纖維對水泥-乳化瀝青混合料性能的影響研究

馬 超，賴兆平

(廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510660)

0 引言

近年來由于公路交通行業在節能減排、綠色施工等方面的發展需求，新型材料水泥-乳化瀝青混合料進入國內外研究學者的視野，它是由水泥-乳化瀝青膠漿為膠結料和集料經強制冷拌形成的瀝青混合料，制備和施工過程中無需加熱，具有節能減排、施工方便等優勢，符合公路交通行業對于碳排放和環保相關要求[1-2]。但在工程實踐中發現，同等條件下的水泥-乳化瀝青混合料與熱拌瀝青混合料相比，在不同荷載模式下的強度與綜合路用性能等方面表現較差，這嚴重影響了水泥-乳化瀝青混合料在各等級道路上大范圍推廣應用[3-4]。

2013年長安大學的肖晶晶等[5]指出乳化瀝青和水泥用量是影響水泥-乳化瀝青混合料空隙特征的重要參數，從CT和SEM等微觀試驗結果中可知，試件中空隙尺寸與乳化瀝青摻量成反比，水泥超過一定摻量時，混合料中表觀空隙率和大尺寸空隙比例顯著增大，其內部構造比熱拌瀝青混合料較疏松。2015年長安大學的肖晶晶等[6]采用MQK和SBT兩種乳化劑進行復配，目的在于了解不同乳化劑復配方案對水泥-乳化瀝青混合料的施工和易性和路用性能的影響，報告中顯示0.8%MQK+1%SBT是最佳的復配方案。同時期李元元等[7]認為偶聯劑能夠改善集料與水泥-乳化瀝青膠漿的界面結構，研究過程重點分析了偶聯劑用量對混合料單軸抗壓強度的影響程度，推薦偶聯劑水溶液(偶聯劑：水=1:3)比例為4%，成型試件過程中發現1次旋轉壓實形成試件的密實度遠差于2次擊實。2017年秦先濤等[8]通過一系列試驗驗證了水泥乳化瀝青比例對水泥-乳化瀝青混合料黏彈性和微觀結構的影響趨勢是一致的，當水泥乳化瀝青比例為0.8時，其復數模量是純乳化瀝青的2.5倍，由于水泥與乳化瀝青結合后形成了一種相互貫穿、多點接觸的均質空間網絡結構，抗壓強度和抗變形能力較乳化瀝青混合料大幅度提高。2019年李東和等[9]認為粗集料構造與水泥-乳化瀝青混合料的抗水損害性能和抗滑性能相關性較強，而對其高溫穩定性和低溫抗裂性能影響很小。同年張翠紅等[10]引入了基于有效平均應力的壓實變形Bodner-Partom本構模型，以此分析水泥-乳化瀝青混合料在碾壓過程中的黏彈塑性變形特性和機理，進一步依據時間與應變的擬合曲線準確得出相關模型參數。包洵等[11]針對水泥-乳化瀝青混合料早期強度低和流動性差等問題，研制出一種具備超早強特性的水泥-乳化瀝青混合料，他認為乳化瀝青摻量是影響工作性的消極因素，乳化瀝青摻量越多，混合料體系水化產物越少，即密實度也較差，當采用快硬性水泥時，混合料的1 d強度可達28 d強度的 85%。2020年包惠明等[12]基于聚類分析理論探究影響水泥-乳化瀝青混合料初期強度的各種因素，相關數據顯示內部空間結構松散程度和黏結狀態是兩個主要因素，材料組成中的粉煤灰、硅粉、乳化瀝青可降低混合料內部密實度，而養生條件對初期強度幾乎沒有影響。

本研究針對水泥-乳化瀝青混合料綜合路用性能遜色于同等條件下的熱拌瀝青混合料，在混合料中加入不同種類纖維，通過一系列相關試驗驗證纖維對性能的增強效果，分析纖維性能增強機理，并比較不同性質纖維的作用效果，為公路交通綠色建養提供材料保證。

1 原材料和試樣制備

1.1 原材料

1.1.1乳化瀝青

本研究所使用的乳化瀝青是通過膠體磨自行研制的陽離子慢裂快凝型乳化瀝青，瀝青采用重交70#基質瀝青，根據相關試驗規范對技術指標進行測定，如表1所示，均滿足施工技術規范的要求，試樣制備過程中維持油石比為5%不變。

