乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面強(qiáng)度形成機(jī)理的研究

【摘 要】本文結(jié)合乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用對比分析的方法，闡述了乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面強(qiáng)度形成的機(jī)理。

【關(guān)鍵詞】乳化瀝青稀漿混合料；貫入式；瀝青路面；強(qiáng)度

Emulsified asphalt slurry mixture study the formation mechanism of the asphalt pavement strength penetration formula

Yang Ming-yan

（Pingdingshan City Jia Yang Road and Bridge Engineering Co.， Ltd Pingdingshan Henan 467000）

【Abstract】In this paper， emulsified asphalt slurry mix asphalt pavement characteristics penetration structure， using comparative analysis method， described the mechanism of emulsified asphalt slurry material penetration asphalt pavement strength mixed form.

【Key words】Emulsified asphalt slurry mixture；Penetration type；Asphalt pavement；Strength

1. 前言

乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的施工方法是：首先用層鋪法把起主支撐作用的碎石粘結(jié)在下承層上，再把拌和好的乳化瀝青稀漿混合料貫入碎石間隙中，然后經(jīng)過養(yǎng)生、碾壓等成型即為瀝青路面，它是不同于典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)（懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)、骨架空隙型結(jié)構(gòu)和骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)）的新結(jié)構(gòu)，瀝青路面的性能是由結(jié)構(gòu)決定的。因此，開展對乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面強(qiáng)度形成機(jī)理的研究十分必要。

2. 乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究

（1）乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的由多種組分組成的混合材料而形成的路面結(jié)構(gòu)，其“結(jié)構(gòu)”概念也是極其復(fù)雜的。其組成材料的各種不同特點(diǎn)，如集料顆粒的大小及其不同粒徑的分布、相同粒徑顆粒的相互位置、瀝青在路面結(jié)構(gòu)中的分布特征和集料顆粒在瀝青層中的性質(zhì)、空隙率及其分布、空隙（間隙）的特征等等，都與結(jié)構(gòu)概念聯(lián)系在一起。瀝青路面結(jié)構(gòu)包括瀝青結(jié)構(gòu)、集料骨架結(jié)構(gòu)和瀝青膠泥結(jié)構(gòu)等，是這種材料單一結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)的概念的總和。上述每一結(jié)構(gòu)中的每種性質(zhì)，都對瀝青路面的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。

（2）乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面是骨架-懸浮密實(shí)復(fù)合型結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，最大碎石的粒徑（D）和路面結(jié)構(gòu)的厚度（h）大致相同（h/D≈1），分布在一個(gè)平面上（即呈二維分布），形成“頂天立地”的強(qiáng)大的骨架結(jié)構(gòu)，并且這種骨架結(jié)構(gòu)是而自然形成的，不是象傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)依賴于碎石之間的嵌擠鎖結(jié)和瀝青的粘結(jié)形成的，碎石之間保持一定的距離，其間隙是開放性的（即碎石不疊加，不形成“橋空”），同時(shí)骨架間隙填充的是由其它粒徑的碎石和瀝青膠泥形成的懸浮密實(shí)型瀝青混合料，經(jīng)過車輛輪胎的碾壓揉搓作用，其必定達(dá)到密實(shí)，也就是說，經(jīng)過一段時(shí)間使用后在乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面結(jié)構(gòu)實(shí)體中，空隙率是極小的（達(dá)到能夠忽略不計(jì)的程度），可以認(rèn)為是完全密實(shí)的。最大粒徑碎石起主支撐作用，是行車荷載的主要承受者和傳遞者，降低了瀝青對承受荷載和傳遞荷載的作用；最大粒徑碎石間隙的懸浮密實(shí)型瀝青混合料作用起填充、粘連接和密封等作用。乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面中“頂天立地”的強(qiáng)大的骨架在車輛荷載作用下路面厚度不會減薄。如圖2（a）所示。

（3）典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)（h/D≥2的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)和骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)）中，粗骨料上下分布2～3層（即呈三維分布），依賴于碎石之間的嵌擠鎖結(jié)和瀝青的粘結(jié)形成骨架（懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)還形不成骨架），骨架有可能形成“橋空”，碎石和結(jié)構(gòu)瀝青共同承受和傳遞行車荷載，高溫會使瀝青軟化，荷載能使碎石位移，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)生車轍是不治之癥。如圖2（b）所示。

