Экспериментальное исследование битумно-эмульсионно-цементных растворов: механическое поведение и отношение к смесям
Холодные битумно-эмульсионные смеси являются экологически чистыми материалами для устройства дорожных одежд. В смеси добавляют портландцемент и другие дополнительные вяжущие материалы для улучшения их характеристик. В смесях битумная эмульсия-цемент (БЭК) два связующих вещества влияют на механические свойства и процесс отверждения. В данном исследовании смеси БЭК рассматриваются как многофазные композиционные материалы, состоящие из матрицы раствора и включений крупного заполнителя. Основными задачами являются определение состава фазы раствора БЭК и сравнение смесей и растворов на протяжении всего процесса отверждения. Из двух смесей БЭК, содержащих 80% регенерированного асфальта, было изготовлено восемнадцать строительных растворов путем изменения содержания в них воды и воздушных пустот. Затем были выбраны два составных состава для анализа процесса отверждения путем мониторинга предела прочности при косвенном растяжении (ITS), модуля жесткости при косвенном растяжении (ITSM) и потери влаги. Результаты показали, что кратковременная ITS растворов (1 день отверждения) увеличилась за счет уменьшения содержания в них воды и воздушных пустот. В процессе твердения (от 1 до 28 суток) аналогичным образом повышались механические свойства (ИТС и ИТСМ) смесей и растворов. Были выявлены уникальные взаимосвязи между свойствами раствора и смеси, независимо от соотношения битума и цемента (B/C), времени отверждения и условий отверждения. С точки зрения прогностического поведения расчетный состав несколько занижал жесткость смеси и переоценивал прочность смеси.
Работаете над рукописью?
Введение
В настоящее время экологические и экономические требования подталкивают к разработке экологически чистых и низкоэнергетических материалов для дорожного покрытия. В этом отношении важную роль играют битумно-эмульсионные смеси, поскольку они изготавливаются при температуре окружающей среды и, следовательно, значительно снижают выбросы углекислого газа и энергозатраты по сравнению с горячими и теплыми битумными смесями [1, 2]. Битумно-эмульсионные смеси также широко используются в холодном ресайклинге. Смеси холодного ресайклинга могут включать до 100% регенерированного асфальта (РА), что еще больше снижает стоимость утилизации и потребление природных заполнителей [3].
В отличие от горячих смесей, в холодных смесях вода используется для снижения вязкости битума (посредством эмульгирования), облегчения перемешивания и повышения уплотнения. Дозировка остаточного битумного вяжущего из эмульсии обычно составляет от 2 до 6 % по отношению к массе сухого заполнителя, тогда как общее содержание воды может варьироваться от 3 до 10 % [4].
К битумно-эмульсионным смесям можно добавлять обычный портландцемент (ОПЦ), композиционные цементы или другие дополнительные вяжущие материалы (зольную пыль, микрокремнезем, молотый гранулированный доменный шлак) [5,6,7]. В этой статье термин битумно-эмульсионно-цементная (БЭК) смесь обозначает широкое семейство смесей для холодного дорожного покрытия, в которых гидравлические вяжущие, обычно дозированные от 1.5 до 5% (по массе), играют ключевую роль в определении краткосрочных и долгосрочных дорожных условий. -срочная производительность смеси. Смеси БЭК чувствительны к температуре и склонны к усталостному растрескиванию [8]. По сравнению с горячими асфальтобетонных смесей (ГМА) они характеризуются более высокой жесткостью при высоких температурах [9, 10] и меньшей колееобразованием [7].
Смеси БЭК требуют определенного времени отверждения после изготовления для достижения подходящих технических свойств [11]. Отверждение характеризуется постепенным уменьшением содержания воды, разрушением и схватыванием эмульсии и гидратацией вяжущих материалов. Таким образом, изменяется физическая структура смесей, улучшаются их механические свойства [12,13,14]. По мере испарения воды воздушные пустоты смесей БЭК увеличиваются и обычно превышают воздушные пустоты смесей ГМА. Несмотря на свои преимущества, более высокое содержание воздушных пустот и более медленный процесс отверждения могут снизить долговечность и механические характеристики смесей БЭК по сравнению с ГМА, тем самым ограничивая их использование.
