冷拌超薄罩面瀝青混合料最佳級(jí)配和油石比的研究

王 富，姜 藝，錢俊懿

1.武漢工程大學(xué)交通研究中心，湖北 武漢 430074；

2.武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023

間斷級(jí)配和連續(xù)級(jí)配都適用于冷拌瀝青混合料，兩者對(duì)冷拌瀝青混合料的最大區(qū)別在于：采用間斷級(jí)配拌制的瀝青混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，黏結(jié)力雖較小但仍能滿足要求；采用連續(xù)級(jí)配拌制的瀝青混合料，可以避免發(fā)生離析現(xiàn)象，連續(xù)級(jí)配是集料更常用的級(jí)配，因此本研究試驗(yàn)的集料級(jí)配采用連續(xù)級(jí)配。各國(guó)對(duì)冷拌超薄罩面瀝青混合料級(jí)配均有不同程度的研究，其中日本在《簡(jiǎn)易鋪裝要綱》里收錄了大多數(shù)能與乳化瀝青拌合的集料級(jí)配，相比其他國(guó)家較為全面；美國(guó)、法國(guó)和西班牙對(duì)適用于冷拌瀝青的集料級(jí)配做了歸納［1-2］；中國(guó)主要在陽(yáng)離子瀝青混合料級(jí)配方面做了大量研究，并將其級(jí)配進(jìn)行歸類。根據(jù)國(guó)外的冷拌混合料級(jí)配范圍要求研究發(fā)現(xiàn)，密級(jí)配進(jìn)行熱拌和冷拌，其級(jí)配要求有所不同。這種情況在國(guó)內(nèi)的很多規(guī)范和手冊(cè)中也能體現(xiàn)，究其原因，乳化瀝青比瀝青多了個(gè)乳化的過(guò)程，雖然多了一個(gè)先將瀝青與水溶合再?gòu)乃蟹蛛x出來(lái)的過(guò)程，但乳化瀝青的實(shí)質(zhì)仍是瀝青。因此，兩者都是對(duì)骨料進(jìn)行粘結(jié)并形成一個(gè)整體，對(duì)骨料的要求相同。在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［3］中提到，部分級(jí)配既可以用于熱拌也可以用于乳化瀝青碎石混合料，但礦粉的含量對(duì)乳化瀝青的破乳時(shí)間有一定的影響。

冷拌超薄罩面瀝青混合料是集料與瀝青等其他材料拌合而成，其中瀝青的含量是影響其性質(zhì)的重要因素。當(dāng)拌合的瀝青含量較多時(shí)，在攤鋪過(guò)程中可能會(huì)出油，間接導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性降低［4-5］。當(dāng)拌合的瀝青含量較少時(shí)，混合料的膠結(jié)力不夠、骨料膠結(jié)不夠密實(shí)。因此對(duì)冷拌超薄罩面瀝青而言，最佳油石是最為重要的。

1 冷拌超薄罩面瀝青混合料礦料的最佳級(jí)配

在考慮冷拌超薄罩面瀝青混合料級(jí)配的同時(shí)，也要考慮該級(jí)配集料與乳化瀝青的反應(yīng)情況。因此，本試驗(yàn)選擇3種已用于超薄罩面的礦料級(jí)配Novachip Type B和SMA-10、UTAC-10，與筆者在文獻(xiàn)［6］中所研究的最適合冷拌超薄罩面瀝青混合料的潤(rùn)強(qiáng)300乳化瀝青進(jìn)行拌合，冷拌超薄罩面混凝土礦料級(jí)配如表1所示。本研究分別取Novachip Type B和SMA-10、UTAC-10級(jí)配的中限值。

表1 冷拌超薄罩面混凝土礦料級(jí)配表Tab.1 Ultra-thin overlay of cold of concrete aggregate gradation

1.1 原材料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)

1.1.1 乳化瀝青 筆者在文獻(xiàn)［6］中所研究的最適合冷拌超薄罩面瀝青混合料的潤(rùn)強(qiáng)300乳化瀝青。

1.1.2 集料 因集料占混合料質(zhì)量的90%以上，所以會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生重要影響。

