可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究.pdf

投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11816-12科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:姚江龙,扈惠敏,韩风.可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究J.科学技术与工程,2023,23(27):11816-11827.Yao Jianglong,Hu Huimin,Han Feng.Experimental study on the effect of redispersible latex powder on the properties of cement stabilizedcrushed stone materialJ.Science Technology and Engineering,2023,23(27):11816-11827.可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究姚江龙,扈惠敏,韩风(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)摘 要 为研究可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能的影响,开展水泥胶砂试验及无侧限抗压强度、抗折强度、干缩、温缩路用性能试验,并通过 X 射线断层扫描(X-ray computed tomography,XCT)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)微观试验分析胶粉的作用机理。试验结果表明:胶粉应用于低剂量水泥基材料时,对强度和抗裂性具有显著的提升效果。考虑水泥稳定碎石的抗压强度、抗折强度及韧性,5%胶粉用量最优。5%胶粉水泥稳定碎石 7 d 无侧限抗压强度提高9.8%、抗折强度提高 9.6%、弯曲韧性提升 21.0%。掺入胶粉后,水泥稳定碎石的 7、28 d 干缩系数分别降低 41.5%、34.0%,温缩系数降低 17.1%,收缩性能得到显著改善。XCT 图像分析显示,加入胶粉改变了水泥胶砂的孔隙特征,减少了大孔的数量,孔隙率和平均孔径是影响胶砂强度的主要因素。SEM 结果显示胶粉可以增强水泥稳定碎石的界面粘结,优化其孔隙结构,并且与水泥水化产物联结形成弹性空间网络结构,是水泥稳定碎石韧性和收缩性能提升的主要原因。关键词 道路工程;可再分散乳胶粉;水泥稳定碎石;水泥胶砂;强度;收缩性能中图法分类号 U414;文献标志码 A收稿日期:2023-02-05;修订日期:2023-07-08基金项目:安徽省交通控股集团有限公司资助项目(JKKJ-2020-18)第一作者:姚江龙(1999),男,汉族,江西吉安人,硕士研究生。研究方向:道路结构与材料。E-mail:1249678169 。通信作者:扈惠敏(1971),女,汉族,河北枣强人,博士,副教授。研究方向:沥青混合料路用性能、沥青路面施工质量控制技术、道路养护新材料与新技术。E-mail:2738465338 。Experimental Study on the Effect of Redispersible Latex Powder on theProperties of Cement Stabilized Crushed Stone MaterialYAO Jiang-long,HU Hui-min,HAN Feng(College of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract In order to study the effect of redispersible latex powder on the properties of cement stabilized crushed stone material,cement mortar test and unconfined compressive strength,flexural strength,dry shrinkage and warm shrinkage road performance testswere carried out,and