1.1.2水泥

為保證混合料的優越性和穩定性，選用PO42.5普通硅酸鹽水泥，保證所有水泥材料來源于同一批次，其指標參數如表2所示，摻量為集料質量的2%。

表1 乳化瀝青基本技術指標Table 1 Basic technical indexes of emulsified asphalt類別篩上剩余量(80 m)/%恩格拉年度Ev(25 ℃)儲存穩定性(1 d)/%儲存穩定性(5 d)/%蒸發殘留物固含量/%針入度(100 g,25 ℃,5 s)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(5 ℃)/cm試驗結果0.02130.121.462715730技術要求≤0.23-30≤1≤5≥6040-100≥53≥20

表2 PO42.5水泥基本技術指標Table 2 Basic technical indexes of PO42.5 cement類別比表面積/(m-2·kg)初凝時間/min終凝時間/min干收縮率/%試驗結果3751405800.03技術要求300～450≥60≤720≤0.1

1.1.3纖維

本研究分別選用聚酯纖維和水鎂石纖維兩種不同性質的纖維作為研究對象，在探究纖維對水泥-乳化瀝青混合料性能增強效果的同時進行對比分析，進一步篩選適宜的纖維類型，聚酯纖維和水鎂石纖維樣品見圖1和圖2，其摻量分別為0.2%和0.3%，按照《瀝青路面用纖維》(JT/T 533-2020)中相關指標要求進行評價，技術指標見表3。

圖1 聚酯纖維樣品

圖2 水鎂石纖維樣品

1.2 級配設計

本研究涉及的水泥-乳化瀝青混合料欲用于瀝青路面上面層，另外根據已有研究成果顯示密級配的水泥-乳化瀝青混合料具有較強的附著力，所以混合料選用AC-13級配類型，經過配合比設計得到如圖3所示的目標配合比設計曲線。

表3 纖維的基本技術性能Table 3 Basic technical properties of fiber類別顏色平均長度/mm平均直徑/m密度/(g·cm-3)含水率/%斷裂強度/MPa斷裂伸長率/%通過率(0.15 mm篩)/%纖維類型聚酯纖維白色7191.2950.0432511—水鎂石纖維灰白色0.2-42-42.1750.09——9性能要求—10～38/≤615～35/≤5—≤0.2≥270≥8≤20

圖3 水泥-乳化瀝青混合料目標配合比設計曲線

1.3 試件制備

混合料制備過程中應嚴格控制各組成材料的摻配比例，首先按照目標配合比在轉速可調的攪拌機中加入集料、水泥和纖維(根據試驗要求添加)，低速攪拌1 min至混合均勻，然后緩慢倒入2 %的水并攪拌均勻，接著按照油石比要求添加乳化瀝青，最后快速攪拌30 s即可得到水泥-乳化瀝青混合料。

對于試驗方法中的抗壓強度試驗和浸水馬歇爾試驗采用的圓柱體試件，使用馬歇爾擊實儀將混合料雙向擊實50次，在25 ℃恒定溫度條件下養生24 h后接著再次雙向擊實25次，即為試驗用圓柱體試件；對于車轍試驗、低溫彎曲試驗、四點彎曲疲勞試驗采用的板式和梁式試件，使用振動輪碾成型儀，先輪碾12次往返，25 ℃養生后再次進行12次往返，即得到試驗要求的板式試件，梁式試件根據尺寸要求進行切割得到。

2 試驗方法

水泥-乳化瀝青混合料的車轍試驗和浸水馬歇爾試驗與熱拌瀝青混合料的試驗方法一致，具體做法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗過程》(JTG E20-2011)。

2.1 抗壓強度試驗

在萬能試驗機MTS上進行抗壓強度試驗，采用應力控制模式，加載速率為2 mm/min，整個試驗過程在恒定溫度的環境箱中進行，溫度保持在20 ℃。根據試驗數據繪制應力-應變曲線，抗壓強度則通過曲線中的數據計算得到。

2.2 低溫彎曲試驗

采用低溫彎曲試驗對摻加纖維的水泥-乳化瀝青混合料進行低溫拉伸性能評價，試件為250 mm×30 mm×35 mm的小梁，試驗溫度設定為-10 ℃，在50 mm/min的加載頻率下試驗得到試件破壞時的抗彎拉強度(RB)、最大彎曲應變(εB)和彎曲勁度模量(SB)，綜合評價纖維添加對水泥-乳化瀝青混合料低溫性能的增強效果。

2.3 四點彎曲疲勞試驗

根據已有研究成果可知，簡單加載模式下的應力控制模式與我國瀝青路面結構設計原理較為貼合，適用于水泥-乳化瀝青混合料的疲勞耐久性研究，本試驗參數設置如下：荷載控制模式為應力控制，溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載波形為正弦波，應力比為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。四點彎曲疲勞試驗裝置圖見圖4。