Помимо отмеченных выше отличий, смеси ВМА и БЭК являются многофазными материалами и на разных масштабах длины могут быть описаны как композиты, состоящие из однородной взаимосвязанной области, также называемой матрицей, с включениями частиц [15]. Для HMA обычно выделяют четыре шкалы интереса: битум, мастика, раствор и смесь [16,17,18]. В частности, раствор можно охарактеризовать как мастичную матрицу (частицы размером с наполнитель, диспергированные в сплошной битумной фазе) с мелкими включениями заполнителя. В масштабе смеси раствор представляет собой матричную фазу, которая существует между крупными частицами заполнителя [19, 20].
Композиты в масштабе строительного раствора, также известные как материалы с мелкозернистой матрицей (FAM) [21], интересны тем, что они всего на один масштаб меньше, чем смеси. Если их состав адекватно определен, они могут проявлять вязкоупругие свойства и разрушающие свойства, подобные смесям [22]. Важные явления, такие как усталостное растрескивание, заживление и повреждение влагой, можно изучать по шкале FAM [23,24,25]. В таблице 1 обобщены основные подходы к определению состава материала FAM с точки зрения максимального размера заполнителя (размера верхнего сита), сортировочной кривой, дозировки битума и содержания воздушных пустот.
По сравнению с HMA, относительно немного работ исследовали состав строительных растворов BEC и связывали их поведение с поведением смесей BEC. Фу и др. [29, 30] использовали модели мелких элементов для оценки поведения смесей БЭК. В этих моделях крупные заполнители идентифицировались по минимальному размеру 2 мм, матрица раствора включала мастику и мелкие частицы, а воздушные пустоты рассматривались как отдельная фаза в смеси. Милькович и др. [31,32,33] предложили использовать стандартный раствор для характеристики влияния битумной эмульсии на характеристики холодной асфальтобетонной смеси. Классификация раствора была получена на основе стандартного песка, используемого в Европе для оценки свойств цемента [34]. Остаточное содержание битума составило 6.6%, цемента – 1.5%. Годенцони и др. [35] также использовали растворы, приготовленные из природного песка (размер верхнего сита 0.5 мм), для сравнения различных минеральных добавок (портландцемент, карбонат кальция и гашеная известь). Они использовали такое же содержание остаточного битума и цемента (10%) и общее содержание воды от 8 до 9%.
Обзор литературы показывает, что испытания растворов БЭК, а не смесей БЭК, предлагают привлекательные перспективы. Строительные растворы можно использовать в качестве модельных систем для прогнозирования поведения смеси (экономия лабораторного времени и материала по сравнению со смесями БЭК) или для изучения свойств битумной эмульсии и взаимодействия между битумной эмульсией и вяжущими материалами (устранение неоднородностей из-за крупных частиц заполнителя). Кроме того, подробное изучение свойств фазы строительного раствора может помочь в разработке более реалистичных вычислительных моделей для смесей БЭК (например, в моделировании методом конечных элементов).
Исходя из этого, целью настоящего исследования является определение состава растворов БЭК, который точно описывает тонкую матрицу смесей БЭК, и сравнение механических свойств смесей и растворов на протяжении всего процесса отверждения.
В первой части исследования изучали состав раствора, уделяя особое внимание влиянию содержания воды и воздушных пустот на прочность раствора при фиксированном времени отверждения (1 сутки). Во второй части оценивалось влияние отверждения на поведение смесей и растворов с фиксированным составом с учетом прочности, жесткости и потери влаги при испарении.
Материалы и методы
Материалы
Композиты BEC, исследованные в этом исследовании, состояли из заполнителя RA, первичного мелкого заполнителя, минерального наполнителя, битумной эмульсии, цемента и дополнительной воды.
Заполнитель RA, поставляемый компанией Società Cooperativa Braccianti Riminese из Римини (Италия), первоначально был измельчен и просеян на заводе-изготовителе для удаления крупных кусков асфальта и получения материала с размером верхнего сита 20 мм (RA20). Образец дополнительно просеивали в лаборатории для выделения фракции с размером верхнего сита 2 мм (RA2). В качестве мелкого заполнителя использовали измельченный известняковый песок с размером верхнего сита 2 мм (FA2), а наполнителем – мелкоизмельченный порошок известняка. В таблице 2 приведены основные физические свойства заполнителей в соответствии с европейскими спецификациями. Их градационные кривые представлены на рис. 1.
