MOH材料碾壓時機的實驗室研究

齊彥秋+焦生杰+閆玉奎+陳小雪

0 引 言

中國路面的設(shè)計都是遵循嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)范，但是由于實際情況復(fù)雜多變，并且隨著通車量和通車年限的增長，許多路面在短期內(nèi)都出現(xiàn)了各種早期病害，柔性路面出現(xiàn)車轍、擁包、裂縫、坑槽、橋頭跳車等早期損壞，剛性路面出現(xiàn)斷板、錯臺、裂縫、板角斷裂等早期病害，除去設(shè)計、施工、管理等因素，更與路面材料本身的性能有直接關(guān)系，因此新型耐久路面材料的研發(fā)對于提升路面性能、延長路面使用壽命至關(guān)重要。本文研究的水泥乳化瀝青復(fù)合水硬性材料（簡稱MOH材料）是一種常溫拌和、常溫攤鋪、常溫碾壓的新型路面材料，能較大程度滿足不同氣候及地理條件的公路建設(shè)和養(yǎng)護工程的需要[1-3]。該材料是將有機結(jié)合料（試驗用乳化瀝青）和水硬性材料（試驗用水泥）2種黏結(jié)材料進行二元功能或結(jié)構(gòu)復(fù)合，使復(fù)合材料的性能介于柔性和剛性之間，剛?cè)岵?，取兩者之長，棄兩者之短，提升材料的整體性能，達到減少路面早期破壞、降低路面養(yǎng)護費用的目的。相比于熱拌瀝青混凝土，MOH材料的生產(chǎn)制備不但不需要依賴控制復(fù)雜且耗能巨大的熱拌瀝青混凝土拌和站，也不會像傳統(tǒng)的熱拌瀝青混凝土那樣，在制備和施工過程中產(chǎn)生揚塵、多環(huán)芳香烴（多環(huán)芳烴）和其他污染物，對人體健康造成傷害。它的生產(chǎn)制備只需要滿足物料精準(zhǔn)配送和均勻拌和條件，而且在生產(chǎn)過程中用水泥代替了一部分瀝青結(jié)合料，可以降低瀝青用量，節(jié)約能源，減少污染，具有顯著的社會、經(jīng)濟效益。同時，MOH材料已經(jīng)在公路路面養(yǎng)護工程中得到較為廣泛的應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的施工性能。MOH材料作為一種冷拌混合料，在特殊的水相物質(zhì)條件下具有良好的施工和易性[4-6]。材料轉(zhuǎn)運過程無須保溫，可調(diào)節(jié)的初凝期與良好的和易性為路面攤鋪創(chuàng)造了寬松的施工條件和質(zhì)量控制條件。MOH材料通過變換有機及水硬性材料的用量可以表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，用于不同的施工場合和層位，如橋頭跳車、坑槽修補、微表處罩面、車轍修復(fù)和稀漿封層等，尤其在處理橋頭跳車問題上技術(shù)成熟，該技術(shù)是一種高科技路面養(yǎng)護新工藝[7-9]。采用MOH材料處治橋頭跳車的具體工藝為：先測量原路面高程，結(jié)合測量數(shù)據(jù)確定橋頭沉陷段的具體位置，然后針對沉陷部位采用分層攤鋪的方法進行填充，直至與原設(shè)計路面找平為止，然后再對沉陷部位進行整體罩面。

