乳化沥青胶结料可在常温下施工，具有节能环保的优点，在道路修复领域逐渐成为研究热点．但是由于乳化沥青胶结料水分较多、早期强度较低的缺陷，限制了乳化沥青胶结料的推广使用[1-2]．针对该问题，国内外学者提出在乳化沥青胶结料中加入水泥的方法对沥青进行性能改进，发挥出了水泥刚性和沥青的柔性，取得了良好的效果[3]．但是每生产1 t水泥至少会产生0.5 t二氧化碳，这将带来水体污染、温室效应等环境问题[4]．随着绿色建造呼声的与日俱增，选择合适的水泥替代品，进一步提升水泥-乳化沥青胶结料的环境友好性具有积极的经济环境效益．白云石是一种储量巨大的碳酸盐类矿物，占地壳总质量的1.7%[5-6]．随着工业化进程的加剧，大量的废白云石粉尘极易产生扬尘，从而危害人类健康，已成为一种亟须解决的固体废弃物[7-8]．在前期的研究中，一些学者对白云石在水泥基材料中的物理化学特性进行了研究．肖佳等[9]研究了白云石粉在水泥基材料中的水化活性，分析了白云石粉掺量和细度的影响，结果表明白云石可提高水泥基材料的比强度．张少华等[10]探究了白云石微粉在水泥基材料中的物理化学效应和过程．殷素红等[11]系统地探究了碱激发白云石作为灌浆材料的性能和反应机理，得到了具有较高性能的碱激发白云石灌浆材料．碱激发白云石在制备过程中只有少量的二氧化碳排放，大约为水泥的10%~20%，并且能耗比水泥低，只有水泥的60%左右[12]．此外，徐兵等[13]研究了轻烧白云石灰对沥青混合料性能的影响，发现轻烧白云石灰按20%～40%掺入沥青填料，能有效改善沥青混合料的高温稳定性和水稳定性．基于此，本研究选用废弃白云石粉部分代替乳化沥青胶结料中的水泥，对白云岩-水泥乳化沥青胶结料的制备工艺和力学性能进行了探究．首先制备两种乳化沥青并测定其各项性能参数．通过黏聚力试验和抗压抗折试验对胶结料的宏观力学性能进行分析，确定白云石粉在胶结料体系中的最佳掺量．然后采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对胶结料的微观结构进行表征分析，探究白云石尾矿粉对乳化沥青胶结料的微观作用机理，分析乳化沥青胶结料性能改变的原因，为乳化沥青的相关研究领域提供理论参考．1 实验1.1　原材料沥青选用中国石化茂名分公司的70#A级道路石油沥青．乳化剂选用江苏金阳新材料科技有限公司的JY-R4阳离子慢裂快凝型与JY-C2阳离子中裂型两类乳化剂．白云石选用中国湖北十堰某采石场于采矿作业过程中附带生产的白云石废弃粉末，为保证反应的充分程度，粉末被进一步地研磨筛分，选取粒度200~300目的粉末作为试验原料，主要成分比例如表1所示，其XRD物相分析如图1所示，主要含白云石和方解石，掺杂少量的透闪石，图中：I为衍射强度；2θ为衍射角．水泥选用代号为P.O的42.5级水泥，水为实验室的普通自来水．10.13245/j.hust.230806.T001表1废弃白云石粉末主要成分质量分数CO2CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3Na2OK2OSO3P2O544.0727.1222.265.840.390.220.050.030.010.01%10.13245/j.hust.230806.F001图1废弃白云岩粉尘的XRD测试结果1.2　试样制备1.2.1　乳化沥青按照如表2所示配比称取各原料，将沥青置于165 ℃的烘箱中加热至完全流动状态，并在电磁炉上对乳化剂与水的混合液进行加热搅拌至乳化剂在水中完全溶解，接着对胶体磨进行预热，加入乳化剂与水的混合液，启动胶体磨15 s，在漏斗管线的出口处缓慢倒入沥青并不断搅拌，待沥青全部加入后使胶体磨再持续运行40 s，最后使用孔径为1.18 mm的滤筛过滤制备好的乳化沥青进行封存备用．