水泥乳化沥青混合料结构形成机理与特征研究

论文摘要

在高速公路中,沥青路面以其众所周知的良好使用性能受到众多国家的青睐。在我国,近期在建、重建或大中修的高速公路、一级以及国道主干线有90%以上采用了传统的热拌沥青混合料。这种混合料需将沥青和矿料加热到150℃以上,不仅要消耗大量的能源,而且在生产和施工过程中还会排放出大量的废气和粉尘,严重影响周围的环境质量和施工人员的身体健康。水泥乳化沥青混合料在整个拌和、摊铺、碾压过程中均无需加热,实行常温态施工,节约了能源,改善了施工环境,减少了大气污染,并且延长了施工季节。水泥乳化沥青混合料的胶结材料为无机材料水泥和有机材料乳化沥青复合而成,水泥在混合料中发生了复杂的物理化学变化,水泥水化与乳液破乳相互制约,相互促进,使得这种新型路面材料结构更加复杂,既有与沥青混合料和水泥混凝土相通的地方,又具备自己独有的特征。水泥乳化沥青混合料强度形成的关键在于,在乳化沥青破乳之前,通过拌和将乳液在集料表面的分布状态调整到最佳,使乳液均匀的分散于集料表面,破乳后的乳液最终在集料表面形成连续致密的沥青膜。这就要求混合料必须具备足够的拌和时间,乳液破乳不能太快;而开放交通及工期等因素又要求混合料必须尽快破乳,形成强度,承载交通。复配技术旨在解决上述矛盾,通过乳液的性能检测、复配乳液的施工性能、复配混合料的路用性能三个层次的比选,最终确定最佳复配方案为:1.0%SBT+0.8%MQK-1M。采用TAM Air八通道微量热仪,对比研究了水泥在纯水、酸性水溶液、乳化剂水溶液、乳化沥青中的水化反应情况,酸性环境阻碍了水泥水化的顺利进行;乳化剂对水泥具有缓凝作用,对最终水化程度影响不大;乳化沥青的包裹作用延迟了水泥的水化加速期。借助于ZetasizerNano Zeta电位分析仪对乳化沥青以及掺加不同剂量水泥和矿粉的乳化沥青悬浊液进行Zeta电位测定,结果显示水泥促进了乳液破乳,遇水带负电的水泥与阳离子乳化沥青混合,能促进结合料和集料的粘附性。基于AR2000ex型流变仪的乳化沥青以及水泥/矿粉乳化沥青胶浆的流变特性试验结果表明,水泥能够加速混合料的凝结固化成型速度,使混合料在更短的时间内形成板结整体。以混合料的马歇尔稳定度、低温劈裂强度、抗剪强度、肯塔堡飞散损失作为评价指标,研究了细集料级配组成、粗集料级配组成以及关键筛孔通过率对混合料性能的影响。水泥乳化沥青混合料性能对于细集料级配的变化相当敏感,细集料比例增大,有利于混合料整体性能的提高,但对于粗集料级配的变化不敏感。4.75mm、1.18mm和0.075mm筛孔通过率的变化对水泥乳化沥青混合料性能影响最大,推荐了细集料部分筛孔通过率变化幅度。借助CT扫描技术,结合宏观试验结果,系统研究了水泥乳化沥青混合料细观空隙结构,提出其分布特征。随着乳化沥青用量的增大,混合料内部空隙尺寸减小;乳化沥青用量为8%,水泥掺量达到4%时,大尺寸空隙比例增高,CT可视空隙率增大。扫描电镜和荧光显微镜分析表明,水泥乳化沥青混合料的内部结构比传统热拌沥青混合料疏松。稀浆混合料中气泡破裂后留下的“空位”,乳化沥青破乳水分蒸发后留下的空隙,水泥水化产物中存在的各种尺寸孔隙,集料内部孔隙以及压实后存在的集料与集料之间的间隙共同构成了水泥乳化沥青混合料复杂的空隙结构。对不同结合料组成的水泥乳化沥青混合料,进行力学特性（间接拉伸强度、抗压强度、抗剪强度、模量特性）、路用性能（水稳定性、高温稳定性、低温特性、抗飞散性能）和耐久性能（疲劳特性）试验,其中SPT的动态模量试验结果显示水泥乳化沥青混合料的力学性能良好,能够满足路面结构对模量的设计要求。水泥乳化沥青混合料动态模量主曲线的移位因子表明水泥乳化沥青混合料的温度敏感性低于热拌沥青混合料。基于以上试验结果,提出了不同交通量和不同气候条件下,水泥乳化沥青混合料的适用场合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容和研究方法
