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冷水泥沥青乳化沥青概述
Xing Fang a,b[1], Alvaro Garcia-Hernandezc, Pietro Lura a,b
利用电子探针、瑞士联邦实验室材料科学与技术、Duuml;bendorf，瑞士
建筑材料研究所，苏黎世联邦理工大学，瑞士
诺丁汉的基础设施建设，以及地理信息部，工程学院，诺丁汉，尤尼弗西蒂帕克，NG7第二大学，英国
摘要
冷沥青混合料是一种很有前途的替代传统的热拌沥青，在常温下使用沥青乳液作为粘合剂制造。为了提高其强度和耐久性，水泥经常被添加到混合物中。本综述（1）提出了关于冷拌沥青胶结材料改性研究进展，通常被称为CBEA（水泥乳化沥青），（2）说明其利弊和（3）给出的建议产生均匀的CBEA混合物的建议。
关键词：冷拌沥青，胶凝材料，水泥沥青乳化沥青
1引言
热拌沥青（HMA）通常是由混合预热矿物骨料（在180-250°C），沥青粘结剂，通常是从原油中产生（在160°C）、填料及其它助剂。由于工作温度相对较高，需要大量的燃料加热集料和沥青。最近的一项调查显示，约7.6-9.7 L燃料燃烧产生的热–3 [ 1 ] 1吨，消耗的能量为275 mJ. [4,5]，贡献15% HMA生产[ 3 ]的总成本。从20世纪70年代的石油危机和1997的京都议定书，研究人员越来越多地关注环境的影响和可持续性的沥青。低排放沥青（LEA）因其低环境影响和成本效益而备受关注（6）。特别是，温拌沥青混合料，这是在温度在115-140°C产生的，被认为是一种很有前途的替代料[ 2 ]。然而，燃料量采用温拌沥青混合料的保存通常只有20-35 % [ 2 ]范围。在沥青行业的研究人员正在不断寻找方法，以降低能源消耗，温室气体排放和提高成本效益。冷拌沥青是近几十年来在这个方向上研究的结果。冷拌沥青混合料通常是指沥青乳液、骨料和填料在常温下混合而成的沥青混合料[ 7 ]。采用冷拌沥青，95%节约能源相比，沥青混合料的生产可以实现[ 4,5,8 ]。
冷拌沥青的缺点也很明显。由于水需要蒸发从沥青乳液，以便沥青发展与聚集体的附着力，冷拌沥青可能需要几个星期，以达到其充分强度[ 9 ]。这可能会导致较低的早期强度和高孔隙度相比，与传统的热拌沥青[ 10 - 12 ]。此外，由于混合物中的水，水损害的潜力和耐久性的关注[13,14]。因此，冷拌沥青很少被用作重载路面结构层[15,16]。
为了提高冷拌沥青混合料的早期表现，普通波特兰水泥（OPC）可以被添加到混合物：1-2% OPC（质量）明显提高早期力学性能[17,18]，fullycured材料可以获得力学性能相当或比等效的HMA [ 10,19,20 ]更好。这些复合材料的研究，也叫垂（水泥乳化沥青复合）[21,22]，CBEM（冷沥青乳液混合物）[ 9 ]，水泥-乳化沥青碎石（水泥乳液处理的混合物）[ 23 ]或实现（水泥–沥青材料）[ 24 ]，在上世纪70年代开始的。在所有这些材料的原发性粘结剂沥青，水泥作为掺合料。在本文中这种复合材料将被称为CBEA，水泥沥青乳化沥青。广泛的研究，取得了一个相关的复合材料称为水泥沥青砂浆（砂浆），这是特别用作夹层混凝土路基和轨道板之间的高速铁路[会]。CA砂浆、水泥（在CBEA比更高数量）是主要的粘合剂和沥青乳液是一种添加剂，提高了砂浆的柔韧性–31 [ 26 ]
在CBEA，水泥提高强度和冷拌沥青的耐久性和强度降低采集时间，同时保持冷拌沥青的主要优点，如低能耗、低排放的气体（对健康和环境的潜在危害）和较低的制造成本[ 32 ]。事实上，已经有少量的OPC能够早期[ 33 ]增加CBEA的强度，特别是在最初的几天，这使CBEA与HMA获得相当的承重能力。同时，由于水泥之外，CBEA股水泥和沥青混凝土[ 33 ]特性。特别是，与传统的沥青混合料相比，具有更高的抗变形和CBEA温度敏感性低[ 23 ]。根据最近的研究，水泥添加剂几乎是不可缺少的沥青混合料，其中使用沥青乳液，如冷拌沥青和冷再生沥青[ 34 - 37 ]。
本文介绍了在过去的几十年里在CBEA进展概述。其主要目的是勾勒CBEA的发展，解决出现在其他的研究和介绍的主要性质的一些问题CBEA。
2如何产生CBEA？
2.1乳化沥青
