MOH材料最佳攪拌時間的試驗研究

徐世林+焦生杰+閆玉奎+陳小雪

0 引言

MOH材料有著優(yōu)良的路用性能，不僅能夠滿足高速公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的需要，而且與熱拌瀝青混凝土路面施工相比，其常溫施工特性可節(jié)約大量能源，減少環(huán)境污染，符合《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》對能源和環(huán)境保護(hù)主題的要求[1]。MOH材料與常規(guī)的瀝青混合料不同，攪拌時間的長短直接影響性能：攪拌時間過短，會因為攪拌不均勻?qū)е禄旌狭峡障堵首兓艽螅旌狭系膭哦?、拉伸?qiáng)度和疲勞壽命下降[2]；攪拌時間過長，會導(dǎo)致乳化瀝青過早破乳，破乳過早的乳化瀝青在混合料中將選擇性地黏附集料中的細(xì)料，形成瑪蹄脂膠團(tuán)，最終使混合料產(chǎn)生離析，嚴(yán)重影響MOH材料的性能[3-6]。

目前，有很多學(xué)者對MOH材料進(jìn)行了研究。長安大學(xué)的沙愛民教授對水泥乳化瀝青混合料膠漿-集料界面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探討了水泥在MOH材料界面的功能，通過界面微觀結(jié)構(gòu)全面預(yù)測和改善MOH材料宏觀路用性能[7]。同濟(jì)大學(xué)的周海生等人對乳化瀝青混合料過早破乳的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，從溫度、攪拌強(qiáng)度、拌和水3個方面討論了乳化瀝青混合料過早破乳的現(xiàn)象，認(rèn)為溫度和拌和水是影響破乳的最主要因素[8]。學(xué)者疏學(xué)萍對有機(jī)水硬性復(fù)合材料處治橋頭跳車的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，指出在實際應(yīng)用時首先要了解材料的特性，并對工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以有效減少橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生[9]。本文著重分析攪拌時間對MOH材料特性的影響，通過試拌確定最佳的攪拌時間；并通過對MOH材料的性能試驗研究，由試件的空隙率和抗壓強(qiáng)度2個指標(biāo)綜合評價攪拌時間對MOH材料特性的影響，從而確定MOH材料的最佳攪拌時間，對新型MOH材料攪拌裝置與攤鋪設(shè)備的設(shè)計具有參考價值。

1 MOH材料形成機(jī)理與特性

MOH材料也稱水泥乳化瀝青復(fù)合水硬性材料，是由水泥、乳化瀝青和水等材料組成的，在與集料結(jié)合后形成了一種新型路面材料。MOH材料中各成分的關(guān)系如圖1所示，混合料中的水泥與瀝青產(chǎn)生物理和化學(xué)的吸附作用形成凝結(jié)力，這種凝結(jié)力與混合料中瀝青本身的黏聚力共同組成復(fù)合力，構(gòu)成了混合料的強(qiáng)度[10-12]。水泥水化反應(yīng)與乳化瀝青破乳形成瀝青膜黏附集料的2個過程同時進(jìn)行，因而水化物與瀝青膜既相互獨立又相互滲透地交織在一起，水泥水化產(chǎn)物間的相互連接將瀝青與礦粉完全包裹，增強(qiáng)了MOH材料的整體穩(wěn)定性[13]。水化產(chǎn)物在礦粉與瀝青薄膜間、瀝青薄膜與瀝青薄膜間、礦粉與礦粉間起到了“加筋”的作用；最終，水化產(chǎn)物與瀝青膜、礦粉相互交織，形成了一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并裹覆在集料周圍，將集料緊密結(jié)合在一起。MOH材料的電鏡掃描圖如圖2所示。乳化瀝青在破乳后具有較強(qiáng)的黏結(jié)力，水泥在水化結(jié)晶后會釋放大量的熱量，加快了乳化瀝青在吸熱后破乳的速度，強(qiáng)度形成的時間大大縮短。水泥在混合料強(qiáng)度形成過程中除了發(fā)揮黏結(jié)作用，還能改善混合料的結(jié)構(gòu)。水泥在MOH材料強(qiáng)度形成過程中的主要表現(xiàn)有以下2個方面。