圖4 四點彎曲疲勞試驗裝置圖

將疲勞壽命試驗結果帶入到S-N疲勞方程，采用專用數據擬合軟件Origin進行數據擬合，其為應力控制模式下的疲勞方程，如式(1)所示。然后對應力比和疲勞壽命進行雙對數回歸，可得到一條線性的函數關系曲線，如式(2)所示。疲勞方程中的斜率n越大，疲勞壽命隨應力比的增加減小速率越大；K值越大，其所代表的疲勞方程曲線的截距也就越大，疲勞耐久性更好。

(1)

lgNf=lgK-nlgt

(2)

式中：Nf為小梁試件破壞時經過的循環荷載次數，即疲勞壽命；K，n是關于材料組成和試驗方法的參數；t為試驗過程中施加的應力比。

3 結果與討論

3.1 抗壓強度試驗

為了探索水泥-乳化瀝青混合料的力學特性規律與較為直觀的對比纖維對混合料力學性能的提升效果，以應變為橫軸、應力為縱軸，將試驗數據進行擬合，如圖5所示。

圖5 4種瀝青混合料的應力-應變曲線

由圖5的變化趨勢可知，任何一種混合料在初始階段應力與應變成正比例關系，且應力增長速度不斷加快，具有明顯的反向彎曲段，在應力達到峰值后兩者轉成反比例關系，雖然不同混合料的應力-應變曲線變化趨勢一致，但也存在較大差異，具體表現為：①在乳化瀝青混合料中加入水泥和纖維后，其應力-應變曲線的反向彎曲截面變寬，即添加水泥和纖維后，在應力初始階段混合料的應變速度相對較快，這是因為水泥和纖維加入后帶來較多的空隙，尤其是水泥水化過程使混合料內部出現了更多空隙，使應變在低應力水平下加快增長；②各混合料應力-應變曲線的峰值排序為摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青混合料>摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青混合料>水泥-乳化瀝青混合料>乳化瀝青混合料，添加纖維后的水泥-乳化瀝青混合料抗壓強度增大，這是由于水泥水化產物、破乳后的瀝青和纖維形成復合體系，加強了各體系間的黏結，與水泥乳化瀝青混合料相比，抗壓強度有一定程度提高，聚酯纖維和水鎂石纖維的增強效果基本一致。

3.2 車轍試驗

在60 ℃條件下進行各混合料的車轍試驗，記錄45 min和60 min時的車轍變形，以此計算得到表征高溫穩定性的動穩定度DS，試驗結果見表4。

表4 四種瀝青混合料的車轍試驗結果Table 4 Rutting Test Results of Four Asphalt Mixtures混合料類型養生時間/d試驗結果45 min車轍變形/mm60 min車轍變形/mm動穩定度DS/(次·mm-1)水泥-乳化瀝青0.760.8014 248摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青70.610.6329 633摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青0.640.6627 138水泥-乳化瀝青0.710.7517 029摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青280.500.5332 615摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青0.540.5631 887

由表4的試驗結果可知，經過7 d和28 d養生的水泥-乳化瀝青混合料、摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青混合料、摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青混合料的45 min和60 min的車轍變形均不到1 mm，添加聚酯纖維和水鎂石纖維后，水泥-乳化瀝青混合的7 d動穩定度分別提高2.08倍和1.90倍，28 d動穩定度分別提高1.92倍和1.87倍，其高溫穩定性可與同等級的熱拌SBS改性瀝青混合料相媲美。對比而言，聚酯纖維對水泥-乳化瀝青混合料高溫穩定性的增強效果強于水鎂石纖維，水泥-乳化瀝青混合料作為一種復合有機水硬性膠凝材料，即使是添加了一種不利于抗車轍的可降解纖維，也同樣具有較好的高溫抗車轍性能。

3.3 浸水馬歇爾試驗

圖6和圖7為3種水泥-乳化瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗結果，添加纖維后水泥-乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度MS和浸水穩定度MS1均得到大幅提高，甚至出現MS1大于MS的情況，即浸水殘留穩定度MS0大于100%，出現這個現象的原因是試樣在養生7 d時強度還未完全形成，摻纖維的水泥-乳化瀝青混合料的穩定度增長速率大于浸水48 h水損害對于穩定度的不良影響，最終導致摻加纖維后MS0大于100%。對于水泥-乳化瀝青混合料，盡管其MS0隨養生時間不斷增長，但最大僅為93.2%，所以纖維的加入對提高水穩定性貢獻很大。

