乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料室內(nèi)加速模擬養(yǎng)生條件

李思童，何志敏，蔡碩果，黃玉穎，馮曉萍

1. 北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044

2. 北京首發(fā)公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，北京 102600

3. 北京特希達(dá)交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，北京 100071

4. 北京順通公路交通工程技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，北京 100052

0 引 言

冷拌瀝青混合料是指能夠在常溫下施工的瀝青混合料，它具有節(jié)約能源、便于儲(chǔ)存運(yùn)輸、延長(zhǎng)施工季節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。冷拌瀝青混合料不同于熱拌瀝青混合料，其強(qiáng)度的形成需要養(yǎng)生過程，因此學(xué)者們對(duì)冷拌瀝青混合料的養(yǎng)生條件進(jìn)行了研究。丁成志對(duì)影響混合料馬歇爾穩(wěn)定度的瀝青養(yǎng)生條件和水泥摻量進(jìn)行研究，并由正交試驗(yàn)法得到最佳試驗(yàn)條件為采用2.5%水泥量、擊實(shí)100次、60 ℃養(yǎng)護(hù)2 h后擊實(shí)25次[1]。張俊等學(xué)者對(duì)乳化瀝青冷補(bǔ)料馬歇爾試件的成型、養(yǎng)生和試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：乳化瀝青冷補(bǔ)料馬歇爾試件在60 ℃烘箱中養(yǎng)生48 h后二次擊實(shí)，符合冷補(bǔ)路面的實(shí)際情況，在40 ℃水浴條件下進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，其結(jié)果接近熱瀝青對(duì)比試件的試驗(yàn)結(jié)果[2]。王宏等學(xué)者揭示了養(yǎng)生方式對(duì)乳化瀝青冷再生混合料細(xì)微觀空隙分布特征的影響機(jī)理，推薦采用半封閉40 ℃養(yǎng)生作為乳化瀝青冷再生混合料的室內(nèi)加速養(yǎng)生條件[3-4]。何東坡等學(xué)者通過正交試驗(yàn)對(duì)不同養(yǎng)生條件和擊實(shí)次數(shù)下的瀝青混合料性能進(jìn)行試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)要使混合料的各項(xiàng)性能居于最佳，應(yīng)在試件成型后12~15 h進(jìn)行二次擊實(shí)，擊實(shí)次數(shù)為15次，養(yǎng)生溫度為60 ℃[5]。Rhode Island的Lee博士對(duì)冷再生的乳化瀝青混合料進(jìn)行了蠕變和間接拉伸試驗(yàn)，推薦以養(yǎng)生6 h和24 h模擬短期和長(zhǎng)期的固化時(shí)間，采用60 ℃和25 ℃的溫度分別代表夏季典型路面的高溫和低溫條件[6]。Sebaaly等學(xué)者采用彈性模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用25 ℃下養(yǎng)生15 h作為初始固化條件；在60 ℃下養(yǎng)生3 d作為最終固化條件；在60 ℃下養(yǎng)生30 d作為最終的養(yǎng)生條件[7]。在以往的研究中，將冷拌瀝青混合料作為冷補(bǔ)料或者在冷再生工藝中使用，對(duì)用于公路面層的冷拌瀝青混合料的養(yǎng)生條件研究較少。在選取養(yǎng)生條件時(shí)，尤其是在養(yǎng)生溫度的設(shè)定和每個(gè)養(yǎng)生溫度對(duì)應(yīng)養(yǎng)生時(shí)間的選取時(shí)，并沒有足夠的依據(jù)[8]。本文以特制SBS改性乳化瀝青為結(jié)合料，采用水泥為添加劑，開發(fā)一種新型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，用于重載交通的上面層。綜合考慮室內(nèi)養(yǎng)生條件對(duì)乳化瀝青混合料低溫性能、高溫性能、水穩(wěn)定性及試件強(qiáng)度等因素的影響，確定適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)養(yǎng)生溫度和時(shí)間，從而較好地模擬室外自然養(yǎng)生。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

為了滿足路面層的要求，本文采用符合要求的高標(biāo)準(zhǔn)SBS改性乳化瀝青，性能參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)SHRP計(jì)劃溫度公式計(jì)算出北京所在地區(qū)的最高地面溫度為60℃左右。中國(guó)現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中對(duì)冷拌混合料的養(yǎng)生溫度規(guī)定為110 ℃。分別選取60 ℃、110 ℃以及兩者的中值90 ℃作為室內(nèi)烘箱養(yǎng)生溫度，對(duì)試件進(jìn)行不脫模、半封閉的養(yǎng)生處理。