the mechanism of latex powder was analyzed through X-ray computed tomography(XCT)and scanning electronmicroscope(SEM)microscopic tests.The test results show that when latex powder is applied to low-dose cement-based materials,ithas a significant improvement effect on strength and crack resistance.Considering the compressive strength,flexural strength andtoughness of cement stabilized crushed stone,the dosage of 5%latex powder is the best.After adding 5%latex powder,the 7 d un-confined compressive strength,flexural strength and flexural toughness of cement stabilized crushed stone increase by 9.8%,9.6%and 21.0%respectively.After adding latex powder,the dry shrinkage coefficient of cement stabilized crushed stone at 7 d and 28 ddecrease by 41.5%and 34.0%respectively,and the temperature shrinkage coefficient decreases by 17.1%,the shrinkage perfor-mance is significantly improved.XCT image analysis shows that the addition of latex powder changes the pore characteristics of cementmortar and reduces the number of macropores.Porosity and average pore diameter are the main factors affecting the strength of cementmortar.SEM results show that latex powder can enhance the interfacial bonding of cement stabilized crushed stone,optimize its porestructure,and connect with cement hydration products to form an elastic spatial network structure,which is the main reason for impro-ving the toughness and shrinkage performance of cement stabilized crushed stone.Keywords road engineering;redispersible latex powder;cement stabilized crushed stone;cement mortar;strength;shrinkage performance 水泥稳定碎石基层具有强度高、稳定性好的特点,是中国应用最广泛的道路基层形式。但以水泥稳定碎石材料为代表的半刚性基层普遍存在温缩、干缩和模量过大的问题,其固有的温缩、干缩特性投稿网址:2023,23(27)姚江龙,等:可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究11817使沥青路面易产生反射裂缝,水分通过裂缝进入路面甚至是路基结构中,在车辆动荷载和雨水、温度等环境因素综合作用下,加速道路结构的破坏,降低道路的使用耐久性1。提升半刚性基层的抗裂性能,是道路基层材料研究的重点与热点。可再分散乳胶粉(胶粉)是一种高分子聚合物粉末,易于拌和、保水性好,是环境友好型材料,由聚合物乳液经特殊工艺加工得到。