10.13245/j.hust.230806.T002表2乳化沥青原料配比(质量分数)乳化沥青代号乳化剂代号乳化剂类型沥青水乳化剂AJY-R4慢裂型4850.061.94BJY-C2中裂型4851.100.90%1.2.2　乳化沥青胶结料按照表3所示配比称取原料(配比为质量比)，其中外加水的掺量按0.8减去其配比中乳化沥青中的含水量进行计算确定．将水泥与白云石粉加入同一金属容器内进行搅拌使其充分混合，接着将水倒入容器内使用搅拌机以200 r/min的转速搅拌30 s，然后加入乳化沥青使用搅拌机以200 r/min的转速搅拌，其中用于黏聚力试验的胶结料搅拌30 s，而用于抗压、抗折试验的胶结料搅拌60 s，最后取样并按照后续试验要求立即开始制作试件．10.13245/j.hust.230806.T003表3乳化沥青胶结料原料配比乳化沥青胶结料种类组号乳化沥青水泥白云石外加水A10.61.00.00.499 620.60.90.10.499 630.60.80.20.499 640.60.70.30.499 6B10.61.00.00.493 420.60.90.10.493 430.60.80.20.493 440.60.70.30.493 41.2.3　黏聚力试件将环形试模(内径60 mm，厚度6 mm)预湿后使用油毡垫底，倒入乳化沥青胶结料并将其刮平，放置1 min使试件稍成型后进行脱模，于25 ℃和95%湿度的环境下进行养护60 min，每组配比制备两个试件．1.2.4　抗压、抗折试件大致倒入一半模具(抗压试件模具尺寸为32 mm×32 mm×32 mm，抗折试件模具尺寸为80 mm×20 mm×20 mm)可容纳的乳化沥青胶结料，然后将模具置于震荡机上方进行30次震荡，继续倒入乳化沥青胶结料，使其液面稍高过模具顶面，并再次启动震荡机对模具进行30次震荡，然后使用刮刀将胶结料刮平，覆上保鲜膜于25 ℃和95%湿度的环境条件下进行养护，每种不同龄期、配比下的抗压、抗折试件各做3个，最后在养护24 h后进行拆模，在保持环境条件不变的情况下继续养护试件至目标龄期．1.3　性能测试与表征乳化沥青相关测试：在完成乳化沥青的制备后，使用数显pH计测定其pH值，并参照沥青相关的试验规程JTG E20—2011 T 0754—2011对样品分别进行微粒离子电荷试验、储存稳定性试验及恩格拉黏度试验，完成对乳化沥青样品的性能分析测定．黏聚力试验：试验按照规程JTG E20—2011 T 0754—2011的要求进行，在完成黏聚力试验仪的重复性测试后制备黏聚力试件，放置1 min使其稍成型后脱模养护，并在规定时间后对其进行试验．抗压、抗折试验：试验参照标准GB/T 50081—2019的要求，使用万能力学试验机对乳化沥青胶结料试件进行抗压、抗折测试，加载方式为位移加载，加载速率为2 mm/min．XRD分析：采用X射线衍射仪对不同原料和白云石含量的试样进行了矿物学分析，扫描范围2θ为5°~50°，扫描速率为10 °/min．SEM分析：采用场发射扫描电子显微镜，使用散射电子探测器在0.5 nA下获得原料和不同养护温度试样的微观形貌．