产生均匀的CBEA混合物的最重要参数是沥青乳液的混合稳定性。据萨洛蒙[ 32 ]，在大多数情况下，介质设置和缓慢设置沥青乳液使用，而不建议快速设置沥青乳液。这是因为快速设置沥青乳液絮凝和凝聚迅速，细集料和较高比表面积的填料的存在，导致沥青与集料球[ 38 ]不足涂层。虽然一些研究人员声称，带正电荷的阳离子乳液可能发展更强的粘接带负电荷的酸性集料中含有高量的硅[ 22,39 ]，这并没有得到实验证实。
使用阳离子乳液时，主要关注的是，该混合物的pH值可能会迅速增加，甚至达到约13的值。水泥添加中和酸的阳离子型乳液，乳液失稳造成[ 32 ]。另一方面，使用阴离子乳液时，主要关注的是多价离子的影响，特别是Ca2 ，水泥释放后，与水接触。最近已经证实，钙离子与阴离子乳化剂反应，破坏沥青乳液[ 40 ]。
适当的乳化沥青选择应保证乳液在压实前能保持稳定。为此，混合稳定性试验强烈推荐。然而，没有标准化测试的混合稳定性存在的水泥存在。在参考[ 41 ]，流变试验，定量描述沥青乳液的混合稳定性。图1显示了一个示例的凝胶化时间的各种乳液复配使用粘度计测量随着时间的推移水泥乳化沥青共混物的粘度。欧阳等人也提出了类似的方法。[ 42 - 44 ]。在实践中，从拌和厂到施工现场运输沥青混合料可能需要半个小时左右。因此，沥青乳液的凝胶化时间应该是30分钟或更长。
时间（分钟） 1
图1：不同水泥沥青混合料凝胶时间的实例（适应于[ 41 ] ]，图例说明沥青乳液与水泥的比例，是指沥青乳液和C指水泥，仅指参考样品不含水泥）
2.2骨料、水泥及级配
一般认为，CBEA不需要任何特定类型的碎石或级配。在一般情况下，适用于沥青混合料集料也适合CBEA。破碎石灰石聚集体被认为是最合适的，因为它们的多孔质地可以吸收水的乳液，这有利于强度发展[ 32 ]。在大多数情况下，一个密级配使用[ 19,20,33 ]，而在某些情况下，一个开放的层次（多孔沥青优先）已被使用（e.g。[ 34 ]）。
OPC是普遍采用的CBEA因为它是一种常用的水泥全世界。此外，快速固化用水泥进行了研究，发现CBEA混合物的早期强度可明显增加[ 7 ]。此外，快硬水泥如硫铝酸钙和铝酸钙水泥，可以结合更多的水和减少碳足迹与OPC [7] 。
2.3沥青乳液和水泥含量
混合料设计方法用于热拌沥青混合料也适用于CBEA。根据不同的级配，沥青混合料通常含有4-6%干集料沥青的质量。一旦确定目标沥青含量，可以计算沥青乳液含量。路面用沥青乳液一般含有60%的沥青。例如，如果需要6%的沥青，需要添加10%的沥青乳液。
从1到6% 19,20,33,45 ] [在CBEA范围水泥含量。因为水泥作为粘结剂的二，CBEA与水泥含量增加强度。然而，水泥含量通常是最小化，因为水泥添加量的增加而（1）的CBEA脆性和（2）成本和碳足迹。有研究表明，2%的水泥与沥青混合料的强度结果相当于约2个月后治疗[ 19 ]。从环境的角度看，添加2%的水泥会导致相同的CO2排放为HMA [ 46 ]（详情见3.1节）。考虑到所有这些因素，通常建议的1-2%的水泥生产CBEA [ 46 ]。
2.4混合程序和固化条件
因为CBEA可以在环境温度下产生的，它比HMA处理更容易和更安全。在实验室中，将原料加入搅拌机中，按此顺序混合：首先是粗骨料，然后是沥青乳液，最后是砂子、填料和水泥。在某些情况下，额外添加水[19,20]。添加额外水的目的是润滑集料。
养护条件是早期强度发展的关键因素。在实验室中，温度和相对湿度可以精确控制[ 20 ]。我们以前的研究表明，用乳化沥青提供了足够多的水是水泥水化7,47 ] [。相对湿度较低的建议，因为它加速了水的蒸发和CBEA强度增益。在施工现场，温暖，干燥和晴朗的天气与CBEA由于较高的蒸发率铺路优先。在早期，应避免下雨[ 11 ]。
3 CBEA的性能
3.1能源使用和二氧化碳排放的CBEA
Chappat等人。研究了不同沥青混合料的能耗和CO2排放量[ 4 ]。根据这项研究，常规热拌沥青混合料生产1吨消耗约680 MJ [ 4 ]。冷拌沥青冷原位循环消耗只有2 / 3和1 / 5，沥青混合料，分别。然而，如果水泥中加入冷拌沥青，二氧化碳排放量也急剧增加，从约0.87吨二氧化碳的OPC生产结果（来自化石燃料的燃烧和脱碳的石灰石）为生产一吨水泥[ 48 ]。根据[ 4 ]，对沥青混合料1吨，冷拌沥青的结果在53.6和36.1公斤二氧化碳排放的生产，分别。