（1）水泥水化反應(yīng)能夠吸收乳化瀝青中的部分水分，加速乳化瀝青破乳，水化反應(yīng)放出的熱量能加快破乳后水分的蒸發(fā)，水泥水化反應(yīng)生成擴(kuò)散的纖維狀物質(zhì)，能夠填充混合料中水分蒸發(fā)后產(chǎn)生的空隙，從而促成MOH材料早期強(qiáng)度的形成，能起到增強(qiáng)MOH材料高溫穩(wěn)定性的作用。水化產(chǎn)物則能有效填充混合料中空隙，使其變得更加密實，從而增強(qiáng)MOH材料的水穩(wěn)定性[14-15]。

（2）未能充分水化的水泥在MOH材料中充當(dāng)活性礦粉的作用，由于水泥具有表面積大、吸附力強(qiáng)的特性，在混合料中能與瀝青發(fā)生化學(xué)的吸附作用，形成一層能夠提高集料與瀝青黏結(jié)作用的力學(xué)薄膜，提高M(jìn)OH材料的強(qiáng)度。

MOH材料具有剛?cè)岵?jì)的特性，既具有瀝青混凝土的柔性，也具有水泥混凝土的剛性，在低溫下抗裂性比較強(qiáng)，而在高溫的環(huán)境下也不容易出現(xiàn)變形。MOH材料的優(yōu)異性能主要是依靠有機(jī)材料和水硬性材料功能的復(fù)合（圖3），全面提高了材料抗高溫、抗低溫、抗水損及抗疲勞性能，能較大程度地滿足不同氣候及地理條件的公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)工程[16]。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 試驗用原材料

MOH材料級配類型采用AC-13，級配組成如圖4所示，外加乳化瀝青、水泥、水和纖維。

2.2 試驗設(shè)計

MOH材料攪拌時間的長短直接影響著MOH材料的性能，從而影響施工的作業(yè)質(zhì)量[17-18]，另外，攪拌時間也影響著生產(chǎn)率，攪拌時間過長會降低施工效率，提高生產(chǎn)成本。因此，研究MOH材料的最佳攪拌時間具有重要意義。最佳的攪拌時間通過實驗室試拌來確定。由于MOH材料的破乳情況受環(huán)境溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的影響較大，因此，本次試驗控制溫度為常溫25 ℃，轉(zhuǎn)速定為350 r·min-1。將實驗室溫度設(shè)置為25 ℃，用測溫槍測試試驗材料溫度，如果溫度低于25 ℃，應(yīng)將試驗材料放入烘箱加熱到25 ℃。乳化瀝青與集料混和攪拌前，需要將干燥的集料加水拌和，如果將乳液與集料直接拌和，干燥的集料表面需要水的潤濕，這樣乳液中部分水分將被石料吸收，從而打破了乳液中水與乳之間的溶解平衡，促使乳液中瀝青的凝聚析出，導(dǎo)致過早破乳。考慮MOH材料攤鋪機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)率，MOH材料的攪拌時間不宜過長，試驗拌和順序為[19]：先將集料和水泥干拌，然后加水拌和，再加入乳化瀝青濕拌，濕拌時間設(shè)計為5、10、15、20 s。拌和后的混合料裝入試模，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀壓實200次成型。每個攪拌時間下做3個平行試件，以減少誤差，共12個試件。

2.3 試驗儀器

試驗用儀器如圖5、6所示，設(shè)計了MOH材料攤鋪機(jī)攪拌器的樣機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀模擬攤鋪后的壓路機(jī)壓實過程。

3 試驗結(jié)果與分析

通過攪拌器樣機(jī)拌和好的混合料如圖7所示，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀壓實200次成型后，放入60 ℃烘箱，48 h后取芯，每個攪拌時間下做3個平行試件，試件如圖8所示。將每個攪拌時間下3個試件的孔隙率和抗壓強(qiáng)度取平均值，以減少試驗誤差。

3.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），采用單軸壓縮試驗[20]進(jìn)行瀝青混合料的力學(xué)性能評價。

將試件放入20 ℃的水養(yǎng)箱養(yǎng)護(hù)2 h后，采用壓力機(jī)對每個攪拌時間下的3個平行試件進(jìn)行試驗，得到抗壓強(qiáng)度結(jié)果，取平均值作為該攪拌時間下的抗壓強(qiáng)度值，其與攪拌時間的關(guān)系如圖9所示。

