（7）：793-798.

[2]  唐子珂.乳化沥青掺量对CA砂浆工作性能和力学性能的影响研究[J].西部交通科技，2017（8）：32-35

[3]  李 力，熊出华，咸 淼.乳化沥青改性水泥砂浆性能试验研究[J].中外公路，2009，29（1）：238-241.

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[5]  ATZENI C，MASSIDDA，SANNA U. Comparison between rheological models for Portland cement pastes[J]. CemConer Res. 1985，15（3）：511-519.

作者简介：何俊（1994.10.06-），男，汉族，安徽省马鞍山市人，硕士研究生，研究方向：土木工程先进材料。