水泥乳化沥青混凝土的特性及应用

《新型路面材料》结课论文水泥乳化沥青混凝土的特性及应用The characteristics and application of cement emulsifiedasphalt concrete长 春 工 程 学 院： 袁其华 ： 道路工程 ： 2013级 ： 王文华 ： 2014.5.11学生姓名 所学专业 所在年级 任课教师 完成时间摘要乳化沥青水泥混凝土是一种新型路面材料，能够把沥青稳定类和水泥混凝土路面材料的特性结合起来，形成一种新的、具有综合柔性和刚性路面结构层次优点的新型材料，具有较好的路用性能，具有广阔的应用前景。

关键词：水泥乳化沥青混凝土；路用性能；工程应用目录1 前言 (2)1.1 水泥乳化沥青混凝土概述 (2)1.2 国内外研究现状 (4)2 原材料的技术特点 (4)2.1 组成原材料的要求 (4)2.2 原材料对混合料的影响 (5)3 水泥乳化沥青混凝土硬化机理 (6)3.1 水泥水化机理 (6)3.2 水泥的凝结和硬化过程 (6)3.3 沥青与集料的作用 (7)3.4 沥青裹附水泥颗粒后的水化机理 (7)4 水泥乳化沥青混凝土路用性能特点 (8)4.1 强度 (8)4.2 稳定性 (8)4.3 低温抗裂性 (9)4.4 水稳定性 (9)5 工程应用 (10)5.1 水泥乳化沥青混凝土处理桥头跳车 (10)5.2 水泥乳化沥青混凝土在路面基层的应用 (10)5.3 水泥乳化沥青混凝土在改造工程中的应用 (11)6 展望 (11)7 参考文献 (12)水泥乳化沥青混凝土的应用研究1 前言1.1 水泥乳化沥青混凝土概述1.1.1 水泥乳化沥青混凝土的发展背景我国在建城市道路和高速公路路面类型基本可分为两大类，即水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。

水泥混凝土路面具有刚度大承载能力强，弯拉强度高疲劳寿命长；高温稳定性好，在持续高温作用下，不会产生过大的塑性变形影响路面平整度和行车安全；耐候性、耐久性优良，有较强的抗水损害能力强；并且其原材料来源广泛，对周围地区的土壤和地下水无污染，而且水泥混凝土路面能够节省车辆的燃油消耗，经济性较好等优点。

然而，混凝土路面也存在一些缺点。

在温度变化的环境中和行车荷载的反复作用下极易导致混凝土面板发生开裂现象，并且裂缝处产生应力集中致使其不断扩大，雨水会通过裂缝渗入，侵蚀基层，使板底脱空，导致断板现象的发生，从而降低混凝土路面的承载力；混凝土面板不适应过大的沉降差，并且对超载、脱空非常敏感，及易造成结构性破坏，且维修难度大；水泥混凝土路面模量较高，减振效果差，反弹颠簸大，在行驶过程中舒适性较差。

混凝土路面病害见图1。

相比之下，沥青混凝土路面表面平整度较高，由于沥青本身具有一定的弹性、塑性变形能力，因此沥青混凝土路面具有一定减振的功能，行车平稳，舒适性较好，并且在行车过程中噪声低；在施工工艺方面，其施工机械化程度高，能够较快的完成施工任务，并且施工完成后无需养护，基本能够做到即成即通。

因此，沥青混凝土路面在我国高速公路建设中得到了广泛的推广和应用[1]。

沥青材料自身是一种弹性体，当气温较高时，沥青材料自身粘性降低，导致集料颗粒间粘聚力减弱，在行车过程中垂直力和水平力的共同作用下，极易使沥青混合料颗粒之间相互分离或彼此产生滑动，使沥青路面结构层形成松散、坑槽、车辙、推移、波浪、拥包等病害。

这些病害不仅降低了行车过程中舒适性，且极大地危害了行车安全（图2）。

在气温较低时，沥青材料自身会变硬，沥青混凝土的强度虽然有小幅度的增高，但是其抗变形能力则大为降低，表现出脆性，并且由于沥青混凝土面层的材料自身收缩，加之车辆荷载和半刚性基层产生收缩裂缝的共同作用，使沥青混凝土路面面层内产生过大的拉应力，从而导致沥青混凝土路面发生开裂现象[2]。