1）本試驗(yàn)選取的粗集料為粒徑在2.36 mm～13.2 mm之間的碎石。

2）本試驗(yàn)選取的細(xì)集料為：粒徑在0.074 mm～2.36 mm之間，干凈、含泥量較小且較為堅(jiān)實(shí)的砂或石屑。細(xì)集料由于粒徑較小，主要填充粗集料的空隙。若細(xì)集料的含泥量較大，其表面的泥會(huì)與瀝青進(jìn)行混合，阻礙瀝青和集料的裹敷過(guò)程，只有加入更多的瀝青才能使其與集料再次進(jìn)行較好的裹敷，但該方法往往會(huì)增加拌合成本。細(xì)集料用于高等級(jí)路面時(shí)，規(guī)范要求砂當(dāng)量必須大于等于60%，若細(xì)集料用于其他等級(jí)路面時(shí)，則要求砂當(dāng)量可不低于50%。

3）礦粉。研究表明礦粉的加入會(huì)增加道路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度，因此，礦粉是混合料的重要成分。根據(jù)規(guī)范可知礦粉的親水系數(shù)需不大于1.0，并由基性巖石磨制而成。

分析眾多試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，使用堿性石料時(shí)，不僅可以提高冷拌瀝青混合料的強(qiáng)度還可以有效地減少骨料的剝離。因此，本試驗(yàn)選用的石料為輝綠巖，其試驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)指標(biāo)、技術(shù)要求如表2和表3所示。

1.2 瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，不同種類的乳化瀝青選用同一級(jí)配的混合料，拌合后的油石比大致相同［7］。因此，本實(shí)驗(yàn)將采用3種不同級(jí)配的混合料與同種潤(rùn)強(qiáng)300乳化瀝青拌合后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表2 輝綠巖粗集料的試驗(yàn)指標(biāo)與技術(shù)要求Tab.2 Experiment and technology index of diabase aggregate

表3 輝綠巖細(xì)集料的試驗(yàn)指標(biāo)與技術(shù)要求Tab.3 Experiment and technology index of diabase aggregate

表4 潤(rùn)強(qiáng)300乳化瀝青與SMA-10，Novachip Type B和UTAC-10級(jí)配拌合混合料標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Marshall test results of Runqiang 300 emulsified asphalt mixed with SMA-10，Novachip Type B and UTAC-10

由表4可知：潤(rùn)強(qiáng)300乳化瀝青分別與SMA-10級(jí)配、UTAC-10級(jí)配進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)的穩(wěn)定度最高達(dá)到12.96 kN，最低不低于9.02 kN；而Novachip Type B級(jí)配的馬歇爾試件穩(wěn)定度最高達(dá)到9.30 kN。Novachip Type B和UTAC-10有部分馬歇爾試件的流值較大且超過(guò)了規(guī)范要求。因此，在穩(wěn)定度方面SMA-10與UTAC-10級(jí)配的馬歇爾試件高于Novachip Type B級(jí)配的馬歇爾試件。

SMA-10級(jí)配的瀝青混合料最大空隙率為6.307%，較Novachip Type B與UTAC-10級(jí)配的瀝青混合料最小空隙率9.376%小32.7%。因此，SMA-10級(jí)配成型的馬歇爾試件的空隙率遠(yuǎn)低于Novachip Type B與UTAC-10級(jí)配成型的馬歇爾試件的空隙率。

綜上，SMA-10級(jí)配與乳化瀝青拌合的瀝青混合料的性能更好。

2 冷拌超薄罩面瀝青混合料最佳油石比的確定

為確定最佳石油比，本研究采用規(guī)范中要求的馬歇爾試驗(yàn)對(duì)SMA-10級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄混合料的相關(guān)指標(biāo)，分別繪制油石比與密度、穩(wěn)定度、空隙率、流值、礦料間隙率和飽和度之間關(guān)系的曲線，如圖1所示。有關(guān)文獻(xiàn)建議的技術(shù)指標(biāo)值［9-10］和試驗(yàn)技術(shù)要求、試驗(yàn)方法［8］如表5所示，本試驗(yàn)主要研究對(duì)象為冷拌瀝青混合料，而相關(guān)技術(shù)指標(biāo)主要是針對(duì)規(guī)范要求的熱拌瀝青混合料，所以需要對(duì)其中部分指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)放大的調(diào)整。