從圖9可知，隨著攪拌時間的增加，試件的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，原因在于：隨著攪拌時間的增加，混合料攪拌愈加均勻，壓實后的密實度越高，抗壓強(qiáng)度會增大；但攪拌時間增加到一定值后，混合料已攪拌均勻，且乳化瀝青破乳與水泥水化形成了一定的空間結(jié)構(gòu)，此時再增加攪拌時間會打散并破壞這種結(jié)構(gòu)，從而使壓實后的密實度降低，抗壓強(qiáng)度變小，而且攪拌時間過長會使得乳化瀝青過早破乳，破乳過早的乳化瀝青在混合料中選擇性地黏附集料中的細(xì)料，形成瑪蹄脂膠團(tuán)，最終使混合料產(chǎn)生離析，從而使壓實后的試件強(qiáng)度降低。當(dāng)攪拌時間為15 s時，試件的抗壓強(qiáng)度最大。

抗壓強(qiáng)度的離散性分析結(jié)果如表1所示。由表1可知：抗壓強(qiáng)度結(jié)果的方差較小，表明數(shù)據(jù)的離散性小，可靠程度高。

3.2 空隙率

空隙率是指在壓實狀態(tài)下瀝青混合料內(nèi)部空隙所占的體積與瀝青混合料總體積的比值，是評價瀝青混合料密實程度的指標(biāo)，影響著混合料的穩(wěn)定性和耐久性?？障堵蔬^低會因塑性流動而引發(fā)路面車轍，空隙率過大則透水性增大，路面強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，疲勞壽命降低[21-22]。

將試件放入25 ℃的水養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)10 min后，通過水中重法和表干法測出試件的水中質(zhì)量、表干質(zhì)量，計算試件的毛體積密度，再除以MOH材料的最大理論密度，從而算出其空隙率[23-25]。將每個攪拌時間下的3個平行試件的空隙率結(jié)果取平均值，作為該攪拌時間下試件的空隙率，試件的空隙率與攪拌時間的關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知：試件的空隙率在6%～7%，冷拌瀝青混合料的空隙率最大不得超過11%，所得試件的空隙率滿足冷拌瀝青混合料的空隙率要求。且隨著攪拌時間的增加，空隙率先減小再增大。原因在于隨著攪拌時間的增加，混合料攪拌得越均勻，壓實后的密實度越高，空隙率會降低，但攪拌時間增加到一定值后，混合料已攪拌均勻，且乳化瀝青破乳與水泥水化后形成了一定的空間結(jié)構(gòu)，此時再增加攪拌時間會打散并破壞這種結(jié)構(gòu)，從而使壓實后的密實度降低，空隙率變大。攪拌時間為15 s的時候，試件的空隙率最小。

空隙率的離散性分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：空隙率結(jié)果的方差較小，表明數(shù)據(jù)的離散性小，可靠程度高。

由試驗結(jié)果可知，試件的抗壓強(qiáng)度與空隙率之間有一定聯(lián)系，試件的抗壓強(qiáng)度隨著空隙率的降低而增大，隨著空隙率的增大而減小。

4 結(jié)語

本文是在溫度為25 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為350 r·min-1時，通過改變攪拌時間來進(jìn)行的MOH材料試驗，得出以下結(jié)論。

（1）冷拌瀝青混合料的空隙率要求不得超過11%，通過試驗結(jié)果可知，MOH材料試件的空隙率在6%～7%， 滿足冷拌瀝青混合料的空隙率要求。

（2）通過分析試件空隙率和抗壓強(qiáng)度的結(jié)果可知，隨著攪拌時間的增加，試件的空隙率先減小后增大，試件的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，抗壓強(qiáng)度均值為2.2125 MPa，空隙率均值為6.71%，攪拌時間為15 s時，試件的空隙率最小，抗壓強(qiáng)度最大。

（3）分析試驗結(jié)果可知，試件的抗壓強(qiáng)度與空隙率之間有一定內(nèi)在聯(lián)系，試件的抗壓強(qiáng)度隨著空隙率的降低而增大，隨著空隙率的增大而減小。

（4）結(jié)合抗壓強(qiáng)度和空隙率2個評價指標(biāo)， MOH材料在攪拌時間為15 s時，試件的力學(xué)性能最好，所以選定MOH材料的最佳攪拌時間為15 s，對新型MOH材料攪拌裝置與攤鋪設(shè)備的設(shè)計具有參考價值。

（5）這只是在一定拌和轉(zhuǎn)速（拌和均勻）、一定環(huán)境溫度條件下得出的結(jié)論，轉(zhuǎn)速和溫度對最佳攪拌時間的影響另文報告。

空隙率隨著攪拌時間的增加先減小后增大，抗壓強(qiáng)度隨著攪拌時間的增加先增大后減小，這一試驗結(jié)果經(jīng)多次驗證的確如此，具體原因與機(jī)理需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張晉奇.MOH材料攤鋪機(jī)螺旋分料器參數(shù)設(shè)計與仿真[D].西安：長安大學(xué)，2016.