由于MOH材料具有良好的施工性能和優(yōu)良的社會、經(jīng)濟效益，逐漸成為國內(nèi)外路面材料研究的熱點。美國從20世紀(jì)60年代起對MOH材料進行研究，此后日本、英國、澳大利亞、南非等國家也對此進行了研究。Baomy從混凝土的成型工藝出發(fā)采用裹漿集料制備水泥乳化瀝青混凝土，以提高水泥乳化瀝青混凝土的剛度和強度；Ming-Feng Kuo[10]研究了新拌水泥瀝青膠漿的和易性；G. Li[11]和 Tyler Rutherford[12]分別通過試驗研究了新拌水泥瀝青膠漿的力學(xué)性能；Jun Fu[13]對水泥乳化瀝青膠漿進行了微觀結(jié)構(gòu)研究。國內(nèi)也有一些研究人員致力于MOH材料的研究，2000年張思源[14]研究了水泥乳化瀝青混凝土的配合比設(shè)計；同濟大學(xué)的高英[15]、長安大學(xué)的袁文豪[16]先后對水泥乳化瀝青混凝土的配比和路用性能做了研究，并對強度形成的機理做了解釋；葉青[17]從乳化瀝青破乳成膜機理出發(fā)，提出了水泥乳化瀝青漿體硬化空間結(jié)構(gòu)理想模型，并基于瀝青膜厚度的性能設(shè)計理念，通過電阻率的測試結(jié)果對水化進程進行了描述；歐陽劍[18]對水泥瀝青混凝土膠漿的流變性能進行了研究；謝永江[19]探討了溫度對水泥乳化瀝青砂漿韌性的影響。但在已有的研究成果中除了許建兵[20]提出了關(guān)于水泥乳化瀝青混合料的施工技術(shù)外，基本都是對水泥乳化瀝青復(fù)合材料本身性能的研究，且該套施工技術(shù)并未涉及到對MOH材料碾壓時機的研究。因此本文通過實驗室研究確定在一定拌和時間、一定環(huán)境溫度、一定拌和轉(zhuǎn)速下合理的碾壓時機范圍，為工程實踐提供依據(jù)。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗級配與原材料

集料級配是影響混合料性質(zhì)的重要因素，MOH材料級配類型采用AC-13，集料級配組成如表1所示，MOH材料的原材料為乳化瀝青、水泥、水、纖維、粗集料、細集料和礦粉。

1.2 試驗設(shè)計

道路施工過程中，碾壓效果直接影響著道路質(zhì)量的好壞，而碾壓時機是碾壓效果的重要影響因素，本文通過在實驗室試拌MOH 材料的研究方法來確定碾壓時機。因為MOH 材料的結(jié)果受試驗環(huán)境溫度、拌和時間及拌和轉(zhuǎn)速等多種因素影響[21-22]，所以參照課題組成員大量的實驗室研究結(jié)果，本次試驗的條件選定為：試驗溫度為25 ℃、攪拌時間為15 s、攪拌轉(zhuǎn)速為350 r·min-1。結(jié)合實際工程需要，試驗中配料5份，分別對應(yīng)時間0、10、20、30、40 min，每份材料可制備3個試件，共15個試件，但由于試驗過程中受旋轉(zhuǎn)壓實儀的限制，實際得到的等待時間為0、10、16、20、22、26、30、32、36、40、42、46、52 min共13種。試驗中采用的拌和順序為：先將集料和水泥干拌，然后加水?dāng)嚢瑁詈蠹尤肴榛癁r青拌和。拌和完成后，將MOH 材料裝模，先模擬攤鋪機壓實20次，使MOH材料達到一定的壓實度；再模擬壓路機壓實180次。不同組間的變量為等待時間。利用實驗室攪拌器模擬攤鋪機攪拌器，實現(xiàn)MOH材料的制備，利用旋轉(zhuǎn)壓實儀模擬攤鋪機和壓路機的整個壓實過程。

2 試驗結(jié)果與分析

攪拌器拌和好的混合料如圖1所示。裝模后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)壓實儀壓實成型后放入60 ℃的烘箱，烘干48 h后取出降溫，降溫后經(jīng)過取芯處理成型試件如圖2所示。成型試件在25 ℃水養(yǎng)箱中水養(yǎng)10 min后進行水中表干處理，通過計算可得試件的毛體積密度；再在20 ℃水養(yǎng)箱中水養(yǎng)2 h后對試件進行單軸壓縮試驗，可得到試件的抗壓強度峰值。

