基于外摻法的布敦巖瀝青改性瀝青微表處室內(nèi)試驗(yàn)研究

丁露萍

(郴州市路通設(shè)計(jì)有限公司, 湖南 郴州 423000)

1 引言

隨著中國(guó)高速公路大規(guī)模建設(shè)完成，大部分運(yùn)營(yíng)成熟的高速公路已開始或即將開始進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)護(hù)，中國(guó)公路行業(yè)也逐漸認(rèn)識(shí)到公路養(yǎng)護(hù)對(duì)公路使用壽命的長(zhǎng)短至關(guān)重要。預(yù)防性養(yǎng)護(hù)在養(yǎng)護(hù)主動(dòng)性、延長(zhǎng)道路使用壽命、成本節(jié)約等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，常見的微表處、稀漿封層、瀝青同步碎石等均屬于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段。微表處施工后具有可快速開放交通、成本較低、污染小等特點(diǎn)，在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中得到廣泛的應(yīng)用。

2011年張雪韜采用自行設(shè)計(jì)的抗折試驗(yàn)、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)抗開裂性試驗(yàn)研究SBR改性乳化瀝青稀漿混合料微表處的使用性能，研究成果表明：摻加SBR改性劑的稀漿混合料低溫延展性較好，抗折強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度成倍提高，最突出的優(yōu)點(diǎn)是裂縫最大寬度和裂縫數(shù)量顯著減小，環(huán)境適用性更強(qiáng)；2013年代考以“輪胎驅(qū)動(dòng)式路面功能加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)”為試驗(yàn)平臺(tái)，模擬真實(shí)路面受力狀態(tài)，探索不同巖瀝青含量的微表處性能的變化規(guī)律，研究成果進(jìn)一步推動(dòng)了微表處的研究應(yīng)用；2015年王端宜通過向乳化瀝青中摻加水溶性環(huán)氧樹脂來增大乳化瀝青的黏結(jié)力，從而提升冷拌混合料的耐久性，研究結(jié)果表明：環(huán)氧樹脂微表處的抗剝落性衰變減慢，但對(duì)路面抗滑性能有不利影響；2016年朱琛以齊泰高速公路為試點(diǎn)工程，鋪筑了3 km的同步纖維乳化瀝青混合料磨耗層試驗(yàn)段，提出了施工工藝、質(zhì)量控制要點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)工藝能夠有效減少施工設(shè)備數(shù)量，縮短養(yǎng)護(hù)施工過程，通車較長(zhǎng)時(shí)間后仍能保持較好狀態(tài)；2017年王宏臣通過室內(nèi)試驗(yàn)和鋪筑試驗(yàn)路研究橡膠粉改性乳化瀝青微表處的抗噪性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：橡膠粉對(duì)微表處降噪效果顯著，同時(shí)耐磨耗性和低溫抗裂性能要優(yōu)于SBS改性微表處；2018年文勁松發(fā)現(xiàn)微表處抗磨耗性和黏附性較低，且使用壽命一般只有2～3年，針對(duì)此問題其提出采用RST-P型高黏改性乳化瀝青混合料，其可增加微表處抗磨耗性1.3倍，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)周期。

該文針對(duì)普通微表處礦料間黏附性差、高溫變形大、耐久性差的問題，采用外摻法的方式將布敦巖瀝青加入到微表處混合料中，計(jì)算不同布敦巖瀝青摻量下的乳化瀝青外摻量，通過一系列乳化瀝青混合料試驗(yàn)探索布敦巖瀝青對(duì)上述問題的改善作用，并分析其摻量對(duì)混合料性能的影響規(guī)律，最后進(jìn)一步驗(yàn)證布敦巖瀝青對(duì)微表處路用性能的影響，為研究高性能養(yǎng)護(hù)材料提供基礎(chǔ)。

2 原材料及試樣制備

2.1 原材料

膠凝材料為自制的以A-70#基質(zhì)瀝青為基礎(chǔ)材料的陽離子慢裂快凝乳化瀝青，固含量達(dá)到60%，根據(jù)SH/T 0099.4-1992《乳化瀝青蒸發(fā)殘留物測(cè)定法》對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。布敦巖瀝青原產(chǎn)于印尼，屬于天然瀝青，灰分含量大，外觀呈棕黑色粉末。根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，布敦巖瀝青滿足技術(shù)指標(biāo)要求(表2)。

表1 乳化瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 布敦巖瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 級(jí)配選擇