為了研究溫度對(duì)試件性能的影響及室內(nèi)養(yǎng)生試件性能與室外養(yǎng)生的差異性，必須控制養(yǎng)生時(shí)長(zhǎng)這一變量。為此，本文所選用的養(yǎng)生時(shí)間為乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的強(qiáng)度和質(zhì)量趨于平緩的時(shí)間。此時(shí)，溫度是影響乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的惟一變量。

通過方差和差值分析，對(duì)乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料試件在不同養(yǎng)生溫度下的性能進(jìn)行測(cè)試，確定了室內(nèi)模擬條件下最適宜的室內(nèi)加速養(yǎng)護(hù)條件[9-11]。單因素方差分析的方法判斷60 ℃、90 ℃、110 ℃和室外養(yǎng)生之間是否存在差異。如果在性能上沒有顯著差異，且差值分析結(jié)果在可接受誤差范圍內(nèi)，即差值小于8%，則該養(yǎng)生條件為推薦的最佳養(yǎng)生條件。

1.3 乳化瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)

本文選取AC-13型瀝青混合料作為研究對(duì)象，混合料合成級(jí)配見表2。

根據(jù)最佳流體量經(jīng)驗(yàn)公式得出AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的乳化瀝青用量為8%，隨后通過試拌法確定水的用量為2%?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，在常溫拌合瀝青混合料中加入少量水泥能提高混合料強(qiáng)度，因而本研究中摻入1%的水泥作為添加劑。

2 養(yǎng)生條件的選取

養(yǎng)生條件主要由2部分組成：一部分是養(yǎng)生溫度，一部分是養(yǎng)生時(shí)間。養(yǎng)生時(shí)間與養(yǎng)生溫度相關(guān)，本文選取60 ℃、90 ℃和110 ℃作為養(yǎng)生溫度，隨后通過質(zhì)量和強(qiáng)度的變化確定養(yǎng)生時(shí)間。

2.1 室外養(yǎng)生

在室外進(jìn)行自然養(yǎng)生的混合料試件的質(zhì)量變化如圖1所示，強(qiáng)度變化如圖2所示。

在研究過程中，為了減小試驗(yàn)誤差，采取平行試驗(yàn)的方法，即每組4個(gè)馬歇爾試件，每天對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，從而發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量變化規(guī)律。由圖1可知，AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的質(zhì)量變化主要集中在前7 d。7 d后，質(zhì)量變化趨于平緩。氣溫逐漸變化，混合料試件每天蒸發(fā)的水量也有所變化。隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，水量的蒸發(fā)越來越少，失水率逐漸減少[12-14]。最終可以計(jì)算得到AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的室外養(yǎng)生失水率為91.07%。

表1 改性乳化瀝青性能參數(shù)

表2 AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料級(jí)配

圖1 AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的質(zhì)量變化

圖2 AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的強(qiáng)度變化

圖3 AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料烘箱養(yǎng)生的質(zhì)量變化

乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的強(qiáng)度形成需要一定的齡期，在第7 d時(shí)，其強(qiáng)度可以達(dá)到10 MPa以上，失水率達(dá)85%以上，滿足規(guī)范要求。因此將7 d作為室外養(yǎng)生的最佳時(shí)間。

2.2 烘箱養(yǎng)生

采用60 ℃烘箱養(yǎng)生時(shí)，AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的質(zhì)量變化如圖3所示。通過圖3可以明顯的看到：前24 h內(nèi)試件質(zhì)量變化較大，減少48 g，占總減少質(zhì)量的94.1%；在24~48 h時(shí)試件質(zhì)量變化較??；而在48~72 h時(shí)試件質(zhì)量沒有明顯變化。當(dāng)其養(yǎng)生48 h后強(qiáng)度為8.3 MPa，達(dá)到規(guī)范要求。因此60 ℃的最佳養(yǎng)生時(shí)間為48 h。

在采用90 ℃烘箱養(yǎng)生時(shí)，試件質(zhì)量的變化主要集中在前24 h內(nèi)，質(zhì)量共減少54 g，失水率已經(jīng)達(dá)到了96.43%。在此之后，混合料的質(zhì)量基本沒有明顯變化。試件強(qiáng)度在第24 h已經(jīng)達(dá)到了14.1 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求的8 MPa。因此90 ℃的最佳養(yǎng)生時(shí)間為24 h。