图 1 图 2沥青混凝土路面水泥混凝土路面综上所述，不管是水泥混凝土路面还是沥青混凝土路面在性能方面上都各有所长，但也都存在各自的缺点。

因此，我们针对上述问题，着眼开发一种其具有两种路面材料优点的新型路面材料。

有机水硬性材料混凝土是一种人工建筑材料，它综合了热力学上互不相容的有机材料（沥青、柏油）与无机材料（水泥、石膏、矿渣等）的胶结特性，在其复合后的结构中能够胶结在一起。

将有机结合料（液态的沥青）和硅酸盐水泥混合在水的作用下得到最佳效果的综合加固土。

20世纪60——70年代，开始用阴离子乳化沥青来代替液体沥青与水泥混合，得到乳化沥青水泥混凝土[3]。

1.1.2 水泥乳化沥青混凝土的优点水泥乳化沥青混凝土是在冷拌乳化沥青混合料母体中掺入水泥经冷拌、冷铺而形成的半刚性路面材料，它减弱了沥青混凝土与水泥混凝土路面材料的不足，并兼有两者的优点，能够提高路面的使用性能。

同时水泥乳化沥青混凝土还有以下优点：（1）乳化沥青破乳后的水分可供水泥硬化凝结，较好的解决了乳化沥青破乳“憎水”和水泥水化“需水”的矛盾，提高了乳化沥青混合料的早期强度。

（2）节省资源，节约能源，降低道路建设成本。

根据国内外实践，乳化沥青一般可以比热沥青少用20%-30%的沥青，大大节约资源，降低了道路建设的材料费用。

而且乳化沥青混合料使用不用加热，比热拌沥清混合料节省热能50%以上，节省了大量能源。

(3)减少环境污染，改善施工条件。

水泥乳化沥青混合料为冷拌混合料，在常温下施工，避免了热拌沥青混合料施工时加热产生的烟雾，减少了对环境的污染，同时改善了施工条件。

(4)施工方便。

水泥乳化沥青混合料施工期比热拌沥青混合料施工期大大加长，提高了施工速度，方便路面维修。

(5)由于面层颜色的变浅，减小了路面的吸热速率，使路面内部温度低于普通沥青路面的温度，温度应力显著降低。

同时，由于半刚性面层颜色浅，对夜间行车十分有利。

(6)将水泥乳化沥青混凝土用作路面基层可以改变现有半刚性基层的不足，使基层形式多样化[4-5]。

1.2 国内外研究现状美国从60年代起开始水泥乳化沥青混凝土的研究，此后日本、英国、澳大利亚、南非等国对此也进行了研究。

Baomy[6]从混凝土的成型工艺出发采用裹浆集料制备水泥乳化沥青混凝土，以提高水泥乳化沥青混凝土的刚性和强度。

这种方法最早源于口本，用于提高水泥混凝土中骨料与水泥浆体的粘结力，从而提高混凝土的整体强度或在大流动性条件下混凝土的工作性能。

南非沥青处治基层手册(Sabita Manual 21 1999)中推荐[7]可以加入1%的水泥能提高乳化沥青的破乳速度、与集料的粘结性和增加早期强度，以满足尽早开放交通的需要。

2000年S.F.Brown教授的研究进一步指出了水泥对乳化沥青混合料的有益作用，他研究了养护时间、水、水泥掺量对混合料性能的影响，而且使用扫描电镜研究了水泥乳化沥青混凝土中水泥水化物的微观形貌[8]。

Issa Rita (2001) [9]研究了乳化沥青和水泥用于冷再生中，水泥如何影响再生混合料的性能，以及如何确定最佳水泥和乳化沥青用量等问题。

结论表明稳定度值随水泥用量的增加而增加，随乳化沥青用量的增加而减小，并且推荐了适用于冷再生的乳化沥青和水泥的用量范围。

国内也有一些研究人员致力于乳化沥青混凝土掺加水泥的研究，他们希望这种复合材料可以发挥柔性材料和刚性材料的优点，通常称这种混合料为水泥乳化沥青混合料。

2000年张思源，魏建民研究了水泥乳化沥青混凝土的配合比设计和试验路的铺筑方法，对施工具有一定的指导意义[10。

同济大学的高英[11]，长安大学的袁文豪[12]先后都对水泥乳化沥青混凝土的配合比和路用性能做了研究，并对强度形成机理做了解释。

2 原材料的技术特点2.1 组成原材料的要求2.1.1集料粗集料采用石灰岩破碎后并经筛分的碎石，要求强度高，清洁、干燥、表面粗糙，针片状含量和压碎值符合《公路沥青路面设计规范》和《公路沥青路面施工技术规范》细集料可采用天然砂、机制砂，细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配。