圖6 馬歇爾穩定度MS和浸水穩定度MS1試驗結果

圖7 浸水殘留穩定度MS0試驗結果

3.4 低溫彎曲試驗

對不同養生時間和類型的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，試驗結果見圖8和圖9。

圖8 試件破壞時抗彎拉強度RB和最大彎拉應變εB試驗結果

圖9 彎曲勁度模量SB試驗結果

由圖8中試驗結果可知，3種水泥-乳化瀝青混合料的7 d抗彎拉強度相差不大，隨著養生期的延長抗彎拉強度不斷提高，水泥-乳化瀝青混合料、摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青混合料、摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青混合料的28 d抗彎拉強度較7 d的試驗結果分別13.6%、45.1%和48.8%，即養生前期纖維對低溫抗拉伸性能的提升效果不明顯，甚至出現添加聚酯纖維后水泥-乳化瀝青混合料7 d抗彎拉強度減小的現象。隨著養生期延長，復合體系中纖維、水泥、瀝青組分間的錨固力逐漸增強，抗彎拉強度不斷提高。

最大彎拉應變εμ大小排序為：摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青混合料>水泥-乳化瀝青混合料>摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青混合料，3種瀝青混合料均明顯大于同等條件下對于熱拌瀝青混合料的要求，因此撓度變形在一定荷載水平作用下持續增加，較難出現試件變形較小的斷裂破壞，圖9彎曲勁度模量SB試驗結果展現出的結論與上述基本一致。

3.5 四點彎曲疲勞試驗

對所研究的3種瀝青混合料按照2.3節的試驗參數進行四點彎曲疲勞試驗，將試驗數據按照S-N疲勞方程擬合，疲勞壽命Nf與應力比t在雙對數坐標下呈線性相關，且相關系數R2均大于0.99，如圖10所示。

圖10 三種瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結果

由圖10可知，疲勞方程中參數K值由大到小依次為摻水鎂石纖維的水泥-乳化瀝青混合料、摻聚酯纖維的水泥-乳化瀝青混合料、水泥-乳化瀝青混合料，這表明添加纖維能顯著提升水泥-乳化瀝青混合料的疲勞性能，且水鎂石纖維的貢獻大于聚酯纖維；從參數n來看，摻水鎂石纖維水泥-乳化瀝青混合料比聚酯纖維略大，均明顯小于未添加纖維的情況，這說明纖維不僅提高了水泥-乳化瀝青混合料疲勞壽命，還降低了疲勞耐久性隨應力比變化的敏感程度。進一步觀察可知，試件破壞時大量纖維分布在失效界面處，可以極其有效地延緩微裂紋的產生和擴展，即纖維對疲勞耐久性的增強是顯而易見的。

4 機理分析

從微觀角度分析，在水泥-乳化瀝青混合料中水泥水化產物和瀝青在復合體系中形成相互滲透和多點接觸的網絡結構。添加聚酯纖維后，觀察到聚酯纖維相互重疊，水泥水化產物嵌入兩端，纖維又在瀝青中相互纏繞，這種復合體系對水泥-乳化瀝青混合料的力學性能有顯著增強效果。添加水鎂石纖維后，水鎂石纖維具有較為寬泛的長度和直徑且均勻分布在復合體系中，具有較強的橋接和咬合作用，對混合料綜合路用性能提升較大。

5 結論

a.添加纖維后，水泥水化產物、破乳后的瀝青和纖維形成復合體系，抗壓強度有一定程度提高，聚酯纖維和水鎂石纖維的對抗壓強度的增強效果基本一致。

b.添加聚酯纖維和水鎂石纖維后，水泥-乳化瀝青混合的7 d動穩定度分別提高2.08倍和1.90倍，28 d動穩定度分別提高1.92倍和1.87倍，聚酯纖維對水泥-乳化瀝青混合料高溫穩定性的增強效果強于水鎂石纖維。

c.添加纖維后水泥-乳化瀝青混合料的馬歇爾穩定度MS和浸水穩定度MS1均得到大幅提高，甚至出現MS1大于MS的情況，水泥-乳化瀝青混合料的MS0隨養生時間不斷增長，但最大僅為93.2%，所以纖維的加入對提高水穩定性貢獻很大。

d.3種水泥-乳化瀝青混合料28 d的RB較7 d的RB顯著增大，且7 d的RB相差不大，即養生前期纖維對低溫抗拉伸性能的提升效果不明顯，而復合體系中纖維、水泥、瀝青組分間的錨固力隨養生期延長而逐漸增強，抗彎拉強度隨養生時間不斷提高。

e.添加纖維不僅能顯著提升水泥-乳化瀝青混合料的疲勞性能，而且還能降低疲勞耐久性對于應力比變化的敏感程度，分布在失效界面處的大量纖維可有效延緩微裂紋的產生和擴展?？傮w來看，水鎂石纖維對疲勞耐久性的貢獻大于聚酯纖維。