由于試驗(yàn)用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)罩面和填充車轍，所以最大公稱粒徑不應(yīng)超過9.5 mm，MS-3型級(jí)配是規(guī)范中推薦且大多數(shù)研究者選用的微表處級(jí)配，另外從抗滑性能衰減率和抗剝落能力方面經(jīng)實(shí)體工程確認(rèn)MS-3 型級(jí)配優(yōu)勢(shì)明顯。研究過程中發(fā)現(xiàn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微表處混合料的最大粒徑超過攤鋪厚度，從而造成行車噪音大的現(xiàn)象，基于此，決定在4.75～9.5 mm粒徑間增加一個(gè)7 mm的控制性篩孔，同時(shí)保持原有MS-3型級(jí)配的特點(diǎn)，提出了基于7 mm篩孔通過率為100%的低噪微表處礦料級(jí)配，研究采用級(jí)配中值作為設(shè)計(jì)級(jí)配，結(jié)果如表3所示。

表3 礦料級(jí)配

2.3 試樣制備

采用外摻法制備布敦巖瀝青改性乳化瀝青混合料，基于前期研究成果確定混合料油石比為5.6%，由于布敦巖瀝青本身屬于天然瀝青，該文在固定油石比的情況下，向集料中加入2%、4%、6%的布敦巖瀝青，并采用高效活化劑對(duì)布敦巖瀝青顆粒進(jìn)行活化，靜置30 min，活化率定為90%，以此為前提計(jì)算不同布敦巖瀝青摻量下的乳化瀝青添加量，并通過拌和試驗(yàn)確定其最佳添加水量。基于前期研究成果確定混合料油石比為5.6%，水泥為30#普通硅酸鹽水泥，摻量為2%，混合料制備過程如圖1所示。

圖1 摻布敦巖瀝青乳化瀝青混合料制備流程圖

3 試驗(yàn)方法

3.1 拌和試驗(yàn)

微表處混合料必須滿足可拌和時(shí)間和成漿狀態(tài)的要求。拌和試驗(yàn)：按設(shè)計(jì)級(jí)配取500 g適量集料，先后將不同摻量布敦巖瀝青、活化劑、水、水泥、對(duì)應(yīng)的乳化瀝青與集料混合均勻，先用力拌和3～8 s，然后順時(shí)針以大約1 r/s的速度均勻拌和至手感有力，混合料變稠時(shí)所需要的時(shí)間即為可拌和時(shí)間。同時(shí)應(yīng)根據(jù)成漿狀態(tài)不斷調(diào)整不同布敦巖瀝青摻量下的用水量，若過于黏稠，施工難度大；過稀則可導(dǎo)致離析，影響攤鋪的均勻性。

3.2 黏聚力試驗(yàn)

混合料的黏聚力大小可在一定程度上表征施工后開放交通的時(shí)間，所以規(guī)范對(duì)30、60 min時(shí)的黏聚力提出了嚴(yán)格要求，即30 min的黏聚力不能低于1.2 N·m(初凝時(shí)間)，60 min黏聚力不能低于2.0 N·m(開放交通時(shí)間)。黏聚力試驗(yàn)的原理為：在200 kPa的固定壓強(qiáng)下對(duì)試件進(jìn)行加壓，讀取扭矩扳手的讀數(shù)即為混合料的黏聚力。

3.3 濕輪磨耗試驗(yàn)

微表處混合料的濕輪磨耗值與路用性能的好壞關(guān)聯(lián)性較大，用1 h(25 ℃恒溫水浴保持1 d)濕輪磨耗值表征耐磨性能，用6 d(25 ℃恒溫水浴保持6 d)濕輪磨耗值表征抗水損壞能力。濕輪磨耗值是指試件在磨耗前后的質(zhì)量與磨耗面積的比值。

3.4 抗車轍變形試驗(yàn)

微表處混合料在預(yù)防性養(yǎng)護(hù)手段中可起到填充車轍的作用，其抗車轍變形能力至關(guān)重要，抗車轍變形能力通過輪轍變形試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用輪轍變形率(PLD)指標(biāo)進(jìn)行表征，其測(cè)試原理是試件碾壓前后的寬度差與碾壓前寬度的比值，即為輪轍變形率(PLD)，其值越小抗變形能力越強(qiáng)。

3.5 抗車轍性能試驗(yàn)

微表處的抗車轍性能試驗(yàn)是在熱拌瀝青混合料車轍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在一定程度上能最大可能地接近微表處路面實(shí)際使用狀態(tài)，更加準(zhǔn)確地模擬其抗車轍性能。

(1) 試件成型。微表處抗車轍性能試驗(yàn)所用試件是在4 cm AC-13熱拌瀝青混合料車轍板的基礎(chǔ)上攤鋪1 cm微表處混合料，以此結(jié)構(gòu)盡可能模擬微表處罩面的實(shí)際使用狀態(tài)。

