冷拌大空隙半柔性路面基體乳化瀝青混合料性能研究

包惠明，吳春燕，遲恩濤，陳東升

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

半柔性路面材料可將瀝青路面材料與水泥路面材料結(jié)合在一起，共同形成路面結(jié)構(gòu)。半柔性路面大體分為兩類：一類是拌和式；另一類是灌注式。常見的灌注式路面結(jié)構(gòu)是以熱拌瀝青與粗骨料作為基體瀝青骨架，再灌注水泥砂漿，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥砂漿逐漸凝結(jié)硬化，填充瀝青骨架中的空隙，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，瀝青骨架與水泥砂漿共同發(fā)揮路面性能[1]。從國內(nèi)外已經(jīng)應(yīng)用的工程實(shí)例可以看出，半柔性路面材料的高溫穩(wěn)定性大大優(yōu)于普通瀝青混凝土路面材料，且低溫抗裂性能及抗滑耐磨性能也都優(yōu)于普通瀝青混凝土路面材料。同時，它具有耐水、耐酸、耐熱、耐油和易著色等特性[2-6]。但傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料在生產(chǎn)過程中能源耗費(fèi)大，施工溫度高，瀝青易老化，會對施工人員與環(huán)境造成不利影響[7]。而冷拌工藝不僅能大大降低能源的消耗，減少有害氣體的排放，減少對環(huán)境影響的同時，還能改善施工人員的工作環(huán)境；另外冷拌工藝降低了生產(chǎn)和施工中對溫度的要求，從而使瀝青的高溫老化問題得到改善。

由于冷拌工藝采用的液體瀝青中存在水分，降低了瀝青與集料之間的黏附力，增加了瀝青混合料的成型難度，因此本文將對冷拌式的灌注式半柔性路面材料展開研究，在冷拌工藝瀝青混合料成型的基礎(chǔ)上，以擊實(shí)次數(shù)、冷拌瀝青混合料養(yǎng)護(hù)成型時間及乳化瀝青中是否加入高黏劑3個因素水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，并結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)以及灌漿后效果評價乳化瀝青混合料性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

灌注式半柔性路面使用的瀝青混合料目前多采用傳統(tǒng)熱拌工藝生產(chǎn)。而乳化瀝青在與集料拌和后，易流淌[8]，在沒破乳前乳化瀝青中的瀝青尚未發(fā)揮膠結(jié)作用，同時由于水的存在導(dǎo)致瀝青骨架難以形成，粗集料顆粒松散易剝落。因此本文參考交通部陽離子乳化瀝青組成型方式以及已有熱拌灌注式半柔性路面瀝青的改性方式[8-10]，設(shè)計(jì)了3因素5水平的正交試驗(yàn)，見表1。

表1 正交設(shè)計(jì)因素水平表

由于水份的存在，乳化瀝青在沒破乳前難以發(fā)揮膠粘作用，而交通部陽離子乳化瀝青組提出的乳化瀝青成型及養(yǎng)護(hù)方式為每個馬歇爾試件擊實(shí)50次，分2次擊實(shí)，先單面擊實(shí)25次常溫養(yǎng)護(hù)12 h后再擊實(shí)25次。在實(shí)際擊實(shí)過程中發(fā)現(xiàn)，在第1次擊實(shí)25次后，骨料顆粒在嵌擠作用下難以形成較穩(wěn)定的擊實(shí)面，放置12 h后，發(fā)現(xiàn)上下2擊實(shí)面均有部分集料顆粒剝落。由于灌注式半柔性路面材料瀝青骨架采用間斷級配，本身級配顆粒間的嵌擠作用就弱?；谏鲜?種情況，提出冷拌半柔性路面材料瀝青骨架成型擊實(shí)次數(shù)為75次、分2次擊實(shí)，先單面擊實(shí)50次，常溫養(yǎng)護(hù)12 h后再擊實(shí)25次。