3. 乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面強(qiáng)度形成機(jī)理特征的研究

3.1 在乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面結(jié)構(gòu)中，最大碎石的粒徑和路面厚度相同，形成“頂天立地”的強(qiáng)大的骨架結(jié)構(gòu)。因此，在車輛荷載作用下路面厚度不會減薄。在垂直于路面方向上，不論是高溫、低溫還是通常溫度，其都表現(xiàn)出接近線彈性，它不像典型的瀝青路面那樣是一種典型的粘、彈、塑性綜合體。

3.2 瀝青路面的強(qiáng)度形成理論有：表面理論和膠漿理論。

3.3 表面理論認(rèn)為瀝青路面是由集料骨架（由粗集料、細(xì)集料和填料組配而成）和瀝青組成，瀝青分布在集料骨架表面，將集料骨架膠結(jié)成為具有較高強(qiáng)度的整體。這種理論可用圖3表示。

3.4 據(jù)此理論，瀝青路面的強(qiáng)度由兩部分構(gòu)成：一部分是集料骨架的強(qiáng)度，表現(xiàn)為顆粒材料的摩擦力，由內(nèi)摩擦角φ表示；另一部分是瀝青的膠結(jié)強(qiáng)度，表現(xiàn)為粘結(jié)力、凝聚力、抗拉力，用粘結(jié)力c表示。礦質(zhì)集料屬于散體材料，其強(qiáng)度（在一定約束條件下抵抗應(yīng)力應(yīng)變作用的能力）主要由散體顆粒間的接觸壓力和接觸表面摩擦力組成，顆粒間的摩擦力性質(zhì)與固體間摩擦力性質(zhì)完全一樣，礦質(zhì)集料的強(qiáng)度是大量固體顆粒材料的壓應(yīng)力、摩擦力的矢量和。根據(jù)固體摩擦力學(xué)可知，摩擦力的本源是固體表面的微觀不平整紋理的存在，即表面的粗糙。粗糙的表面有嚙合、鎖結(jié)等阻止物體發(fā)生相對位移的作用，即能產(chǎn)生摩擦力。摩擦力的大小不但與表面的粗糙度（用表面粗糙度系數(shù)f表示）有關(guān)，而且與固體接觸面上的垂直壓力N有關(guān)，即摩擦力F=f·N。如果將表面粗糙度系數(shù)f用正切函數(shù)tgφ表示，則表面的粗糙度可用內(nèi)摩擦角φ來表示。對于散體顆粒材料內(nèi)摩擦角φ則度量了材料內(nèi)部顆粒之間的綜合表面粗糙度和顆粒形狀，內(nèi)摩擦角φ的大小決定了集料的抗剪切應(yīng)力的能力。根據(jù)莫爾-庫侖理論，材料的抗剪強(qiáng)度τ=σ·tgφ，σ為材料的正應(yīng)力，是外部施加的力，屬于抗剪強(qiáng)度的外因，而tgφ則為材料的本質(zhì)屬性，為抗剪強(qiáng)度的內(nèi)因。對于瀝青路面混合料，其強(qiáng)度本源則來自于瀝青分子膠團(tuán)之間的吸引力，這些吸引力的大小決定了瀝青粘結(jié)力c的大小。瀝青分子膠團(tuán)之間的吸引力與材料溫度高低、瀝青分子量的大小、瀝青分子膠團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵之間的作用力大小等因素有關(guān)。當(dāng)然，瀝青路面的強(qiáng)度參數(shù)c、φ絕不是瀝青的粘結(jié)力c和集料的內(nèi)摩擦角φ的簡單組合，它們是相互作用，互相影響的。內(nèi)摩擦角φ在高溫穩(wěn)定性方面全主要作用，粘結(jié)力c則在抗剪切、抗彎拉等荷載作用中發(fā)揮較大作用。

圖3 表面理論

3.5 無論瀝青路面混合料屬于哪一種類型，其力學(xué)強(qiáng)度都可以按莫爾-庫侖理論予以表征，即在外力作用下材料不發(fā)生剪切滑移時(shí)以滿足的條件是：

τ≤c+σ·tgφ （1）

式中：τ——剪切應(yīng)力；

c——材料粘結(jié)力；

σ——正應(yīng)力；

φ——內(nèi)摩擦角。

3.6 膠漿理論認(rèn)為瀝青路面混合料是一種三級空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系：以粗集料為分散相分散在瀝青砂漿中，瀝青砂漿則以細(xì)集料為分散相分散在瀝青膠漿中，瀝青膠漿又以填料為分散相分散在瀝青介質(zhì)中。這三種分散系以瀝青膠漿最為重要，它的組成結(jié)構(gòu)決定了瀝青路面的高低溫性能。這種理論可用圖4表示。

