淺析冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理

袁雅君

(烏魯木齊公路管理局)

淺析冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理

袁雅君

(烏魯木齊公路管理局)

首先介紹冷補(bǔ)瀝青混合料的基本性能，并通過分析冷補(bǔ)材料的組成結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，進(jìn)而研究其強(qiáng)度形成機(jī)理，最后論證了它與礦粉用量、粘聚力、骨料的摩擦角的關(guān)系。

冷補(bǔ)瀝青混合料;組成結(jié)構(gòu);強(qiáng)度機(jī)理

1 冷補(bǔ)瀝青混合料基本性能

(1)瀝青冷補(bǔ)液能全面裹覆潮濕或全濕的骨料;

(2)低溫下的冷補(bǔ)材料的強(qiáng)度與水穩(wěn)性依舊保持良好，從而有著較好的可施工性;

(3)即使路面坑洞蓄水，冷補(bǔ)瀝青混合料的壓實(shí)性也不受影響，能與路面緊密結(jié)合;

(4)冷補(bǔ)瀝青混合料能不受坑洞的干燥、多塵等問題的干擾而粘結(jié)原有路面;

(5)在高溫條件下，冷補(bǔ)瀝青混合料有著足夠的抵抗能力應(yīng)對輪胎的負(fù)荷;

(6)對于冷補(bǔ)瀝青混合料而言僅依靠有限的壓實(shí)性即可抵抗持續(xù)的擠壓和車轍;

(7)能夠較好地抵抗水損害。

2 瀝青冷補(bǔ)材料組成結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

瀝青冷補(bǔ)材料主要成分有礦質(zhì)集料、粘合劑、添加劑、稀釋劑。

首先礦質(zhì)集料最重要的是骨料的比例，決定著混合料在負(fù)荷作用下是否會(huì)被推擠。一般來說，施工時(shí)常選用完全破碎且不含任何細(xì)微材料的骨料作為最佳選擇，一方面是因?yàn)樵摴橇暇哂懈玫摹皟?nèi)鎖”性能和抗推擠或車轍的能力;另一方面它的適用范圍較廣，而且性能不容易受外界影響，即使在溫暖的氣候條件下也具有較好的抗推擠能力，主要是因?yàn)殚_級配混合料有更大的空隙率，如果在此基礎(chǔ)上增加瀝青膜厚度，還能改進(jìn)其與原有路面材料的結(jié)合的能力。

其次是粘合劑，瀝青冷補(bǔ)材料常用冷補(bǔ)瀝青液結(jié)合混合料并粘合原有路面與修補(bǔ)料。其中冷補(bǔ)瀝青液主要成分包括瀝青、稀釋劑和添加劑。這種粘合劑組合的應(yīng)用機(jī)理通過加入添加劑保持瀝青稀釋后原有瀝青基質(zhì)的性能。

再次是添加劑，主要是通過提供凝膠結(jié)構(gòu)使稀釋瀝青在低溫下也能增粘，促進(jìn)冷補(bǔ)材料初期強(qiáng)度的形成;這樣不僅改進(jìn)了稀釋后的混合料的黏附性能，也一定程度的改善了其在低溫條件下的工作性能，促進(jìn)其與原有多塵或潮濕的路面材料間的結(jié)合，還提高自身的水穩(wěn)性能。

最后還有稀釋劑，一般由多種稀釋劑混合而成。其主要功能是使混合料在堆放時(shí)不會(huì)變得太硬，并使其在路上容易壓實(shí)。應(yīng)用過程中，尤其要注意其揮發(fā)速度，稍有不慎會(huì)影響到冷補(bǔ)料強(qiáng)度形成的時(shí)間，隨著稀釋劑及其添加量的改變，冷補(bǔ)材料施工和存儲性能也會(huì)受到影響。所以利用添加劑配制冷補(bǔ)瀝青時(shí)要以保持冷補(bǔ)材料的基本性能為基本要求，施工中常用稀釋劑主要有柴油稀釋劑。