在胶粉出现前,乳液作为聚合物材料的代表常用于建筑材料尤其是水泥基材料的改性中。张春雨等2在水泥砂浆中掺入 PTB(Polytechnisch Bedrijf)公司产乳液,发现砂浆的压缩韧性指数增大,拉伸和剪切黏结强度提高。姜克锦等3研究苯丙乳液对超细水泥胶浆性能影响,发现乳液提高了胶浆的拉伸变形能力及韧性,但对胶浆抗压强度不利。苗福生等4通过多因素极差分析聚丙烯酸酯乳液对水泥混凝土性能的影响,认为聚合物可以改善混凝土性能,对其抗压强度具有重要影响。胶粉是由乳液加工成的性质更加稳定的固体粉末,相比乳液更易于施工配比和包装运输5,并且由于加入了水溶性保护胶体,在浆体中更易分散均匀,是近年来水泥基材料改性方面的研究热点。侯云芬等6、汪胜等7、张莹8研究结果显示胶粉会降低砂浆抗压强度,但可有效改善砂浆的韧性。Liu 等9试验得出掺入胶粉使水泥砂浆的干缩系数减小,砂浆柔韧性和抗裂性提高。Tian 等10认为胶粉可以显著降低碱活化矿渣水泥的收缩率,抑制基体微裂纹发展,提高水泥的黏结性能。李伟等11将胶粉掺入水泥灌浆料中,发现材料压折比随龄期增长显著降低。韩风12通过试验研究 8%掺量乳胶粉对水泥稳定碎石强度及性能的影响,发现其抗折强度增加,抗压强度略有下降,抗干缩性能提高。为分析胶粉作用机理,彭宇等13利用扫描电镜观察改性浆体的微观形貌,王培铭等14则通过 X 射线断层扫描设备研究改性砂浆孔结构。以上研究结果显示,胶粉在以水泥砂浆为代表的水泥基材料中应用广泛且改性效果良好,可以显著提升水泥砂浆的抗裂性能,而将胶粉应用于水稳碎石材料的强度、性能影响及微观机理分析的系统性研究尚处于空白状态。因此,现试验研究不同掺量胶粉对水泥稳定碎石抗压强度、抗折强度的影响规律及胶粉水泥稳定碎石材料的干缩、温缩性能,并通过 X 射线断层扫描和扫描电镜微观试验分析胶粉的作用机理,为提升道路水泥稳定碎石基层的抗裂性能提供新的技术途径。1 试验概况1.1 原材料试验所用水泥为海螺牌 PO42.5 普通硅酸盐水泥,试验技术指标如表 1 所示,质量符合规范要求。水泥胶砂试验所用集料为 ISO 标准砂,水泥稳定碎石试验所用集料为石灰岩,分为四档,分别为1#(20 30 mm)、2#(10 20 mm)、3#(5 10 mm)、4#(0 5 mm),集料技术指标如表 2 所示,符合规范要求。胶粉外观为白色粉末状,是聚乙烯醇(polyvinylalcoho,PVA)和乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene vinyl ace-tate copolymer,EVA)共聚共混物,其平均粒径、细度等物理指标符合 可再分散性乳胶粉(GB/T295942013)规范的要求,但规范中缺乏强度指标。用于水泥稳定碎石中的胶粉,其黏结强度是重要指标。制作 5%、10%胶粉的胶粉胶砂试件(不加水泥),尺寸同水泥胶砂试件相同,测试试件的抗压、抗折强度,结果如表 3 所示。胶粉单独作为胶凝剂使用时,胶粉胶砂试件具有较高的强度,但低于P O42.5普通硅酸盐水泥试件的强度。表 1 水泥技术指标Table 1 Technical indexes of cement标准稠度用水量/%初凝时间/min终凝时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa7 d28 d7 d28 d282042845.28.333.953.0表 2 粗集料技术指标Table 2 Technical indexes of coarse aggregate料号表观相对密度吸水率/%含水量/%针片状颗粒含量%压碎值/%1#2.7110.8230.0515.32#2.7521.4050.0616.112.74表 3 可再分散乳胶粉胶砂强度Table 3 Strength of redispersible latex powder mortar胶粉掺量/%抗折强度/MPa抗压强度/MPa51.910.7104.017.61.2 试验方案1.2.1 胶粉水泥胶砂试验水泥胶砂试验步骤简易、成型方便,同时与水泥混凝土或水泥稳定碎石材料具有类似的规律性。通过水泥胶砂强度试验,探究不同胶粉掺量、不同胶粉类别对水泥胶砂抗压、抗折强度、压折比指标的影响,为胶砂水泥稳定碎石试验参数选用奠定基础。水泥用量分别选用 5%、33%,5%水泥用量同水泥稳定碎石材料水泥用量接近。胶粉掺量为水泥用量的百分比,具体试验参数如表 4 所示。