Исследование влияния химической природы наполнителей на реологическое и усталостное поведение битумно-эмульсионной мастики
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Абстрактные
Недавно были разработаны технологии смешения холодной битумной эмульсии (CBE) для снижения температуры конструкции дорожного покрытия, снижения экологических затрат и контроля выбросов газа. Активные наполнители (т.е. цемент) из-за плохой начальной механической прочности использовались для получения высокой начальной жесткости, чтобы иметь возможность своевременного строительства следующего слоя. Однако отсутствует понимание влияния активных наполнителей на вязкоупругие свойства и сопротивление усталостным повреждениям мастик CBE. Таким образом, это исследование направлено на выявление влияния активных наполнителей на реологические свойства и результирующие усталостные характеристики мастики CBE, что подтверждается химическим анализом битумно-наполнительной эмульсии. Для этого битумная эмульсия отдельно смешивалась с семью наполнителями/смесями наполнителей для приготовления мастики ПБЭ. Были проведены различные эксперименты, в том числе тесты непрерывного мониторинга pH (химическая реактивность битумно-наполнительной эмульсии), тесты с разверткой деформации (SS), тесты с разверткой по температуре и частоте (TFS), тесты с разверткой по времени (TS) и тесты по линейной амплитуде (LAS). проводится на связующем ПБС и приготовленных мастиках. Результаты показывают, что реологические характеристики и сопротивление усталостному повреждению зависят не только от включений наполнителя, но также от типа и химического состава наполнителя. Исходя из этого, увеличение комплексного модуля сдвига и уменьшение вязкой составляющей связано со значительным улучшением усталостных характеристик конкретных наполнителей.
Ключевые слова: активный наполнитель, битумно-эмульсионная мастика, реометр динамического сдвига, сопротивление усталостному растрескиванию
1. Введение
Осведомленность об устойчивости и экологических проблемах в строительстве дорожных покрытий привела к исследованиям, направленным на разработку технологий зеленого асфальтового покрытия, в конечном итоге направленных на получение значительной экологической, социальной и экономической выгоды. Одной из многообещающих экологически чистых технологий в строительстве дорожных покрытий является смесь холодной битумной эмульсии (ХБЭ). Смесь CBE изготавливается при температуре окружающей среды с использованием заполнителя первичного или регенерированного асфальтового покрытия (RAP) (или их комбинации), смешанного с битумной эмульсией. Крупные и мелкие частицы связаны тонкопленочной мастикой (показана на рис. 1), состоящей из битумной эмульсии (БЭ) и минеральных наполнителей. Таким образом, технология CBE способствует снижению энергопотребления, экономии природных ресурсов и сохранению окружающей среды [1,2].
Схема, показывающая компоненты смеси холодной битумной эмульсии (CBE).
Развитие прочности смеси ПБС и реологические свойства тесно связаны с ее мастичными характеристиками, поскольку в мастичной матрице происходят различные физико-химические процессы (т.е. процессы отверждения), которые влияют на свойства всей смеси как в свежем, так и в рабочем состоянии. При этом мастика может быть модифицирована различными добавками, например, активными наполнителями. Добавление минеральных наполнителей может существенно изменить реологический отклик и сопротивление усталостным повреждениям мастики [3,4,5]. В целом минеральные наполнители можно химически сгруппировать на активные и неактивные (или инертные) наполнители в зависимости от их реакционной способности в битумной эмульсии. Инертные наполнители, такие как известняк, классифицируются как неактивные наполнители из-за их минерального состава и обычно используются в качестве регулятора жесткости путем добавления твердых частиц в битумную матрицу. Поскольку ожидается, что химическая реакция будет незначительной или вообще не произойдет, она сохраняет вязкоупругий отклик [6]. Активный наполнитель определяется как наполнитель, который реагирует с водой или с самим битумом (изменяя структуру битума) [7]. Основными химическими соединениями активных наполнителей являются оксид кальция (CaO) и диоксид кремния (SiO2), которые отвечают за формирование со-вяжущего (гидравлического вяжущего) в смеси CBE. В процессе гидратации соединение СаО вступает в реакцию с водой и придает мастике пуццолановые свойства, отвечающие за ускорение процесса отверждения за счет образования Са(ОН)2 [8]. Кроме того, наполнитель с SiO2 компаунд имеет тенденцию образовывать плотные микроструктуры в смеси CBE, что приводит к уменьшению количества воздушных пустот и, следовательно, к повышению прочности, но замедляет процесс отверждения [9]. Сосуществование CaO и SiO2 вместе в наполнителе приводит к образованию фазы гидрата силиката кальция (CSH) в форме геополимерного геля, который, как было доказано, увеличивает прочность конечного продукта [10]. Кроме того, наполнитель как с ранее упомянутыми соединениями, так и с Al2O3 компаунд может образовывать фазу CASH, повышающую прочность при коротком времени схватывания [11]. С другой стороны, Fe2O3 Было обнаружено, что соединение оказывает нежелательное влияние на прочность на сжатие [12]. Соответственно, наполнители должны быть разработаны для получения требуемых механических и реологических характеристик с учетом типа смеси (HMA или CBE).