(2) 試驗(yàn)條件。通常情況下乳化瀝青蒸殘后其高溫性能會(huì)有一定程度的減弱，若仍在熱拌瀝青混合料車轍試驗(yàn)60 ℃環(huán)境下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，微表處抗車轍性能必然相對(duì)較弱，所以為更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)布敦巖瀝青改性瀝青微表處的抗車轍性能，將其試驗(yàn)溫度設(shè)定為45 ℃。

(3) 評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)微表處應(yīng)用范圍及使用壽命，采用車轍試驗(yàn)荷載作用次數(shù)超過6 000次后的車轍深度來表征微表處抗車轍性能，即車轍深度越小，則抗車轍性能越好。

3.6 低溫抗裂性能試驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)微表處混合料的低溫抗裂性能尚未有明確的試驗(yàn)測(cè)試方法，該文提出如下的試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)微表處混合料的低溫抗裂性能：采用與抗車轍變形試驗(yàn)相同的混合料試件, 先在負(fù)荷輪試驗(yàn)儀上承受1 000次輪碾荷載，接著在力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其端部施加速率為25.2 mm/min的水平力F，使試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-5 ℃(圖2)，當(dāng)試件出現(xiàn)橫向貫穿裂縫時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，采用試件的水平位移L評(píng)價(jià)微表處的低溫抗裂性能，L值越大，其低溫抗裂性能越好。

圖2 微表處抗裂性能試驗(yàn)示意圖

4 布敦巖瀝青對(duì)微表處混合料施工性能的影響

4.1 拌和試驗(yàn)

(1) 確定乳化瀝青摻量

在固定油石比情況下，添加布敦巖瀝青過程中可減少乳化瀝青的添加量，起到節(jié)省瀝青的作用，從而根據(jù)布敦巖瀝青中瀝青含量和活化率計(jì)算膠凝材料的用量，計(jì)算過程如下：

設(shè)m為乳化瀝青混合料總質(zhì)量，a為混合料中瀝青與集料的比例，BRA摻量為b，BRA中灰分含量為c。則乳化瀝青混合料的總用油量為：

布敦巖瀝青質(zhì)量：

M1=mb

布敦巖瀝青中有效油含量：

M2=M1(1-c)×90%

乳化瀝青中用油量：

M3=M-M2

乳化瀝青用量：

則布敦巖瀝青與乳化瀝青的添加比例為：

(2) 確定外摻水量

根據(jù)乳化瀝青摻量，通過拌和試驗(yàn)確定相同成漿狀態(tài)不同布敦巖瀝青摻量混合料的最佳外摻水量和可拌和時(shí)間，結(jié)果見表4。

表4 拌和試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出：隨著布敦巖瀝青摻量的增加，在相同油石比條件下微表處乳化瀝青用量不斷減少，拌和試驗(yàn)中布敦巖瀝青摻量在6%時(shí)乳化瀝青用量可減少將近20%，這是由于經(jīng)再生劑的處理，布敦巖瀝青被活化，代替了部分瀝青，很大程度上節(jié)約了乳化瀝青用量。同時(shí)由于布敦巖瀝青中含有大量灰分，活化后混合料中礦粉含量增加，導(dǎo)致破乳速度加快，拌和試驗(yàn)呈現(xiàn)出最佳外摻用水量增加和可拌和時(shí)間減少的現(xiàn)象，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加可拌和時(shí)間的減速呈先小后大的趨勢(shì)，6%摻量下可拌和時(shí)間相對(duì)于4%時(shí)減少33 s，可施工性減弱，所以建議布敦巖瀝青摻量不應(yīng)超過4%。

4.2 黏聚力試驗(yàn)

根據(jù)表4確定的不同布敦巖瀝青摻量下乳化瀝青摻加比例和最佳外摻水量，通過黏聚力指標(biāo)和試驗(yàn)后試件破壞狀態(tài)確定其施工后開放交通的時(shí)間，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同布敦巖瀝青摻量下黏聚力試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以看出：隨著布敦巖瀝青摻量從0%提高到4%，30 min和60 min的黏聚力均不斷增大，這就證明了布敦巖瀝青中礦粉的存在增加了細(xì)集料的成分，使混合料的填充更為合理密實(shí)，而6%時(shí)其黏聚力反而減小，這可能是因?yàn)樵趽搅?%時(shí)活化劑的活化效率降低，未被活化的布敦巖瀝青顆粒較多，影響了混合料的黏聚力。