3 冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理

3.1 冷補(bǔ)瀝青混合料理論分析

冷補(bǔ)瀝青混合料最基本的功能是粘結(jié)性能，且其粘結(jié)力主要源于瀝青的分子作用力，而在其充分濕潤時(shí)，分子的稠密度很大程度地決定著粘結(jié)力大小。作為以瀝青為介質(zhì)的粘結(jié)體系，升溫和施壓都能加強(qiáng)瀝青分子熱布朗運(yùn)動(dòng)，且粘結(jié)溫度越高，壓力越大，擴(kuò)散作用越強(qiáng)，時(shí)間越長，其粘結(jié)力就越大。所以說瀝青在一定程度上決定著冷補(bǔ)瀝青混合料的性能，一方面混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)性受到瀝青與礦料間粘附作用的直接影響;另一方面混合料疏松、易壓實(shí)與否和強(qiáng)度大小隨著不同礦料顆粒表面的瀝青之間的相互粘結(jié)作用的不同而有所不同?；旌狭显趦Υ鏁r(shí)，要求呈現(xiàn)常溫且無外力作用的疏松狀態(tài)，礦料顆粒間彼此分離。

在路面攤鋪施工后，混合料受較大的外部作用力，使得瀝青分子之間相互擴(kuò)散作用增強(qiáng)且距離變小、接觸面積增大;隨著添加劑的揮發(fā)，瀝青材料開始變稠，在外部作用力的時(shí)間累積效應(yīng)作用下逐漸形成較強(qiáng)的粘結(jié)，隨著來行車負(fù)載作用混合料相互嵌擠形成強(qiáng)度而逐漸壓實(shí)至完全成型。

3.2 冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成特點(diǎn)

常溫狀態(tài)下能夠保持較好的粘結(jié)性與疏松性是冷補(bǔ)瀝青混合料最主要的特點(diǎn)，但隨著溫度的降低熱拌瀝青混合料會(huì)凝結(jié)成塊，從而達(dá)不到低溫狀態(tài)下混合料的工作性能。因此冷補(bǔ)瀝青混合料的基質(zhì)部分需要加入一定量稀釋劑進(jìn)行改性，使其粘度降低，低溫下拌和后能有一定的疏松性，滿足工作性能要求。具有可塑性與流動(dòng)性的混合料進(jìn)行攤鋪、碾壓施工時(shí)，能被擠壓至坑槽中不規(guī)則之處，一部分溶劑在行車和空氣的作用下逐漸揮發(fā)，混合料顆粒之間的分布更加緊密，稠度變強(qiáng)，且空隙率減小，更加粘結(jié)牢固，路面逐漸失去松軟感，強(qiáng)度增高，使用后，熱瀝青混合料變形和強(qiáng)度會(huì)逐步穩(wěn)定，最后足以超越其冷卻后的標(biāo)準(zhǔn)性能。

3.3 冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成影響因素

(1)內(nèi)因影響。

通過摩爾—庫侖理論對瀝青混合料的強(qiáng)度進(jìn)行粘結(jié)力C和內(nèi)摩阻角Φ兩項(xiàng)重要指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)，干燥骨料的C=0而Φ≠0，熱瀝青混合料的Φ=0而C≠0。而這兩項(xiàng)指標(biāo)主要受到前期瀝青材料存儲狀態(tài)以及材料間的作用力的影響。由于冷補(bǔ)瀝青混合料儲存時(shí)，骨料之間沒有相互嵌擠，因而Φ較小，混合料中瀝青膜厚度適中且用油量適宜，礦料表面的瀝青多能與其相互作用而形成粘性好的結(jié)構(gòu)瀝青，而還有部分粘性不強(qiáng)的自由瀝青，分子間的作用力小，有著較好的潤滑作用?？傊?，混合料在儲存時(shí)，顆粒分離，呈疏松狀態(tài)，因而沒有形成強(qiáng)度。