2.1.2 水泥水泥采用po42.5号普通碳酸盐水泥，根据施工工艺选择适合的凝结时间，不建议采用快硬、早强水泥，水泥安全性要符合要求。

2.1.3 乳化沥青乳化沥青采用慢裂型阳离子乳化沥青和慢裂型阴离子乳化沥青，乳化沥青的质量应符合《道路用乳化沥青技术要求》等规定，制备乳化沥青的基质沥青应选A,B级要求，并在贮存期间保持不离析、不冻结、不破乳。

2.1.4 消泡剂消泡剂采用磷酸三消泡剂，化学纯等级、减水剂采用高效减水剂，主要成份为蔡磺酸盐甲醛缩全物，呈褐色粉状，使用比例以水泥用量的质量比1%计。

2.1.5 水拌和用水采用洁净的生活用水。

2.2原材料对混合料的影响乳化沥青水泥混凝上的抗压弹性模量比普通水泥硅的明显偏低，但抗弯拉弹性模量的降低要比抗压弹性模量的幅度小。

相对于普通沥青混合料，乳化沥青水泥混凝上混合料由于加入了水泥，其抗压强度和抗折强度都有一种随着时间士曾长而增强的趋势。

2.2.1 水泥强度对混合料的影响水泥强度直接影响着乳化沥青水泥混凝上的抗压和抗折强度，强度较高时抗弯拉模量有所增长，但增长的幅度没有抗压强度增长的幅度大，水泥标号的提高使乳化沥青水泥混凝上的强度相应提高同时还不降低期韧性，但乳化沥青水泥混凝上抗压强度高并不代表其抗折强度高[13]。

2..2.2 外加剂对混合料的影响理论上讲，外加剂会对乳化沥青水泥混凝上的力学性能造成很大的影响，如果同时掺入消泡剂和减水剂，其抗折强度较高；只掺加减水剂的弹性模量较高，说明减水剂改善了混合料的力学特性，且掺入外加剂后混合料的和易性有所改善。

2.2.3 水灰比对混合料的影响水灰比对于水泥基的强度有着决定性影响，水灰比大，乳化沥青水泥混凝上的强度降低，抗弯拉弹性模量减小；水灰比小，乳化沥青水泥混凝上的强度提高，抗弯拉弹性模量增大[14]。

2.2.4 消泡剂对混合料的影响消泡剂的作用是消除各种外加剂在混合料中产生和引入的气泡，可以增加成型后混合料的密实性，从而提高强度，但另一方面气泡的减少也会引起混合料和易性相对降低，实践中，沥青材料中加入消泡剂，可以通过减小应力集中，增强应力分布的均匀性，以提高成型试件的强度[15]。

2.2.5 乳化沥青对混合料的影响试验表明，阴离子乳化沥青在乳化沥青水泥混凝上中，并不能形成强度较高的混合料，相同比例的沥青掺加量情况下，其强度明显小时于阳离子乳化沥青形成的混合料试件[16]。

3 水泥乳化沥青混凝土硬化机理有机水硬性复合材料结构强度的形成主要依靠乳化沥青、水泥、集料之问的相互作用以及乳化沥青失水破乳、水泥水化来实现。

如图3图 3 ：水泥乳化沥青混凝土强度形成机理3.1 水泥水化机理 水泥不仅能够在空气中硬化，在水中也可以，保持并继续增长其强度，其水化过程侧如下：OH 31CaSO 3O Al CaO 3O H 19O H 2CaSO 3O H 6O Al CaO 3OH O Fe CaO 3O H 6O Al CaO 3O H 7O Fe O Al CaO 4OH 6O Al 2CaO 3O H 6O Al CaO 3OH Ca O H 3SiO 2CaO 3O H 4SiO CaO 22OH Ca 3O H 32SiO CaO 3O H 6SiO CaO 322432224232232232232322322322222222222+⋅⋅=+⋅+⋅⋅⋅⋅+⋅⋅=+⋅⋅⋅⋅=+⋅+⋅⋅=+⋅+⋅⋅=+⋅）（）（（）（）（）3.2 水泥的凝结和硬化过程水泥颗粒分散于水中形成水泥浆体，其中产生的水化产物氢氧化钙、水化铝酸三钙易溶于水形成饱和溶液，逐渐形成以水化硅酸三钙凝胶体为主体，以氢氧化物、水化铝酸三钙、水化硫铝酸钙为结晶体结构的凝胶体。