[2] 吳文亮，李 智，王端宜，等.基于不同成型方法的瀝青混合料均勻性評價[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2011，28（4）：47-49.

[3] 姜 舒，孫劍波，張志宏.乳化瀝青混合料破乳條件的淺析[J].石油瀝青，2007，21（3）：28-31.

[4] 張良奇，馮忠緒，王衛(wèi)中.振動攪拌水泥乳化瀝青砂漿的試驗研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，36（5）：751-757.

[5] 劉永東.瀝青水泥砂漿振動攪拌的試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[6] 李云良，歐陽劍，王山山，等.水泥瀝青復(fù)合砂漿拌合物乳化瀝青破乳過程研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2015，36（7）：997-1000.

[7] 沙愛民，王振軍.水泥乳化瀝青混凝土膠漿-集料界面微觀結(jié)構(gòu)[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，28（4）：1-6.

[8] 姚德利，周海生.乳化瀝青混合料應(yīng)用過程中過早破乳的原因探討[J].新型建筑材料，2008，25（4）：80-82.

[9] 趙 靜.有機(jī)水硬性復(fù)合材料處治橋頭跳車關(guān)鍵技術(shù)[J].黑龍江科技信息，2015（32）：211.

[10] 肖 燕.乳化瀝青冷再生機(jī)理分析研究[J].四川水泥，2016（4）：299.

[11] 謝友均，曾曉輝，鄧德華，等.鐵路無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿力學(xué)性能[J].建筑材料學(xué)報，2010，13（4）：483-486.

[12] 王學(xué)信，沙愛民，胡力群，等.水泥乳化瀝青混凝土力學(xué)性能研究[J].公路交通科技，2005，22（11）：57-60.

[13] ZHANG Y， KONG X， HOU S etal. Study on the Rheological Properties Of Fresh Cement Asphalt Paste[J].Construction and Building Materials，2012，27（1）：534-544.

[14] 傅 強(qiáng)，鄭克仁，謝友均，等.水泥乳化瀝青砂漿孔體積的分形特征[J]. 硅酸鹽學(xué)報，2013，41（11）：1551-1557.

[15] 王振軍，李順勇.水泥乳化瀝青砂漿（CAM）的微觀結(jié)構(gòu)特征[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009，31（6）：23-26.

[16] 劉元德.水泥乳化瀝青砂漿的原料設(shè)計及性能研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化， 2013（19）：139-141.

[17] 向再勵.攪拌機(jī)設(shè)計和使用中主要參數(shù)的選取[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[18] 王曉勇，夏 龍.水泥乳化瀝青砂漿質(zhì)量問題的原因分析及預(yù)防[J]. 鐵道工程學(xué)報，2012，29（7）：57-61.

[19] 殷 川，曹 磊，趙 躍.水泥乳化瀝青穩(wěn)定基層應(yīng)用研究[J].國防交通與工程技術(shù)，2007，5（1）：19-22.

[20] RUTHERFORD T， WANG Z， SHU X， etal. Laboratory Investigation into Mechanical Properties of Cement Emulsified Asphalt Mortar[J]. Construction and Building Materials，2014，65（13）：76-83.

[21] 付向東，李愛民，狄升貫.基于空隙率的透水性瀝青路面配合比設(shè)計[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31（8）：53-56.

[22] 張晉奇.MOH材料攤鋪機(jī)螺旋布料器參數(shù)設(shè)計與仿真[D].西安：長安大學(xué)，2016.

[23] 何紅霞.河南省高速公路MOH材料處理橋頭跳車施工方法探討[J]. 公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2010（11）：99-102.

[24] 呂應(yīng)臣，朱清國，張紅春.MOH處治橋頭跳車施工技術(shù)研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2011，24（1）：98-100.

[25] 涂曉瑩.淺談橋頭跳車的預(yù)防及處理措施[J].中國高新技術(shù)企業(yè)， 2013（3）：75-76.