投稿网址:11818科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)表 4 水泥胶砂试验方法参数Table 4 Parameters of cement mortar test method水泥掺量/%胶粉掺量/%胶粉类别50,10,20,30,408050,8020330,1,2,3,480501.2.2 胶粉水泥稳定碎石强度试验(1)配合比设计。级配类型选用公路路面基层施工技术细则(JTG/T F202015)表 4.5.4 中的 C-B-1 级配,水稳碎石混合料合成级配如表 5 所示。依据公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTG E512009)中 T 08041994 节的丙法进行击实试验,确定混合料的最佳含水量与最佳干密度。设计两组击实试验,水泥稳定碎石及胶粉水泥稳定碎石,试验结果如图 1 所示。由图 1 可知,加入胶粉的水泥稳定碎石混合料最佳含水量下降,最大干密度增加。(2)抗压、抗折强度。参照 JTG E512009 规程中相关试验要求,开展不同胶粉用量、不同龄期的胶粉水稳碎石无侧限抗压强度、抗折强度试验。抗压强度为圆柱体试件,抗折强度采用梁式试件,试验参数如表 6 所示。1.2.3 胶粉水泥稳定碎石收缩试验采用 100 mm 100 mm 的圆柱形试件进行收缩试验,每组制作三个试件。同梁式试件相比,圆柱体试件制作及过程称重更方便,容易控制试验误差,试验结果更为准确。(1)干缩试验。试件养生 7 d 后开始试验。测定初始长度,在待测点用强力胶水粘贴玻璃片,安装千分表,将千分表清零,如图 2 所示。试验温度控制室内处于恒温状态。第 1 7 天每天记录数据,第8 28 天每2 d记录 1 次数据,得到精确的失水率和变形量数据。(2)温缩试验。试件养生 7 d 后,放入105 的图 1 击实曲线Fig.1 Compaction curve烘箱烘干 12 h 至恒重。然后将试件放到干燥通风处,至常温。测量试件的初始长度,安装千分表放入高低温交变试验箱,如图3 所示。高低温交变试验箱的温度范围设置为50 -25,共 6 个温度级别,每级别温差为15,降温速率设置为1.5 /min,温度降到设定级位时保温 2 h,在保温结束前 5 min 内读取千分表读数。表 5 混合料合成级配Table 5 Synthetic gradation of mixture筛孔矿料通过筛孔(方孔筛,mm)百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075混合料合成级配10083.176.370.961.641.523.916.710.673.82.1C-B-1 级配下限100827365533522138532C-B-1 级配上限10086797262453122151075表 6 胶粉水泥稳定碎石强度试验参数Table 6 Strength test parameters of latex powdercement stabilized crushed stone试验项目胶粉掺量/%试件尺寸/mm7 d 无侧限抗压强度试验0,5,10,15,20100 10028、90 d 无侧限抗压强度试验0,5,10100 10090 d 抗折强度试验0,5,10100 100 4002 试验结果与分析2.1 胶粉水泥胶砂强度2.1.1 不同胶粉类型胶粉胶砂强度初选 8020、8050 两种乳胶粉,制作胶粉水泥胶砂试件(水泥用量 5%),胶粉掺量分别为 10%、投稿网址:2023,23(27)姚江龙,等:可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究11819图 2 干缩试验Fig.2 Dry shrinkage test图 3 温缩试验Fig.3 Temperature shrinkage test20%、30%、40%,测试试件的 7 d 抗压强度和抗折强度,并得到压折比,结果如图 4 所示。在水泥胶砂中加入胶粉,胶粉用量在 10%40%时,胶砂抗压强度和抗折强度都明显提升,胶粉用量越大,强度提升越高。对比压折比指标,8050胶粉水泥胶砂的压折比小于 8020 胶粉。压折比是反映水泥基材料抗裂性的有效指标,压折比越低,材料的抗裂性越好。综合强度及压折比指标,选用8050 胶粉进行后续试验。