2 实验结果与讨论2.1　乳化沥青相关测试慢裂型和中裂型乳化沥青均为阳离子型酸性乳化沥青，pH值分别为2.17和3.02，恩格拉黏度(25 ℃)分别为1.92与11.19，且15±1 ℃条件下的24 h储存稳定性分别为2%与0%，说明慢裂型乳化沥青的黏度较低，储存稳定性略低于中裂型乳化沥青．2.2　黏聚力试验由于试做型试件在30 min的养护条件下成型较差，故本研究仅对试件进行60 min养护条件下的黏聚力试验．从图2可知：养护60 min后的两组试件在未掺入白云石时的黏聚力大小相近，随着白云石掺量的增加，慢裂型乳化沥青胶结料的黏聚力稍有增大，这说明白云石的添加有助于乳化沥青胶结料黏聚性能的提升．而中裂型乳化沥青胶结料的黏聚力随白云石掺量的增加却没有太大变化．这是由于慢裂型乳化沥青采用的是快凝型乳化剂，相较于中裂型乳化沥青破乳后具有更快的凝结速度，因此白云石粉末在慢裂型乳化沥青胶结料中呈现出更好的黏聚力提升效果．10.13245/j.hust.230806.F002图2慢裂型和中裂型乳化沥青胶结料的黏聚力2.3　抗压、抗折试验慢裂型和中裂型乳化沥青胶结料的7 d抗压强度如图3所示．随着白云石粉末替代量的增加，试件的抗压强度出现先减后增再减的波折．当白云石粉末对水泥的替代量为20%时，乳化沥青胶结料的性能最优．慢裂型和中裂型乳化沥青胶结料的7 d抗折强度如图4所示．随着白云石粉末替代量的增加，试件的抗折强度呈现先出先增后减的变化．同样当替代量为20%时，试样的抗折强度最高．这可能是由于白云石在水泥乳化沥青体系中的反应贡献程度有限，少量的白云石粉末在体系中的反应产物不足以对试件强度产生贡献，而过量的白云石无法提供更多的强度贡献，反而削弱了整体强度．只有在适宜的替代量下，白云石粉末才可以在体系中充分发挥增强特性．这说明通过添加废弃白云石粉尘替代乳化沥青胶结料中的水泥是一个可行的方法，它不仅为废弃粉尘的处理提供了新的途径，而且在保证性能的前提下，减少了水泥的使用，在成本控制和环境保护方面都具有十分重要的意义．10.13245/j.hust.230806.F003图3慢裂型和中裂型乳化沥青胶结料的7 d抗压强度10.13245/j.hust.230806.F004图4慢裂型和中裂型乳化沥青胶结料的7 d抗折强度此外，对7 d龄期的两类乳化沥青胶结料进行横向对比可以发现：两类乳化沥青胶结料的抗折强度大致相等，但中裂型乳化沥青胶结料的抗压强度总体高于慢裂型，这是因为中裂型乳化沥青较慢裂型拥有更快的破乳速度，能够更快地形成强度．这也表明中裂型乳化沥青胶结料的性能更优，为后期进一步的研究提供可以借鉴的设计经验．2.4　XRD分析由于慢裂型和中裂型乳化沥青胶结料的XRD实验结果在受不同白云石掺量的影响上具有相同特征，即白云石粉末在两类乳化沥青胶结料中具有相同的作用机理，因此选取中裂型乳化沥青胶结料实验结果作为分析对象，其XRD图谱如图5所示．未掺入白云石的试件样品成分主要包括水泥中未水化的C2S(硅酸二钙)及水泥的水化产物如Ca(OH)2和CSH(水化硅酸钙)，同时还有一部分的CaCO3，其主要来源于石灰岩中的矿粉．随着白云石掺量的增加，试件样品中的CaMg(CO3)2衍射峰强度有明显的增强，当白云石粉末的掺入量达到20%(占白云石与水泥混合料的20%、全部原料的9.5%)时，样品内开始出现Mc(水化碳铝酸钙)，并且此时CaCO3与Mg(OH)2的衍射峰强度最高，推测这是在水泥水化的碱性条件体系下掺入的白云石粉末发生了去白云石化反应[14-17]，生成了CaCO3与Mg(OH)2，而CaCO3又进一步与体系内的铝相如C3A(铝酸三钙)、C4AF(铁铝酸四钙)等发生反应并生成了Mc，抑制了AFt(钙矾石)向AFm(单硫型水化硫铝酸钙)的转变，促进了硅酸钙的水化，有利于增加水化产物体积和改善浆体孔结构，进而改善材料力学性能[18]．