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 水泥乳化沥青混合料中的乳化沥青复配技术
• 2.1 乳化沥青的工作原理
• 2.1.1 乳化机理
• 2.1.2 稳定机理
• 2.1.3 破乳机理
• 2.2 乳化沥青的研制开发
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 制备流程
• 2.2.3 pH值的影响
• 2.3 乳化沥青的复配技术
• 2.3.1 乳化剂的复配
• 2.3.2 复配乳化沥青的施工性能
• 2.3.3 复配乳化沥青混合料的路用性能
• 2.4 本章小结
• 第三章 水泥在乳化沥青混合料中的物理化学作用
• 3.1 水泥在乳化沥青混合料中的水化
• 3.1.1 水泥水化反应热
• 3.1.2 水泥在不同环境中的水化反应热
• 3.1.3 水泥在乳化沥青混合料中的水化反应
• 3.2 水泥促进乳化沥青破乳
• 3.2.1 乳化沥青的双电层结构
• 3.2.2 水泥对乳化沥青Zeta电位的影响
• 3.2.3 水泥促进乳化沥青破乳
• 3.3 水泥加速乳化沥青混合料固化成型
• 3.3.1 乳化沥青的流变特性
• 3.3.2 水泥对乳化沥青流变特性的影响
• 3.3.3 水泥加速乳化沥青混合料固化成型
• 3.4 本章小结
• 第四章 水泥乳化沥青混合料集料级配影响
• 4.1 水泥乳化沥青混合料结构形态的适应性
• 4.1.1 沥青混合料结构形态
• 4.1.2 不同结构形态的混合料性能
• 4.1.3 试验结果分析
• 4.2 细料组成对混合料性能的影响
• 4.2.1 不同细料组成的混合料级配
• 4.2.2 不同细料组成的混合料性能
• 4.2.3 试验结果分析
• 4.3 粗料组成对混合料性能的影响
• 4.3.1 不同粗料组成的混合料级配
• 4.3.2 不同粗料组成的混合料性能
• 4.3.3 试验结果分析
• 4.4 关键筛孔通过率对混合料性能的影响
• 4.4.1 关键筛孔通过率变化下的混合料级配
• 4.4.2 关键筛孔通过率变化下的混合料性能
• 4.4.3 试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 水泥乳化沥青混合料细观空隙特征
• 5.1 基于表干法的混合料空隙分布特性
• 5.1.1 水泥乳化沥青混合料空隙率的测定方法
• 5.1.2 乳化沥青用量对表干法空隙率的影响
• 5.1.3 水泥用量对表干法空隙率的影响
• 5.2 基于CT扫描技术的混合料空隙特征
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 乳化沥青用量对混合料空隙特征的影响
• 5.2.3 水泥用量对混合料空隙特征的影响
• 5.3 基于细观试验的混合料空隙结构
• 5.3.1 乳化沥青的特殊空隙结构
• 5.3.2 水泥乳化沥青混合料的特殊空隙结构
• 5.4 本章小结
• 第六章 水泥乳化沥青混合料性能评价
• 6.1 力学特性
• 6.1.1 间接拉伸强度
• 6.1.2 抗压强度
• 6.1.3 抗剪强度
• 6.1.4 模量特性
• 6.2 路用性能
• 6.2.1 水稳定性
• 6.2.2 高温稳定性
• 6.2.3 低温特性
• 6.2.4 抗飞散性能
• 6.3 耐久性能
• 6.3.1 疲劳试验参数与方法
• 6.3.2 疲劳试验结果分析
• 6.4 基于材料性能的适用性
• 6.4.1 基于材料性能的路面层位适用性
• 6.4.2 基于材料性能的气候、地域适用性
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 存在不足及进一步研究建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的主要研究成果
• 致谢