2.1.2 不同水泥用量胶粉胶砂强度水泥稳定碎石属于低水泥用量混凝土材料,对比低水泥用量(5%)、高水泥用量(33%)水泥胶砂试件的强度特性,为水泥稳定碎石胶粉用量选用提供技术参数,不同水泥用量胶粉胶砂强度试验结果分别如图 5、图 6 所示。低水泥用量胶砂试件胶粉用量为 10%、20%、30%、40%,高水泥用量胶砂试件胶粉用量为 1%、2%、3%、4%。在不同水泥剂量下,胶粉对水泥砂浆的强度影响规律不同。在低水泥用量时,随着胶粉用量增加,胶粉水泥胶砂抗压、抗折强度均增大;在胶粉用量大于 10%时,其压折比呈显著下降趋势。高水泥剂量(33%)时,随着胶粉掺量的增加,胶砂图 4 不同类型胶粉水泥胶砂试验Fig.4 Cement mortar test of different latex powder试件的抗压、抗折强度均下降。胶砂试件的压折比在胶粉掺量 3%时压折比最低,抗裂性能最好。对比试验结果,在低水泥用量的建筑材料中(如水泥稳定碎石),胶粉对强度及抗裂性的改进效果更为显著。2.2 胶粉水泥稳定碎石强度2.2.1 7 d 无侧限抗压强度7 d 无侧限抗压强度是施工过程中,半刚性基层材料的配合比设计指标。不同胶粉掺量水稳碎石混合料 7 d 无侧限抗压强度如图 7 所示。胶粉掺量 5%时,胶粉水泥稳定碎石强度最高,比不掺加胶粉的水泥稳定碎石提高 9.8%。胶粉掺量 10%时,强度略高于不掺胶粉的水泥稳定碎石。胶粉掺量超过 11%后,胶粉水泥稳定碎石抗压强度开始下降。综合考虑 7 d 无侧限抗压强度及经济性,胶粉掺量 5%、10%是适用的。2.2.2 不同龄期抗压强度胶粉水稳碎石混合料(胶粉用量 5%、10%)的7、28、90 d 无侧限抗压强度如图 8 所示。胶粉水泥稳定碎石材料随着龄期增加,强度增长显著。胶粉掺量 5%时,各龄期抗压强度最高,28、90 d 抗压强度较水泥稳定碎石分别提高 4.9%、10.4%。投稿网址:11820科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 5 低水泥用量(5%)组胶粉胶砂强度及压折比Fig.5 Strength and compression ratio of latex powdermortar in low cement content(5%)2.2.3 90 d 抗折强度采用四点弯曲法进行抗折试验,试验结果如表7 所示。加入胶粉后,水稳碎石抗折强度和极限变形量均提高,胶粉用量 5%、10%时,抗折强度分别提升 9.6%、21.7%,弯拉极限变形量分别提升9.0%、19.7%。加入胶粉提高了水稳碎石的持荷变形能力,材料的延性增强。水稳碎石的抗折强度随胶粉掺量的增加而不断提高,与同剂量胶粉下对水稳碎石抗压强度的影响规律有所不同。这与水稳图 6 高水泥用量(33%)组胶粉胶砂强度及压折比Fig.6 Strength and compression ratio of latex powdermortar in high cement content(33%)碎石材料的强度特性有关。水泥稳定碎石是由不均匀分布多相物质组成的复合材料,组成相之间存在大量的接触面,这些接触面对于压力不敏感,在受到拉力时则容易被破坏,胶粉加入水稳碎石材料后增强了组成相接触面之间的界面粘结,对于材料的抗折强度有较大的提升作用。2.3 胶粉水泥稳定碎石韧性指标2.3.1 压缩韧性韧性一般被定义为材料从加载到失效过程中吸投稿网址:2023,23(27)姚江龙,等:可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究11821图 7 7 d 无侧限抗压强度Fig.7 7 d unconfined compressive strength图 8 水稳碎石混合料不同龄期无侧限抗压强度Fig.8 Unconfined compressive strength of cement stabilizedcrushed stone mixture at different ages表 7 胶粉水稳碎石抗折强度Table 7 Flexural strength of latex powder cementstabilized crushed stone胶粉掺量/%抗折强度/MPa弯拉极限变形量/mm00.831.69850.911.851101.012.032收能量的能力,是综合材料承载能力与变形能力的指标,通常以应力-应变曲线下的面积来度量15。压缩韧性可反映基层材料在受压过程中弹性变形和吸收能量的能力,压缩韧性数值越高,水泥稳定碎石的弹性性质越好。根据胶粉水泥稳定碎石材料的抗压试验的应力应变曲线,由曲线特征点可获取压缩韧性指标。