熱拌灌注式半柔性路面材料中，瀝青多采用自制高黏瀝青。通常是在規(guī)定的拌和溫度下將高黏劑與石料拌和，然后再加入瀝青，最后加入礦粉拌和均勻。拌和式乳化瀝青多為中裂或慢裂型，集料早期的黏結(jié)性較低，因此借鑒熱拌瀝青的方式加入高黏改性劑來提高乳化瀝青與集料之間的黏結(jié)力。瀝青高黏劑主要成分為熱塑性聚合物，具有非常大的強(qiáng)度，在使用過程中因?yàn)閿嚢枳饔?，瀝青高黏劑會產(chǎn)生纏繞在一起的纖維體，從而能在瀝青混合料中起到加筋的作用。具體操作方式是，在適當(dāng)溫度下，將集料與高黏劑拌和均勻，冷卻至一定溫度后加入乳化瀝青拌和均勻，再加入礦粉。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)因素水平表，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

注：A、B表示不同擊實(shí)次數(shù)，A：25+25；B：50+25。數(shù)字表示養(yǎng)護(hù)成型時間。C、D表示高黏劑有無，C添加高黏劑；D不添加高黏劑。

1.2 試驗(yàn)原材料

乳化瀝青采用山東壽光市金正防水材料有限公司生產(chǎn)的BC-1型陽離子乳化瀝青，陽離子乳化瀝青適用于各種酸、堿性礦料且與礦料之間具有優(yōu)良的黏附性[11]。根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)要求，指標(biāo)測試結(jié)果見表3。

表3 BC-1型陽離子乳化瀝青技術(shù)測定結(jié)果及要求

1.3 級配設(shè)計(jì)

灌注式半柔性路面材料基體骨架空隙率一般為20%～28%，為形成較大的空隙，本試驗(yàn)級配采用間斷級配，設(shè)計(jì)孔隙率為23%。乳化瀝青中的瀝青與普通瀝青屬于同一種物質(zhì)，因此在瀝青用量上選擇已有研究中相同級配下，熱拌瀝青采用的最佳瀝青用量，即瀝青用量為2.9%(對應(yīng)乳化瀝青用量為5%)作為此次拌和的瀝青用量。集料組成情況見表4。

表4 集料組成

2 基本性能

2.1 基本強(qiáng)度

按照表4配比和表2 正交設(shè)計(jì)方案，采用馬歇爾試驗(yàn)，在不同擊實(shí)次數(shù)、不同養(yǎng)護(hù)成型時間和不同瀝青條件的試驗(yàn)結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 基體乳化瀝青混合料穩(wěn)定度

圖2 基體乳化瀝青混合料流值

從圖1中可以看出，所有馬歇爾試件的穩(wěn)定度值均大于3.5 kN，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求。這說明以乳化瀝青做為母體瀝青混合料是可行的。

2.1.1 不同瀝青條件對式樣成型的影響

圖1表明，雖然在熱拌瀝青混合料中加入高黏劑有利于基體瀝青混合料形成較大空隙率的同時，瀝青與集料之間有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，但將高黏劑應(yīng)用于乳化瀝青中，在相同養(yǎng)護(hù)時間與擊實(shí)次數(shù)下對比發(fā)現(xiàn)，試件的穩(wěn)定度有所降低。雖然高黏劑在高溫下與石料拌和時產(chǎn)生纏繞在一起的纖維體，使得石料間的摩擦力與嵌擠作用增大，但由于對溫度的控制不夠精確，加入乳化瀝青拌和時石料的溫度依舊過高，使得乳化瀝青提前破乳，與石料的裹覆沒有達(dá)到最佳效果，從而導(dǎo)致加入高黏劑的試件穩(wěn)定度反而降低。同時在圖2中可以看出，加入高黏劑的試件，流值相對較大。這是由于高黏改性劑在高溫加熱條件下使得成型時未完全分解的物質(zhì)釋放，硫化物含量增加，而硫化物通常影響分子間的色散力，造成分子間作用力降低[12]，宏觀表現(xiàn)即混合料強(qiáng)度低、流值大。