10.13245/j.hust.230806.F005图5乳化沥青胶结料的XRD实验结果当白云石粉末在胶结料中的掺量较低(低于白云石和水泥混合料的20%)时，白云石粉末对水泥的水化过程有明显的促进作用；但另一方面，随着白云石粉末的掺量进一步增大，其对水泥的稀释作用便愈发强烈，胶结料的强度也随之减小[19]．此外，可以看到样品中仍有部分没有水化的C2S存在，这是由于C2S的水化作用较为缓慢，再加上沥青小液滴对水泥颗粒的裹覆作用，使材料内部局部水分不足，对水化过程造成了延迟与阻碍，而未水化的C2S是否会在胶结料中继续水化还须进一步的研究．但可以确认的是，其可以与沥青发生物理吸附，增加胶结料的粘度，从而起到类似矿粉填充的作用．2.5　SEM分析在抗压、抗折强度试验中，两类乳化沥青胶结料的抗折强度大致相等，但中裂型乳化沥青胶结料的抗压强度总体高于慢裂型，因此本研究选取中裂型乳化沥青胶结料1~4号试件进行SEM实验，并对各样品在4 000倍放大倍数下的成像结果进行分析，如图6所示．试件B-1内部的沥青对水泥颗粒裹覆充分，部分水化的水泥颗粒也被沥青包裹，在其连接处，沥青与水泥水化产物的胶结紧密；另一方面通过对断裂面的观察，沥青裹覆面分布广泛，推测沥青的胶结处是试件内部结构的薄弱点．而掺入少量白云石后的试件B-2结构较为松散，沥青的裹覆效果变弱，因此其试件的强度较低．比较图中区域A和B，可以看到：相较于试件B-2，试件B-3的整体结构较为致密，且沥青裹覆效果有所提升，从而试件的强度得以上升．但再次增加白云石的掺量后，试件B-4的整体结构较试件B-3更为松散，部分白云石颗粒未被沥青和水泥水化产物包裹，推测为白云石掺入过量所致，导致试件的强度再次下降．10.13245/j.hust.230806.F006图6SEM微观形貌3 结论本研究主要创新点为回收利用白云石粉末制备乳化沥青胶结料，在改善胶结料性能、降低生产成本的同时为尾矿的污染问题提供新的解决途经，其研究结论如下．a．白云石粉末可以有效提升乳化沥青胶结料的抗压、抗折强度，其最佳掺量为白云石和水泥混合料的20%(占全部原料的9.5%)．在乳化沥青胶结料中掺入适量的白云石粉末，在填充材料缝隙的同时，也可以与水泥、沥青相互作用，充当沥青与水泥的胶结基础，但当白云石的掺入量不足或过量时，其又会对胶结料的性能产生不利影响．b．白云石可以促进水泥的水化过程，进而提升胶结料的早期强度．同时白云石在水泥中形成的水化胶凝产物也可以在一定程度上对水泥硬化时产生的体积收缩进行补偿，在有效提升材料安全性的同时对胶结料后续强度的稳定发展也产生了积极影响．在实际工程中，可以通过改变白云石的掺入量来对材料内部的游离水含量进行一定程度的控制，从而根据不同的施工条件及需求对材料的固化参数进行修正．c．中裂型乳化沥青制备的胶结料较慢裂型一般具有更高的强度，但其试件稳定性则相对较差．中裂型具有更快的破乳速度，其制备的胶结料试件在凝结后能够更快地固化形成强度，但由于其拌合性较差，在拌合过程中便容易失稳破乳使沥青小液滴聚集生成颗粒状沥青并渗出水分，从而对试件的后续强度尤其是抗折强度产生不利影响，因此对于抗折强度要求较高的结构适用性较低．