當(dāng)混合料在路面上攤鋪壓實(shí)后，其強(qiáng)度主要由材料粘性和外部作用力兩種因素形成;具體來說是指在改性瀝青與礦料相互作用后使混合料產(chǎn)生了巨大的內(nèi)聚力和粘附力而構(gòu)成冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度，它們使得礦料顆粒容易形成不易分離的整體，巨大的粘結(jié)力也使混合料與原表面不易剝離或推移，混合料經(jīng)碾壓后顆粒間的嵌擠、鎖結(jié)作用主要是由混合料內(nèi)摩擦阻力所構(gòu)成，這兩部分力構(gòu)成了其初始強(qiáng)度，以抵御車輛荷載作用。

表1 初始馬歇爾強(qiáng)度

從上表可看出，冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度主要受瀝青用量與級配的影響。粘度相同時(shí)，初始馬歇爾強(qiáng)度也隨著瀝青結(jié)合料級配的不同而有所差別。

如下表2所示，即為A、B、C三種礦料級配的范圍。

表2 礦料級配范圍

表3 瀝青用量與初始馬歇爾強(qiáng)度的關(guān)系

從上表3及圖1可以看出，選用不同瀝青用量時(shí)，混合料的初始穩(wěn)定度差別較大，在用量達(dá)5.2%前，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在用量達(dá)5.2%時(shí)，初始穩(wěn)定度取最大值，在用量達(dá)5.2%之后，隨著骨料相互間的自由瀝青增多，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖1 瀝青用量與初始穩(wěn)定度的關(guān)系

(2)外因影響。

由于時(shí)間效應(yīng)、車輛荷載、外界環(huán)境等的長期作用，稀釋劑由快漸慢的逐漸揮發(fā)，瀝青的粘度逐漸增大，使得礦料表面因分子間的作用力增大而相互溶合，C值也不斷增大，使得混合料更為牢固且整體性更強(qiáng)，在長期行車負(fù)載作用下逐漸壓實(shí)并完全成型。這樣，粘聚力C值增量與增長速度快慢決定了混合料成型時(shí)的強(qiáng)度和時(shí)間。因Φ值是一個(gè)常數(shù)，所以骨料的摩擦角對強(qiáng)度作用較小。

通過馬歇爾穩(wěn)定度室內(nèi)與室外試驗(yàn)來探討車輛荷載、氣溫、工期長短對冷補(bǔ)瀝青混合料成型強(qiáng)度的影響大小。

表4 不同擊實(shí)次數(shù)馬歇爾穩(wěn)定度對比

運(yùn)用擊實(shí)次數(shù)增加試驗(yàn)來模擬車輛荷載對混合料的碾壓次數(shù)的增加，從圖2可以看出，穩(wěn)定度與擊實(shí)次數(shù)明顯呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。圖3表明流值隨擊實(shí)次數(shù)的增加逐漸變小，這說明礦料表面的瀝青分子之間相互擴(kuò)散作用與車輛荷載碾壓次數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)隨著礦料顆粒相互嵌擠，混合料也變得越來越密實(shí)，強(qiáng)度也就越來越高。

圖2 穩(wěn)定度與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

圖3 流值與擊實(shí)次數(shù)的關(guān)系

圖4 時(shí)間與穩(wěn)定度的關(guān)系(3月修補(bǔ))

圖4和圖5是在60℃試驗(yàn)溫度下由鉆芯取樣而測得的穩(wěn)定度。從圖4可以看出在修補(bǔ)路面施工過程中鉆芯取樣試件穩(wěn)定度值在第7 d時(shí)并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而在圖5中，日均溫為30℃情況下鉆芯取樣試件穩(wěn)定度在第一天就達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。所以當(dāng)修補(bǔ)時(shí)，隨著外界環(huán)境氣溫升高，混合料強(qiáng)度形成的越快;反之，則越慢。

圖5 時(shí)間與穩(wěn)定度的關(guān)系(8月修補(bǔ))

從圖4和圖5也可以明顯看出，混合料強(qiáng)度同時(shí)受到由于稀釋劑的揮發(fā)，瀝青粘性，材料間的作用力、時(shí)間的累積效應(yīng)等四個(gè)方面的影響，也呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

U416.217

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1008-3383(2012)03-0003-02

2012-01-08