Поведение и структура мастики CBE отличаются от свойств HMA, так как CBE содержит воду в своей системе, что снижает ее вязкость при смешивании и уплотнении. В смесях CBE вода должна испаряться, чтобы обеспечить прочную адгезию битумного заполнителя и высокую несущую способность. В смеси CBE можно добавлять активные наполнители для ускорения процесса отверждения. Следовательно, вода и активный наполнитель реагируют и производят гидравлическое вяжущее, образуя жесткие структуры в смесях ПБЭ. Таким образом, наполнители улучшают механические свойства на начальном этапе, но могут приводить к жестким долгосрочным свойствам. Как правило, наполнители укрепляют битум за счет трех основных механизмов [13,14,15, 15,16, XNUMX] геометрии частиц, объемного заполнения и химического взаимодействия. Геометрия частиц и объемное заполнение рассматриваются как механическое усиление [XNUMX]. Объемное наполнение обусловлено добавлением в систему большего количества твердых частиц, что приводит к высокой жесткости, а химическое взаимодействие включает химический состав и щелочность наполнителей.
Тем не менее, реакция модифицированной мастики CBE с активным наполнителем может перейти от вязкоупругого диапазона к чисто эластичному. Таким образом, мастика CBE может проявлять низкую усталостную прочность и сопротивление разрушению при высоких циклах нагрузки [17]. Следовательно, механизм армирования наполнителем в мастике CBE играет главную роль в контроле механизмов разрушения и разрушения в смеси CBE [18]. В течение срока службы смесь ПБС подвергается различным нагрузкам. Одним из наиболее критических отказов, угрожающих смеси ПБС, может быть усталостное растрескивание. Сначала это разрушение проявляется в виде микроповреждений в мастике, а затем, с увеличением циклов нагрузки, перерастает в макротрещины [19]. Таким образом, физико-химические и реологические характеристики мастики ПБЭ контролируют механизм распределения напряжений-деформаций при термических и транспортных нагрузках. В этой области исследований Андерсон и Гетц [20] провели исследование различных наполнителей в мастике HMA и пришли к выводу, что разные наполнители обладают разным армирующим эффектом в зависимости от природы наполнителя. Однако в обширном исследовании мелких частиц пылесборника Anderson et al. [21] пришли к выводу, что характер и степень физико-химического взаимодействия нуждаются в дальнейшем изучении. Другие исследователи пробовали разные методы изучения физико-химического взаимодействия с точки зрения влияния химического состава наполнителя на мастики ГМА и/или асфальтобетонные смеси. Kandhal [22] измерил значения pH разбавленного водного раствора наполнителей и заявил, что значения pH вряд ли могут быть связаны с тем, как наполнитель изменяет поведение мастики HMA. Недавно Зияни и соавт. [23] химически исследовали реакционную способность мелкого заполнителя в битумной эмульсии, используя тест на повышение рН и растворение элемента.
Однако физико-химическое взаимодействие между активными наполнителями и битумной эмульсией и его влияние на реологические характеристики и сопротивление усталостным повреждениям еще недостаточно изучено. В отличие от мастик HMA, наличие воды в мастиках CBE в процессе отверждения способствует развитию минеральных связей и структур внутри мастик.