在采用110 ℃烘箱養(yǎng)生時(shí)，AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的質(zhì)量在24 h后變化不明顯，24 h失水率達(dá)到98.21%。因此110 ℃的最佳養(yǎng)生時(shí)間為28 h。

3 試驗(yàn)結(jié)果

AC-13乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料分別在60 ℃、90℃、110 ℃烘箱中養(yǎng)生后的路用性能對(duì)比見表3。

由表3可以看出，混合料110 ℃烘箱養(yǎng)生24 h的動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度均好于90 ℃烘箱養(yǎng)生24 h，但是強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均弱于90 ℃烘箱養(yǎng)生24 h。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 分析思路

為討論養(yǎng)生溫度對(duì)于試件性能的影響，及烘箱養(yǎng)生結(jié)果與室外養(yǎng)生的差異性，本文采用單因素方差分析的方法。應(yīng)注意的是，方差分析應(yīng)滿足3個(gè)假設(shè)條件，因此在單因素方差分析前需進(jìn)行方差分析的假設(shè)驗(yàn)證分析。對(duì)各性能指標(biāo)做描述性統(tǒng)計(jì)與分析，了解數(shù)據(jù)的大致分布，再進(jìn)行方差假設(shè)驗(yàn)證，最后進(jìn)行單因素方差分析[15-18]。

4.2 描述性統(tǒng)計(jì)與分析

本文采用spss22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其過程為“分析—描述統(tǒng)計(jì)—描述”，選擇5個(gè)性能指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表4。

描述性統(tǒng)計(jì)可以通過均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值、SK、K等來描述數(shù)據(jù)的離散趨勢(shì)、集中趨勢(shì)和分布形狀，初步呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布狀況。其中SK為偏度，當(dāng)SK的值大于0，分布右偏；SK的值小于0，分布左偏。K為風(fēng)度指標(biāo)，反應(yīng)分布的尖聳程度，K的值大于0為尖峰，K的值小于0為平峰。

4.3 方差分析假設(shè)驗(yàn)證

為了確定各變量數(shù)據(jù)的正態(tài)分布情況，選用Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)（S-W檢驗(yàn)）。由于S-W檢驗(yàn)更適合做小樣本量的正態(tài)分布性檢驗(yàn)，考慮到人力資源的局限性，本文每種性能檢測(cè)的平行試驗(yàn)有4組，故選擇S-W檢驗(yàn)更為合理。在spss22.0中，經(jīng)過“分析—描述性—探索”整理后便可得出表5。S-W檢驗(yàn)的原假設(shè)為服從正態(tài)分布。當(dāng)假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)P值大于0.05時(shí)，則無法拒絕原假設(shè)，可認(rèn)為其分布服從正態(tài)分布。

在計(jì)算結(jié)果中，每個(gè)P值均大于0.05，則說明每個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)樣本均來自正態(tài)分布總體，均滿足單因素方差分析的第一個(gè)假設(shè)，可以繼續(xù)分析。

4.4 因素方差分析

方差分析是以自變量為分類變量、因變量為連續(xù)型變量的一種回歸分析方法，主要通過分析差異的來源從而比較不同水平下的差異，最終得出因素對(duì)因變量是否有影響的結(jié)論。

4.4.1 ANOVA方差分析

表6為ANOVA方差分析結(jié)果。由表6可知，溫度對(duì)于穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲均有顯著性影響。

4.4.2 多重比較分析

由方差分析得出顯著性的結(jié)果后，需要進(jìn)一步探究各水平之間的差異，從而明確這種顯著性差異的來源。由于穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲4個(gè)變量滿足方差分析的假設(shè)條件，因此對(duì)于多重比較可以直接選擇LSD檢驗(yàn)，而凍融劈裂強(qiáng)度比不滿足方差分析的假設(shè)條件，需用unnett T3檢驗(yàn)來比較不同溫度下性能指標(biāo)的差異。