胶粉水泥稳定碎石的抗压强度应力-应变曲线如图 9 所示。本文中选取应力下降到 80%峰值应力处为特征点,计算不同掺量胶粉组水稳碎石材料对应的应力-应变曲线面积,并以与 0胶粉组的面积之比作为压缩韧性指数,结果如表 8所示。图 9 胶粉水稳碎石无侧限抗压试验应力-应变曲线Fig.9 Stress-strain curve of unconfined compressive test oflatex powder cement stabilized crushed stone表 8 胶粉水稳碎石压缩韧性指数Table 8 Compressive toughness index of latex powdercement stabilized crushed stone胶粉掺量/%韧性指数28 d90 d01151.281.19101.080.94 由表 8 可知,无胶粉水泥稳定碎石的韧性指数为 1,5%胶粉组的 28、90 d 抗压韧性指数分别为1.28、1.19,10%胶粉组的 28 d、90 d 抗压韧性指数分别为 1.08、0.94,加入胶粉会提高水泥稳定碎石材料的压缩韧性指数,胶粉掺量 5%时,压缩韧性指数最大。这是因为胶粉聚合物可以填充在骨料接触界面的空隙中,增大了骨料颗粒之间的接触面,骨料间的连接增强,使得骨料在受压滑动时既要克服摩擦阻力又要克服粘结阻力,增加了压缩时的耗能。并且胶粉聚合物本身弹性模量低,在压应力作用下可以较好地变形从而吸收部分能量。当胶粉掺量过多时,胶粉作为表面具有憎水性的有机高分子材料,与集料、胶结料等无机材料的浸润效果会投稿网址:11822科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)大大降低,增加体系中的弱粘结点,对水泥稳定碎石材料的压缩韧性不利。2.3.2 弯曲韧性弯曲韧性可反映水泥稳定碎石的抗裂、抗变形性能,弯曲韧性数值越高,材料抗裂、抗变形性能越好。计算弯曲韧性时,把跨中挠度由 0 增加到L/150(L 为跨度)时,荷载-挠度曲线(图 10)所包围的面积作为韧性指标,并以与无胶粉水泥稳定碎石荷载-挠度曲线的对应面积之比作为弯曲韧性指数。胶粉水稳碎石材料的弯曲韧性指数如表 9 所示。图 10 抗折试验荷载-挠度曲线Fig.10 Load-deflection curve of flexural test表 9 胶粉水稳碎石材料弯曲韧性指数Table 9 Flexural toughness index of latex powdercement stabilized crushed stone胶粉掺量/%曲线面积/(Nmm)韧性指数02 478.4153 001.21.21103 137.61.27 加入胶粉后,水稳碎石材料的弯曲韧性指数明显提高,5%、10%胶粉水泥稳定碎石韧性指数分别提升 21.0%、27.0%。水稳碎石的弯曲韧性随胶粉掺量增加而提高,但胶粉掺量由 5%增加到10%时弯曲韧性指数的提升幅度较小。水泥稳定碎石材料组成相间的接触面,是材料受弯破坏时的薄弱点,也是阻尼耗能的主要来源。在抗折试验中,试件下部受拉开裂,裂缝向上延伸直至破坏,过程中产生了大量被拉开失效的物相接触面。胶粉对接触界面粘结的增强作用,使得界面被拉开需要的力增大,裂缝的产生和发展受到阻滞,材料弯曲韧性得到较大提升。并且由于胶粉较好的柔性,生成的聚合物分散附着在材料中,增强了材料的变形能力。综合以上试验结果,胶粉掺量 5%时,水稳碎石材料的抗压强度、抗折强度、压缩韧性、弯曲韧性比不掺胶粉的水泥稳定碎石均显著提高;胶粉掺量10%时,水稳碎石材料的弯曲韧性指数最高,但抗压强度、压缩韧性都明显小于 5%胶粉水泥稳定碎石。结合考虑试验结果及经济性,5%胶粉掺量是胶粉改性水稳碎石的最佳掺量。2.4 胶粉水泥稳定碎石收缩性能2.4.1 干缩性能由于蒸发和内部水化作用,混合料的水分不断减少,发生毛细作用、吸附作用等,引起材料毛细孔隙中的自由水失去而产生体积收缩,这就是干缩。在干缩试验的几个指标中,失水率表示材料的水分减少过程,干缩应变表示材料的体积收缩过程,干缩系数则反映材料抵抗因失水体积收缩的能力,干缩系数越小,材料的干缩性能越好。采用胶粉掺量 5%,制作胶粉水泥稳定碎石试件。采集胶粉水泥稳定碎石混合料的失水率、干缩变形,试验结果如图11 所示。由图11(a)可知,前7 d 混合料总失水率快,7 d后总失水率增长较缓,并在 20 d 后曲线趋于平稳。这是因为水泥水化过程主要在前期发生,水泥水化造成的失水较多。