3.7 據(jù)此理論，瀝青路面的強(qiáng)度由分散系中分散相數(shù)量多少和分散介質(zhì)的強(qiáng)度性質(zhì)決定：分散相數(shù)量越多，分散系的模量就越大，則路面的抗壓強(qiáng)度越大；分散介質(zhì)的稠度越大，路面的抗拉強(qiáng)度就越大。在瀝青路面混合料中的三級分散系中，瀝青膠漿對瀝青路面強(qiáng)度起著決定性作用，它的組成結(jié)構(gòu)決定了瀝青路面的高低溫穩(wěn)定性。因此，改善瀝青路面混合料路用性能主要從改善瀝青膠漿的性能入手，增加瀝青稠度，增加礦粉用量。

3.8 綜合表面理論和膠漿理論，普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，構(gòu)成瀝青路面強(qiáng)度的因素包括兩方面，即由集料顆粒之間的內(nèi)摩擦力和嵌擠力，以及瀝青結(jié)合料及其集料之間的粘結(jié)力和內(nèi)聚力所構(gòu)成。

圖4 膠漿理論

3.9 綜上所述，F(xiàn)H瀝青路面強(qiáng)度形成的機(jī)理明顯與表面理論和膠漿理論不符，這種路面的抗剪強(qiáng)度是由 “頂天立地”的最大粒徑碎石提供的，其骨架不需要碎石間的嵌擠鎖結(jié)，也不需要瀝青粘結(jié)，同時(shí)降低了瀝青混合料粘結(jié)力和內(nèi)聚力對形成抗剪強(qiáng)度的作用。由于乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面的抗剪強(qiáng)度不是靠集料之間的摩擦力和瀝青混合料之間的粘結(jié)力及內(nèi)聚力提供，而莫爾-庫侖理論是通過測定瀝青的粘結(jié)力c和集料的內(nèi)摩擦角φ來判定瀝青路面的抗剪強(qiáng)度的，因此，莫爾-庫侖理論并不適應(yīng)于評價(jià)乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面的抗剪性能。乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面結(jié)構(gòu)中最大碎石“頂天立地”，是主要受力者，使得路面的抗剪強(qiáng)度理論變得非常簡單，無論是高溫、常溫或者低溫，它都接近線彈性，可以用胡克定律來表征。

4. 乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面應(yīng)力——應(yīng)變特性分析

（1）與典型的瀝青路面相比，乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面的應(yīng)力——應(yīng)變特性則不同。

（2）典型的瀝青路面，應(yīng)力——應(yīng)變特性是瀝青和碎石的混合料的表征，而更多反映的是瀝青材料的特征。在低溫小變形范圍內(nèi)表現(xiàn)為線性粘彈性體，在高溫大變形流動(dòng)范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘塑性體，在通常溫度的國度范圍內(nèi)則一般為粘彈性體。

（3）對于乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面，應(yīng)力——應(yīng)變特性絕大部分反映的是碎石的特征。無論是高溫、低溫，還是常溫，都表現(xiàn)出一種性能——接近線彈性。

5. 乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面分散荷載應(yīng)力特性分析

雖然瀝青路面都是非均質(zhì)體，但和乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面相比，典型的瀝青路面中各種材料分布還是相對均勻的，當(dāng)受到荷載作用時(shí)，分散荷載也比較均勻；而乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面中，最大碎石“頂天立地”，其間隙填充懸浮密實(shí)型瀝青混合料，最大碎石是荷載的主要承受者和傳遞者，懸浮密實(shí)型瀝青混合料輔助承受和傳遞荷載，當(dāng)受到荷載作用時(shí)，分散荷載比較不均勻。

6. 結(jié)束語

三種典型的瀝青路面強(qiáng)度形成的機(jī)理符合表面理論和膠漿理論，其表現(xiàn)出粘彈塑性體，抗剪強(qiáng)度都可以用莫爾-庫侖理論表征；而乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面強(qiáng)度形成的機(jī)理明顯與表面理論和膠漿理論不符，其表現(xiàn)為接近彈性體，抗剪強(qiáng)度不能用莫爾-庫侖理論表征，適合運(yùn)用虎克理論表征。

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[基金項(xiàng)目]2015 年度第一批河南省交通運(yùn)輸科技計(jì)劃項(xiàng)目（J03）：乳化瀝青稀漿混合料貫入式瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)研究。

[文章編號]1619-2737（2015）08-18-750

[作者簡介] 楊明艷（1969-），男，學(xué)歷：本科，籍貫：河南魯山縣人，職稱：高級工程師，研究方向：路橋工程