圖1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果：（a）密度和穩(wěn)定度隨油石比的變化曲線；（b）空隙率和流值隨油石比的變化曲線；（c）礦料間隙率和飽和度隨油石比的變化曲線Fig.1 Marshall test results：（a）Relation between bitumen aggregate ratio and density or stalility；（b）Relation between bitumen aggregate ratio and void fraction or flow value；（c）Relation between bitumen aggregate ratio and clearance fraction or degree of saturation of ore

表5 SMA-10混合料馬歇爾試驗(yàn)油石比設(shè)計(jì)要求Tab.5 Design requirements of SMA-10 mixture in Marshall tests

2.1 確定SMA-10級(jí)配混合料最佳油石比

由圖1可以看出，當(dāng)油石比為5.5%時(shí)，密度、穩(wěn)定度都達(dá)到最大值。所以計(jì)算最佳油石比的初始值OAC1時(shí)，令式中a1=5.5，a2=5.5，可得：

圖1中，密度、穩(wěn)定度、空隙率、流值、礦料間隙率、飽和度指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的油石比的范圍為4.5%～5.5%。

因 此

在圖1中分別取OAC1、OAC2所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)均滿足規(guī)范要求。因此可以計(jì)算最佳油石比OAC：

同理，Novachip Type B和UTAC-10級(jí)配最佳油石比、空隙率也可通過(guò)計(jì)算得到，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 最佳瀝青用量初定計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of optimum asphalt content with set values

2.2 冷拌瀝青混合料的空隙率分析

通過(guò)分析上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：冷拌瀝青混合料的部分性能降低可能是因其空隙率較大所造成的。為進(jìn)一步驗(yàn)證空隙率對(duì)冷拌瀝青混合料性能的影響，制備同一級(jí)配的熱拌瀝青混合料與冷拌瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。選取相同的油石比，且設(shè)定為5.5%進(jìn)行試驗(yàn)，熱拌瀝青混合料空隙率為4.0%，冷拌瀝青混合料空隙率為6.4%，冷拌瀝青混合料空隙率較大的原因是其含有一定的水，占據(jù)部分體積所造成的。通過(guò)分析已應(yīng)用冷拌技術(shù)實(shí)際工程的案例，檢測(cè)其空隙率均較大。

2.3 冷拌瀝青混合料的強(qiáng)度分析

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合料經(jīng)過(guò)常溫養(yǎng)護(hù)后，約有54%的水分會(huì)揮發(fā)，與實(shí)際工程中的早期情況相同；當(dāng)混合料經(jīng)過(guò)高溫養(yǎng)護(hù)后，約有95%的水分會(huì)揮發(fā)，與實(shí)際工程中的后期情況相同。所以，道路工程的初期強(qiáng)度可以由以20℃常溫養(yǎng)護(hù)后的穩(wěn)定度進(jìn)行代替，即混合料經(jīng)過(guò)常溫養(yǎng)護(hù)后穩(wěn)定度最大值為3.54 kN，道路早期強(qiáng)度為3.54 kN；道路工程的后期強(qiáng)度可以由以110℃常溫養(yǎng)護(hù)后的穩(wěn)定度進(jìn)行代替，即混合料經(jīng)過(guò)高溫養(yǎng)護(hù)后穩(wěn)定度最小值9.02 kN，道路后期強(qiáng)度為9.02 kN。由此可以得出，道路強(qiáng)度受溫度的影響，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大直至出現(xiàn)峰值［11-12］。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)比較3種級(jí)配瀝青混合料的穩(wěn)定度、空隙率可知：SMA-10與UTAC-10級(jí)配的馬歇爾試件的穩(wěn)定度比Novachip Type B級(jí)配高46.9%；SMA-10級(jí)配的瀝青混合料的空隙率比Novachip Type B與UTAC-10級(jí)配低32.7%，故SMA-10的級(jí)配更優(yōu)。

2）對(duì)3種級(jí)配的瀝青混合料采用修正馬歇爾，確定SMA-10級(jí)配、Novachip Type B級(jí)配與UTAC-10級(jí)配瀝青混合料的最佳油石比分別為5.3%、4.7%、5.0%。

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