在 28 d 时水泥稳定碎石、胶粉水泥稳定碎石混合料总失水率分别为 4.5%、3.9%,说明胶粉掺入降低了混合料的失水率。这是因为胶粉加入后生成聚合物膜覆盖在颗粒表面,减少了材料表层的失水面,对水分的迁移和产生阻碍,降低了水泥稳定碎石材料的吸附水蒸发量,并且阻碍了混合料内部的水化作用。由图 11(b)、图 11(c)可知,混合料的总干缩应变、总干缩系数也都是在 7 d 前增长较快。这是因为前期混合料失水较多,受到的收缩应力较大,并且试件的强度还未形成良好。胶粉水泥稳定碎石的总干缩应变、总干缩系数明显小于未掺加胶粉的水泥稳定碎石。总干缩系数曲线在 7 d 后就趋于平稳,在 28 d 时水泥稳定碎石、胶粉水泥稳定碎石材料的总干缩系数分别为 131.6 10-6、86.9 10-6。加入胶粉后水泥稳定碎石混合料的总干缩系数下降了 34.0%,说明掺入胶粉可以显著增强水泥稳定混合料的干缩性能。这是因为胶粉降低了混合料的失水率,减小了混合料为弥补液相体积损失而在宏观上产生的体积收缩。同时,胶粉聚合物分散在微小孔径中,堵住或覆盖了部分毛细水散失的通道,减小了因毛细管失水收缩形成的毛细管张力。当水泥稳定碎石因失水内部产生拉应力时,胶粉聚合物与材料间的黏结力可以提高其抗拉强度,抵消一部分干缩应力。并且胶粉聚合物在颗粒之间形成了具有变形能力的网状联结结构(弹性骨架),在材料内部可以抵抗投稿网址:2023,23(27)姚江龙,等:可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究11823图 11 干缩试验结果Fig.11 Dry shrinkage test results由失水产生的收缩变形。2.4.2 温缩性能温缩是温度下降时引起材料外部体积变化的现象,水泥稳定碎石的温缩主要受固相(胶结料、集料)和液相(自由水)的影响。温缩系数指单位温度变化下材料的线收缩系数,温缩系数越小,材料的温缩性能越好。温缩试验结果如图 12 所示。由图 12 可知,随着温度的降低,混合料的温缩系数均下降,这是因为温度越低时,水分的蒸发速率越低,水泥稳定碎石材料的温变应力越小,并且温度降低到 0 以下后,试件内部的自由水开始结冰膨胀,从而抵消部分温缩变形。经计算,水泥稳图 12 温缩试验结果Fig.12 Temperature shrinkage test results定碎石、胶粉水泥稳定碎石的平均温缩系数分别为6.9 10-6/、5.7 10-6/,加入胶粉后,水泥稳定碎石的平均温缩系数下降了 17.1%,说明掺入胶粉显著改善了水稳碎石材料的温缩性能。这是因为水泥水化反应形成的胶结物和晶体等水化产物感温性较强16,温缩系数大,而胶粉对水泥的水化具有阻碍作用,减少了水化产物的产生。同时,胶粉掺入后使得混合料的结构更为致密,内部空隙变少,使得毛细管中温缩系数大的自由水比例减少。并且胶粉弹性模量小、变形能力强,在温度降低的过程中,胶粉发生体积变形并吸收内部应力,从而降低水泥稳定碎石温缩应力。3 微观机理分析3.1 XCT 结果分析利用 Zeiss Xradia 510 Versa 型号 XCT 设备,对加入胶粉的水泥胶砂试件进行 3D 断层扫描,并使用三维分析软件 Avizo 将其重构为三维图像模型,如图 13、图 14 所示。通过软件的 Volume fraction 和Label analysis 功能,分析胶粉砂浆的孔隙特征。以弗雷特直径来表征孔径,将孔隙孔径按数量级分为 1 000 m(大)三档。胶粉胶砂试样孔隙率、平均孔径、不同数量级孔隙百分比等数据如表 10、图 15 所示。由表 10 可知,胶粉水泥砂浆试样内的孔隙以小档(1 000 m)孔隙的数量占比较小。加入胶粉,水泥胶砂的孔隙率增大,但孔隙的平均孔径显著减小图 15(a)。胶粉水泥砂浆平均孔径、最大孔径等同胶粉掺量有关,在胶粉掺量较少(1%、2%)时,胶粉水泥砂浆最大孔径减小,胶粉用量较大时(3%、4%),最大孔径开始增大。本文中 2%胶粉掺量,对应的平均孔径、最大孔径最小。