另外布墩巖瀝青摻量為0%～6%時(shí)，60 min黏聚力試件狀態(tài)為：初級(jí)成型，有一小裂紋；中度成型，少部分集料黏起；中度成型，試件被壓頭黏起；未成型，試件被輕微碾散。這一現(xiàn)象也說明了6%出現(xiàn)超摻量現(xiàn)象，同時(shí)礦粉成分可在一定程度上提高成型狀態(tài)。

4.3 濕輪磨耗試驗(yàn)

微表處乳化瀝青混合料的耐磨性能和抗水損壞性能至關(guān)重要，通常用1 h和6 d的濕輪磨耗值分別進(jìn)行表征，其性能好壞是微表處路面耐久性的直觀體現(xiàn)，圖4為不同布敦巖瀝青摻量下濕輪磨耗值變化趨勢(shì)。

由圖4可以看出：外摻法制備的布敦巖瀝青改性瀝青混合料的1 h濕輪磨耗值和6 d濕輪磨耗值隨著布敦巖瀝青摻量的增加呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，濕輪磨耗值先增大后減小，在4%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，此現(xiàn)象說明在0%～4%摻量范圍內(nèi)，隨著布敦巖瀝青的增加，乳化瀝青混合料的耐磨性能和抗水損壞能力均有一定程度的提高，1 h濕輪磨耗值最多可提高99.6 g/m2。這是由于混合料成型過程中布敦巖瀝青被活化后產(chǎn)生的灰分與乳化瀝青結(jié)合，增加了混合料中水泥瀝青膠漿的含量，同時(shí)乳化瀝青分子部分貫穿于布敦巖瀝青的蜂窩狀孔隙結(jié)構(gòu)中，形成互聯(lián)交織的整體，混合料間的黏聚力顯著增強(qiáng)，耐磨耗能力和抗水損能力提高，同樣由于活化效率降低問題，大于4%摻量的濕輪磨耗值驟減。

圖4 不同布敦巖瀝青摻量下濕輪磨耗值變化趨勢(shì)

4.4 抗車轍變形試驗(yàn)

微表處作為重要的養(yǎng)護(hù)工程罩面工藝，其抗車轍變形能力直接影響了道路的平整度和行車舒適性，為揭示布敦巖瀝青摻量對(duì)抗車轍能力的影響程度，在其他條件相同的情況下測(cè)試了不同布敦巖瀝青摻量下的輪轍變形率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同布敦巖瀝青摻量下抗車轍變形試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出：隨著布敦巖瀝青摻量的增加，3組平行試驗(yàn)的輪轍寬度變形率PLD變化趨勢(shì)大體一致，均為先減小后增大，摻量4%為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，相對(duì)于未摻加布敦巖瀝青時(shí)PLD最多可降低2.4%，這就表明摻量為0%～4%時(shí)，隨著布敦巖瀝青的增加，微表處的抗車轍能力不斷增強(qiáng)。此現(xiàn)象的發(fā)生可從宏觀和微觀兩個(gè)角度進(jìn)行解釋，宏觀上：① 布敦巖瀝青活化后產(chǎn)生的灰分含量和乳化瀝青結(jié)合形成更多的水泥乳化瀝青膠漿，可增強(qiáng)乳化瀝青混合料礦料間的黏聚力，整體抗載能力增強(qiáng)；② 布敦巖瀝青的灰分含量增加了混合料的細(xì)集料成分，提升了整個(gè)級(jí)配的密實(shí)狀態(tài)，抗車轍變形能力強(qiáng)。微觀上：布敦巖瀝青的微觀結(jié)構(gòu)為蜂窩狀孔洞孔隙結(jié)構(gòu)，瀝青成分可貫穿于這些微結(jié)構(gòu)中，整體性增強(qiáng)，可抵抗較大的縱橫向變形。

5 路用性能驗(yàn)證及機(jī)理分析

5.1 抗車轍性能試驗(yàn)