Для битумной эмульсии физико-химическое взаимодействие начинается с добавления в среду битумной эмульсии дестабилизирующего агента (наполнителя), инициирующего разрушение, а, следовательно, ускоряющего коалесценцию капель битума за счет повышения солености (увеличения рН). Увеличение солености происходит за счет уменьшения концентрации свободного H+ в растворе из-за ионного обмена между H+ и щелочными частицами из минералов, таких как Ca++ (а также между молекулами эмульгатора и карбонат-анионом). Результатом этой реакции является специфическая форма соли, которая может абсорбироваться областью интерфейса и улучшать адгезионные свойства [24,25]. Этот механизм влияет на сродство битума и наполнителя с точки зрения контроля угла контакта, поверхностного натяжения, работы адгезии и сцепления между битумом и наполнителями, что может повлиять на механизм развития трещины (адгезионное разрушение на границе раздела наполнитель-битум или когезионное разрушение внутри). битум) [26]. В этом контексте включение наполнителей могло бы либо справиться с разрушением трещин в матрице мастики, либо, в некоторых случаях, сделать мастику CBE очень жесткой и чувствительной к усталостному растрескиванию [27,28].
Чтобы охарактеризовать стойкость мастики к усталостным повреждениям, в рамках испытаний на развертку по времени были изучены различные методы и подходы к испытаниям, такие как снижение на 50 % комплексного модуля сдвига [29,30], падение фазового угла (DPA) [31]. ], коэффициент рассеиваемой энергии (DER), коэффициент изменения рассеиваемой энергии (RDEC) [31,32] и коэффициент энергетической жесткости (ESR) [33,34]. Используя другую концепцию, Wen и Bahia [35] разработали процедуру испытания связующего на усталость, основанную на ускоренном развитии повреждения в образце за счет приложения быстро увеличивающейся амплитуды нагрузки (деформации). Необработанные данные были интерпретированы в соответствии с принципами теории вязкоупругого повреждения сплошной среды (VECD), а затем был получен закон усталости. Критический обзор предыдущих исследований показывает, что исследования сопротивления усталости несколько ограничены смесями CBE, зная, что мастика является фактическим связующим в смесях CBE. Это исследование представляет собой сравнительное исследование химической реактивности активных наполнителей и ее влияния на реологические свойства и сопротивление усталостным повреждениям мастик CBE с использованием испытаний на деформацию (SS), частотно-температурных испытаний (FTS), испытаний на контролируемую деформацию Time Sweep. (TS) и линейная амплитудная развертка (LAS) с помощью динамического сдвигового реометра (DSR). Принимая во внимание, что каждый наполнитель может влиять на усталостные свойства мастики при различных характерах усталостных повреждений.
2. Материалы и методы
2.1. Основные материалы
Образцы мастики были приготовлены путем смешивания катионной битумной эмульсии типа C60B10-BEM со степенью пенетрации 70/100 с семью наполнителями/смешанными наполнителями. Относительно низкое массовое отношение 0.21 (наполнитель к остаточному битуму) было выбрано, чтобы избежать явления контакта частиц с частицами (разбавленная среда). Таким образом, частицы наполнителя и эффективная битумная пленка вокруг частицы наполнителя были диспергированы и не предполагалось, что они будут контактировать друг с другом. Были использованы и смешаны с БЭ семь наполнителей, а именно: известняк (LS), цемент (CE), ковшовый шлак (LD), микрокремнезем (SF), эттрингит (ET), геополимер с активатором (GE) и геополимер без активатора. (ИДТИ). Наполнитель ET представляет собой комбинацию 70% LD и 30% гипса, как предложено Nguyen et al. [36]. Наполнитель GO включает 55% LD, 35% летучей золы и 10% SF. Наполнитель GE готовили путем смешивания наполнителя GO с 3.5% активатора по массе. Активатор представлял собой комбинацию 50% гидроксида натрия (NaOH) в концентрации 10 М и 50% силиката натрия в качестве щелочного активатора. Все использованные частицы наполнителя были меньше 63 мкм. Тест Ring and Ball (R&B) был проведен для определения температуры точки размягчения основного битума и мастики. После этого определяли разницу между температурами R&B (∆R&B °C) основного битума и каждой мастики. Плотность и химический состав наполнителей и ∆R&B °C приведены в табл. 1.