投稿网址:11824科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 13 胶砂实体模型Fig.13 Mortar solid model图 14 三维孔隙分布模型Fig.14 3D pore distribution model图 15 不同胶粉掺量试样的孔隙特征Fig.15 Pore characteristics of samples with different latex powder content表 10 不同掺量胶粉水泥砂浆孔隙特征Table 10 Pore characteristics of cement mortar with different content of latex powder胶粉掺量/%孔隙率/%平均孔径/m最大孔径/m孔隙百分比/%1 000 m03.1213.22 741.943.6255.231.1516.8171.12 252.442.8656.190.9528.3169.22 155.242.7856.520.71311.4177.13 032.739.3759.611.02413.5180.83 185.228.7470.390.86 由图 15(b)可知,随着胶粉掺量的增加,小档孔隙比例逐渐减小,中档孔隙比例逐渐增大,大档孔隙比例先减小后增大。说明胶粉的掺入消减了大孔隙,使得胶粉的平均孔径减小,但胶粉掺量过多时,中大档孔隙占比开始增多,对孔隙结构不利。原因是胶粉加入后改善了胶砂在流动状态下的和投稿网址:2023,23(27)姚江龙,等:可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究11825易性,使得胶砂在搅拌和振动成型时更加均匀紧密,减少了大孔隙的产生,同时胶粉的引气作用带来了许多小气泡;但当胶粉掺量较大时,胶砂的孔隙率较大,内部的孔隙由于太过密集而出现了孔隙与孔隙的相连,部分小孔隙连接成了大孔隙,此时,平均孔径及最大孔径值均增大。对胶砂的孔隙率、平均孔径、大孔占比等指标与抗折强度、抗压强度分别进行灰关联分析,部分结果如图 16、图 17 所示。孔隙率与平均孔径是影响胶砂强度的主要因素,孔隙率与胶砂的抗折强度、抗压强度相关性系数分别为 0.964 9、0.987 8,平均孔径与胶砂的抗折强度、抗压强度相关性系数分别为 0.909 6、0.969 2。图 16 孔隙率与胶砂强度相关性分析Fig.16 Correlation analysis between porosityand mortar strength3.2 SEM 结果分析采用热场发射电子扫描显微镜,得到不同胶粉掺量水稳碎石胶浆部分的 SEM 图片,如图 18所示。由图 18(a)可知,不掺胶粉组混合料的试样中,水化产物如 C-S-H 凝胶、钙矾石、氢氧化钙形成十分完整,在微观形貌中清晰可见,结构散乱而无规则,颗粒之间的连接较差,存在较多较大的空隙。而在图 18(b)图 18(d)中,随着胶粉掺量的增加,水化产物越来越不可见,大的孔隙和通道被填充包裹,结构变得紧密,并形成网络状的连接结构。在图 18(b)图 18(c)中可看到一些多孔状物相,可知其为胶粉中 EVA 成分在碱环境下释放的羟基与 Ca2+生成的产物乙酸钙。图 17 平均孔径与胶砂强度相关性分析Fig.17 Correlation analysis between average pore diameterand mortar strength基于强度和性能试验,结合 SEM 图片进行分析:在加入适量胶粉时,颗粒之间的连接由不加胶粉时晶体互相搭接、交叉攀附的点连接结构,变成了通过聚合物膜包裹黏附与水化产物、骨料形成的更为紧密的面连接,增强了界面粘结,使得材料在受弯拉破坏时需要更大的力将界面拉开,从而提高水泥稳定碎石材料的抗折强度与弯曲韧性;颗粒状、片状聚合物膜有着填充孔隙的作用,提高了结构的致密性,空隙减少则毛细管中温缩系数高的自由水比例减小,对水稳碎石的温缩性能有利;以聚合物膜为桥梁联结水化产物与骨料形成的网状联结结构(弹性骨架),可以抵抗由失水产生的收缩变形,对水稳碎石的干缩性能有利。胶粉聚合物膜对水泥颗粒的包裹作用,以及胶粉与 Ca2+发生化学反应对 Ca2+的消耗,都会对水泥水化造成阻碍,减少了因水泥水化造成的失水,有利于水泥稳定碎石的干缩性能,同时也减少了感温性好的水化产物的产生,对温缩性能有利。胶粉加入过量时,水泥水化受到严重阻碍,且生成的完整的较多的聚合物膜弹性模量低、抵抗压应力的能力弱,会对材料的抗压投稿网址:11826科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 18 扫描电镜微观图片Fig.18 Scanning electron microscope pictures强度造成不利影响,这一点在无侧限抗压强度结果中得到了充分体现。4 结论(1)不同水泥剂量下,胶粉对水泥砂浆的强度影响规律不同。在低水泥用