根據(jù)3.5節(jié)的試驗(yàn)方案進(jìn)行微表處抗車轍性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件應(yīng)嚴(yán)格控制，車轍深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同布敦巖瀝青摻量下車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可看出：① 無論是否摻加布敦巖瀝青，隨著荷載作用次數(shù)的增加微表處車轍深度不斷增大，這與路面受力變形規(guī)律相符；② 相同荷載次數(shù)作用下，車轍深度的大小排序(巖瀝青摻量排序)為：4%<2%<0%<6%，這就說明一定摻量下布敦巖瀝青的添加有助于微表處提升其抗車轍性能，但摻量為6%時(shí)車轍深度最大，這是因?yàn)槠鋼搅窟^大，未能全部與基質(zhì)乳化瀝青結(jié)合。4%時(shí)的車轍深度最小，其抗車轍性能最佳，與前文確定的最佳摻量一致；③ 當(dāng)荷載作用次數(shù)≤1 000次時(shí)不同摻量試件的車轍深度曲線幾乎重合，這一過程屬于瀝青混合料初始?jí)好艿倪^程，不能反映微表處的抗車轍性能，而6 000次時(shí)車轍深度已達(dá)6 mm，與微表處最薄施工厚度相當(dāng)，若再提升荷載作用次數(shù)，將不能模擬微表處的抗車轍性能，6 000次荷載作用次數(shù)較為合理。

5.2 低溫抗裂性能試驗(yàn)

圖7為微表處低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 不同布敦巖瀝青摻量下低溫抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可得：隨著布敦巖瀝青顆粒的摻加，試件開裂時(shí)的彎曲變形逐漸減小，摻量為2%、4%和6%時(shí)的彎曲變形量相對(duì)于未摻加布敦巖瀝青時(shí)分別降低12.5%、25%和55%，這就表明在普通微表處混合料中摻加布敦巖瀝青對(duì)其低溫抗裂性能會(huì)造成較大的負(fù)面影響，摻加量?jī)H為2% 時(shí)變形量就可損失12.5%，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與外摻改性劑布敦巖瀝青的特性有關(guān)，其低溫易脆延展性差，較低溫度下抵抗變形能力弱，這也阻礙了布敦巖瀝青作為改性劑的進(jìn)一步應(yīng)用。

5.3 機(jī)理分析

從施工性能和路用性能兩方面分析可知：基于外摻法的布敦巖瀝青改性瀝青微表處除低溫抗裂性能外其他各項(xiàng)性能均有增強(qiáng)，尤其是黏聚力和抗車轍變形能力表現(xiàn)突出，這與布敦巖瀝青改性劑的組成成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)：① 布敦巖瀝青中的灰分成分增加了微表處混合料中細(xì)集料的占比，加快了乳化瀝青破乳時(shí)間和混合料強(qiáng)度形成時(shí)間，同時(shí)其與乳化瀝青結(jié)合形成更多瀝青膠漿成分，顯著增強(qiáng)微表處的黏附性、耐磨性能；② 布敦巖瀝青中的瀝青成分屬于硬質(zhì)瀝青，減少乳化瀝青用量的同時(shí)可提高微表處混合料的抗車轍變形能力；③ 布敦巖瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在微觀上表現(xiàn)出大量的蜂窩狀孔洞孔隙，能吸附更多的瀝青分子貫穿于布敦巖瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，瀝青及瀝青膠漿的穩(wěn)定性更好，微表處的礦料間黏附性、抗車轍變形能力和耐疲勞性能顯著增強(qiáng)。

6 結(jié)論

(1) 在相同油石比條件下，基于外摻法的布敦巖瀝青改性瀝青微表處在可拌和時(shí)間稍有降低(滿足規(guī)范)的情況下，黏聚力、耐磨耗性能、抗水損壞能力、抗車轍變形能力均有較大程度的提高，同時(shí)縮短乳化瀝青混合料的成型時(shí)間，可盡快開放交通。路用性能上布敦巖瀝青對(duì)微表處提升抗車轍能力效果顯著，但對(duì)低溫抗裂性能造成一定負(fù)面影響，是今后進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

(2) 宏觀上布敦巖瀝青活化后產(chǎn)生的灰分含量和乳化瀝青結(jié)合形成更多的水泥乳化瀝青膠漿，可增強(qiáng)乳化瀝青混合料礦料間的黏聚力，整體抗載能力增強(qiáng)，同時(shí)增加了混合料的細(xì)集料成分，提升了整個(gè)級(jí)配的密實(shí)狀態(tài)，抗車轍變形能力強(qiáng)；微觀上布敦巖瀝青的微觀結(jié)構(gòu)為蜂窩狀孔洞孔隙結(jié)構(gòu)，瀝青成分可貫穿于這些微結(jié)構(gòu)中，整體性增強(qiáng)，可抵抗水的侵蝕和較大的縱橫向變形。

(3) 在提升微表處性能的同時(shí)，布敦巖瀝青的加入可在一定程度上節(jié)約乳化瀝青的使用量，從成本節(jié)約和資源合理利用方面優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)各性能變化規(guī)律，建議布敦巖瀝青摻量為4%，后期需從實(shí)體工程出發(fā)對(duì)其性能和摻量進(jìn)行驗(yàn)證。