2.1 空隙率

空隙率是指塊狀材料中空隙體積占材料在自然狀態(tài)下總體積的百分比。

式中：VV為試件的空隙率（%）；γf為試件的毛體積密度，通常采用表干法測定； γt為MOH材料的理論最大相對密度。

空隙率是混合料最重要的體積特征參數(shù)，影響混合料的穩(wěn)定性和耐久性，空隙率過低，塑性流動會引發(fā)路面車轍；但空隙率過大，可能增加瀝青的氧化速率和老化程度，并使水分進入量增加，導(dǎo)致瀝青剝落，從而降低混合料的耐久性[23-24]。試驗過程中求得的試件空隙率結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：在溫度為25 ℃、攪拌時間為15 s，攪拌轉(zhuǎn)速為350 r·min-1的條件下，MOH材料的空隙率在6%～8%，滿足冷拌瀝青混合料“空隙率不超過11%”的要求；隨著等待時間的增加，空隙率近似呈現(xiàn)先增大再減小、之后保持不變、最后再增大的趨勢。原因在于：隨著等待時間的增加，乳化瀝青破乳和水泥水化的程度較好，復(fù)合材料形成一定的空間結(jié)構(gòu)，使得瀝青混合料的空隙率達到較低的值；但是當(dāng)?shù)却龝r間過長時，乳化瀝青破乳和水泥水化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，此時再進行壓實，多余的水分無法排出，水泥乳化瀝青混合料硬化，無法達到壓實效果，導(dǎo)致空隙率增大。

表2為空隙率試驗的離散性分析。由表2可知：等待時間選為16～36 min時，空隙率較總體均值小；且根據(jù)方差和離差系數(shù)可得空隙率值在該等待時間范圍內(nèi)波動較小，其中，等待時間為16 min時MOH材料的空隙率最小。

2.2 抗壓強度峰值

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），采用單軸壓縮試驗進行MOH材料的力學(xué)性能測試[25-26]，通過試驗得到試件的抗壓強度峰值，如圖4所示。

由圖4可知，隨著等待時間的增加，試件的抗壓強度近似呈現(xiàn)先增后減的趨勢。原因是：當(dāng)?shù)却龝r間過長時，壓實中瀝青混合料中的水分無法排出，乳化瀝青破乳和水泥水化形成的空間結(jié)構(gòu)被破壞，無法承受過高的壓力。

表3為抗壓強度離散性分析。由表3可得：當(dāng)?shù)却龝r間選為20～30 min時，試件的抗壓強度峰值均值較總體均值大，并且通過方差和離差系數(shù)分析可知在該范圍內(nèi)抗壓強度峰值的波動較小，其中當(dāng)?shù)却龝r間選為26 min時，抗壓強度最高。

3 結(jié)語

（1）MOH材料的空隙率在6%～8%，滿足冷拌瀝青混合料“空隙率不超過11%”的要求，等待時間選為16～36 min時，空隙率比較小，且空隙率值變化不大，等待時間為16 min時MOH材料的空隙率最小。

（2）隨著等待時間的增加，試件的抗壓強度近似呈先增后減的趨勢，當(dāng)?shù)却龝r間選為20～30 min時，試件的抗壓強度峰值比較大，且在26 min時，試件的抗壓強度峰值最大。

（3）綜合考慮2種指標(biāo)選定MOH材料在常溫下的碾壓時機范圍為20～30 min；當(dāng)?shù)却龝r間為26 min時，為最佳碾壓時機點。

（4）合理碾壓時機范圍在20～30 min內(nèi)，MOH材料空隙率的均值為7.23%，方差為0.171 112 098，離散系數(shù)為0.019 357 522；抗壓強度的均值為2.526 725 MPa，方差為0.001 722 157，離散系數(shù)為0.016 423 979。由這些數(shù)據(jù)可知，在該范圍內(nèi)MOH材料空隙率和抗壓強度的波動均很小，離散程度不高。

（5）本文只是在一定拌和時間（拌和均勻）、一定環(huán)境溫度條件和一定拌和轉(zhuǎn)速下得出的結(jié)論，環(huán)境溫度等其他因素對碾壓時機的影響還需要進一步研究。

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