表7是LSD檢驗(yàn)的結(jié)果。在表7中，對(duì)于穩(wěn)定度，在5%的顯著性水平下烘箱60 ℃和室外有顯著性差異，烘箱90 ℃、110 ℃和室外均無顯著性差異；對(duì)于殘留穩(wěn)定度，在5%的顯著性水平下60 ℃和室外有顯著性差異，90 ℃、110 ℃和室外均無顯著性差異；對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外有顯著性差異；對(duì)于低溫彎曲應(yīng)變，60 ℃和室外沒有顯著性差異，90 ℃、110 ℃和室外有顯著性差異。

表3 AC-13型乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料路用性能

表4 描述性統(tǒng)計(jì)

表5 Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)

表8是凍融劈裂強(qiáng)度比的多重比較結(jié)果，采用的是Dunnett T3檢驗(yàn)。從表8可以看出：不同的養(yǎng)生方式兩兩比較下，凍融劈裂指標(biāo)均無顯著性差異。這一方面說明了凍融劈裂強(qiáng)度比這個(gè)性能指標(biāo)幾乎不受溫度影響，另一方面說明對(duì)凍融劈裂這個(gè)指標(biāo)而言，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外無顯著性差異。

4.5 分析總結(jié)

經(jīng)過上面的分析，得出以下結(jié)論。

（1）溫度會(huì)影響試件穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變4個(gè)性能指標(biāo)，但對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比沒有顯著性影響。

（2）對(duì)不同指標(biāo)而言，不同養(yǎng)生溫度對(duì)乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的各項(xiàng)性能的影響有所不同。

（3）對(duì)于乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度，60℃和室外有顯著性差異；90 ℃、110℃和室外養(yǎng)生均無顯著性差異；對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外有顯著性差異；對(duì)于低溫彎曲應(yīng)變，60 ℃和室外沒有顯著性差異，90 ℃、110 ℃和室外有顯著性差異。

（4）對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度和低溫彎曲應(yīng)變來說，雖然90 ℃與室外養(yǎng)生存在差異，但是差值分析結(jié)果小于8%，所以90 ℃養(yǎng)生24 h是最佳模擬室外養(yǎng)生的條件。

5 差值分析

由于方差分析并未給出更加貼近室外養(yǎng)生的溫度，隨即進(jìn)行差值分析，分析結(jié)果如表9所示。

表6 ANOVA方差分析

表7 多重比較-LSD檢驗(yàn)

表8 凍融劈裂強(qiáng)度比的多重比較Dunnett T3檢驗(yàn)

由穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度分析結(jié)果可以得出：60 ℃養(yǎng)生48 h和室外自然養(yǎng)生有顯著性差異，90 ℃、110 ℃和室外均無顯著性差異；對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度，60 ℃、90 ℃、110 ℃均和室外均有顯著性差異，但其差異均小于8%；對(duì)于低溫彎曲應(yīng)變，60 ℃和室外自然養(yǎng)生沒有顯著性差異，90 ℃、110 ℃和室外有顯著性差異，但90 ℃與室外養(yǎng)生的差值分析小于8%。綜合上述結(jié)果，考慮選取90 ℃養(yǎng)生24 h作為室內(nèi)加速養(yǎng)生的最佳條件。

表9 AC-13型乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料烘箱養(yǎng)生與室外養(yǎng)生差值分析

6 結(jié)語

本文通過對(duì)室外自然養(yǎng)生和室內(nèi)養(yǎng)生的混合料進(jìn)行路用性能測(cè)試，分析室內(nèi)加速養(yǎng)生及室外自然養(yǎng)生之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論。

（1）通過對(duì)不同養(yǎng)生方式下質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線以及強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行分析，得出不同養(yǎng)生溫度下的養(yǎng)生時(shí)間為：自然養(yǎng)生（包括室內(nèi)和室外自然養(yǎng)生）需7 d；60 ℃烘箱養(yǎng)生需48 h； 90 ℃烘箱養(yǎng)生需24 h；110 ℃烘箱養(yǎng)生需24 h。

（2）乳化型冷拌冷鋪瀝青混合料的室內(nèi)室外養(yǎng)生結(jié)果顯示，其路用性能均達(dá)到熱拌改性瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）對(duì)于低溫彎曲應(yīng)變和動(dòng)穩(wěn)定度，雖然90 ℃烘箱養(yǎng)生與室外自然養(yǎng)生存在差異，但差異小于8%。因此，選取90 ℃養(yǎng)生24 h作為模擬室外養(yǎng)生的室內(nèi)加速養(yǎng)生的最佳條件。

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