在CBEA的情况下，在冷拌沥青2%水泥的添加会导致相同的CO2排放量为53.7公斤/吨沥青混合料，即相应的能耗为546.3 MJ／t，其中80%是在HMA。
3.2强度发展CBEA
最近的研究表明，水泥作为粘结剂，[ 7 ] [ 11 ] CBEA早期强度增加。为此，水泥水化和破乳助于CBEA强度发展。任何
1因素影响水泥水化和破乳影响CBEA强度发展。2个例子：水灰比，养护条件，包括温度和相对湿度，添加剂等。
3.的CBEA强度（取决于试验方法，对CBEA强度一般由4马歇尔或劲度模量[ 19 ]；体现在本文中，我们表明为“强度”）增加5，固化时间和水泥用量。图2显示了典型的实验结果的强度发展6（强度表示的刚度模量图2）。CBEA混合物的强度增加，随着时间的推移，7由于水泥水化及破乳。另一方面，在水泥用量的增加可显著提高强度8 CBEA。比HMA，CBEA显示相当甚至更高。
强度固化后几天。例如，当1%加入水泥具有较高的强度，CBEA 10后约1个月，而这个时间缩短到1周左右时，加入2%的水泥（图2）。为了11缩短固化时间，减少水泥用量的同时，2%的OPC是推荐CBEA。12此外，快硬水泥（例如，铝酸钙和硫铝酸盐水泥13）可增加早期强度，缩短固化时间[ 7 ]。
设计时还应考虑温度、相对湿度和试样尺寸等14种固化条件。例如，加西亚等。[ 20 ]报道相对湿度较低可缩短固化时间16。虽然CBEA混合物在实验室中表现良好，17个实验室和田间试验结果之间的相关性仍可能发生不当。然而，这种相关性还没有详细研究迄今。
固化时间[天]
图2：随着时间的推移，CBEA混合料的强度发展（改编自[ 19 ]，图中的图例显示20的水泥用量，通过间接拉伸试验得到的数据）
3.3水泥和填料存在下的沥青破乳
图3（A）为填料和水泥对沥青乳液稳定性的影响。当填料加入，沥青液滴仍然是离散的，见图3（A和B），并没有实质性的填料颗粒之间的相互作用和沥青液滴观察。然而，水泥的加入导致了更大的相互连接的絮体的形成（见图3（c））。此外，沥青液滴的一部分合并在一起，较大的沥青液滴一般观察（图3（d））。此外，一些沥青液滴吸附在水泥颗粒表面（图3（d））。水泥乳化沥青由于破坏的原因主要有两个：pH变化和Ca2 离子的水泥溶解释放。由于水泥水化引起的高pH值，阳离子乳液可以立即打破水泥加入后（快速设置阳离子沥青乳液）。因此，阴离子沥青乳液可以推荐产生CBEA混合物。然而，释放的Ca2 离子释放的水泥可以与一些阴离子乳化剂分子，如松香[ 40 ]。
图3：稀释沥青乳液存在填料（A，B）和水泥（C，D）（适应[ 49 ] ]
3.4水泥水化
由于水泥是作为次要的粘合剂、水泥水化的CBEA特别重要。水泥水化早期直接影响强度和弹性模量的固化后的CBEA。早先的研究证实，对水泥水化的水乳化沥青提供理论上足够多的水化完全用水泥用量CBEA [ 7 ]。然而，研究人员一直担心沥青沥青可能会阻碍水泥水化，因为沥青可能在水泥颗粒表面形成一层膜。虽然这种观点是不全面的实验结果的支持，它已经反复几次35,50,51 ] [。在[ 7，26和45 ]已观察到沥青乳液对水泥的水化没有实质性的影响以外的最初几个小时的水化，见图4。需要注意的是，在[ 26 ]中，沥青乳液添加到水泥浆作为添加剂和所有的混合物制备的水-水泥比为0.45。在文献[ 7，45 ]的情况下，水泥中加入乳化沥青作为添加剂和水灰比要高得多（1.0-3.14）。
时间（小时） 时间（小时）
时间（小时） 时间（小时）
图4：混合量热法的CBEA测试结果：6%水泥阳离子乳液（蓝色）、阴离子乳液与水泥6%（红色）和W / C 1水泥浆（黑）（从[ 46 ]，图4 A和B的检测结果显示OPC；图4 C和D CSA水泥测试结果显示修改）。累积热的演化反映了水泥水化程度的演变。
3.5组织
图5显示了与5毫米[ 46 ]近似直径治愈CBEA截面。在此示例中，聚集体大于2.8毫米不使用。观察到一些裂纹聚集体，这可能是由于样品制备。通过poulikakos等人报道。[ 52 ]，在集料的微裂纹可旋转压实沥青混合料样品制备的观察，而不是在现场实样。如图5所示，大量的空气空隙也明显。波略特等人。[ 27 ]
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