2.1.2 不同擊實(shí)次數(shù)對式樣成型的影響

在相同養(yǎng)護(hù)時間且均不添加高黏劑的條件下對比發(fā)現(xiàn)，擊實(shí)次數(shù)在(50+25)次的模式下基體瀝青混合料的穩(wěn)定度要高于擊實(shí)次數(shù)為(25+25)次的模式?；w瀝青混合料骨架是由礦質(zhì)集料與乳化瀝青結(jié)合料按照嵌擠原則所形成的一種具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多相分散體系。粗集料之間的內(nèi)摩擦力與嵌擠力對瀝青混合料的強(qiáng)度形成起著決定性作用。隨著擊實(shí)次數(shù)的增加礦質(zhì)集料間的接觸面增多，礦物骨架更加緊密，礦質(zhì)顆粒之間的摩擦更大，嵌擠作用提高，從而提高了基體骨架的強(qiáng)度。

另一方面，由于擊實(shí)次數(shù)的增加，機(jī)械外力做功增大，部分集料被壓碎，級配變細(xì)，雖然瀝青混合料的最大粒徑和最大公稱粒徑不變，但是粗集料中較粗的集料含量減少，細(xì)集料中較粗的集料含量增加，這使得基體瀝青混合料骨架空隙結(jié)構(gòu)中粗集料減少、空隙減低。同時有部分空隙被新形成的集料填充，減小了空隙率，使得瀝青混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加，穩(wěn)定度值變大、流值變小。

2.1.3 養(yǎng)護(hù)時間對式樣成型的影響

本文養(yǎng)護(hù)時間從4 d起逐漸增加至8 d，在試驗(yàn)前期分別進(jìn)行過1～3 d的養(yǎng)護(hù)，但由于養(yǎng)護(hù)時間少，在脫模后出現(xiàn)試件散架裂開的情況。在經(jīng)過多次試驗(yàn)后，確定最少成型時間為4 d。在基體乳化瀝青混合料骨架形成后，增加養(yǎng)護(hù)成型時間對瀝青混合料的強(qiáng)度影響不大。當(dāng)乳化瀝青破乳發(fā)揮作用后，瀝青與集料間黏結(jié)力形成，混合料強(qiáng)度穩(wěn)定，在無外力作用下，強(qiáng)度不隨時間變化。

綜上，以穩(wěn)定度、流值為評判標(biāo)準(zhǔn)，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，對于乳化瀝青基體瀝青混合料養(yǎng)護(hù)成型時間以4 d為宜，且不建議添加高黏劑。

2.2 基體空隙率

瀝青混合料空隙由3部分組成，即連通空隙、半連通空隙和閉空隙，三者之和為全空隙。從排水角度上看，空隙分為有效空隙和無效空隙，有效空隙是能通過水,排出水的空隙[13]。而有效空隙率將影響基體瀝青混合料灌漿的難易程度。對于大空隙瀝青混合料其全孔隙率采用體積法確定。稱取干燥試件在空氣中的質(zhì)量ma，精確到0.1 g，高度用游標(biāo)卡尺采用十字對稱測定4次取平均值，直徑取上下2個截面測定結(jié)果的平均值，采用下式計(jì)算試件全空隙率。

(1)

式中:ma為干燥試件空氣中質(zhì)量(g)；ρs為試件的實(shí)測密度(g·cm-3)；V為游標(biāo)卡尺測出的體積平均值(cm3)；ρt為試件理論密度(g·cm-3)；VV為試件的全空隙率(%)。

對于有效空隙率，可由試件在水中的質(zhì)量和游標(biāo)卡尺測得的體積按下式計(jì)算確定。

(2)

式中:mw為干燥試件空氣中質(zhì)量(g)；ρw為水的密度(g·cm-3)；Ve為有效空隙率(%)。

通過式(1)與(2)得到乳化瀝青混合料空隙率試驗(yàn)結(jié)果，見表5。

從表5中可以看出，擊實(shí)次數(shù)采用50+25次，不添加高黏劑的基體瀝青混合料全空隙率與設(shè)計(jì)空隙率23%更加接近，平均約相差約0.5%，較符合實(shí)際。而有效空隙率，以擊實(shí)次數(shù)采用(50+25)次，添加高黏劑的基體瀝青混合料為優(yōu)，但其全空隙率與設(shè)計(jì)值相差太大。整體而言，不同條件下基體瀝青混合料有效空隙率較大，這說明材料可以達(dá)到較好的灌漿效果。

綜合考慮穩(wěn)定度、流值、全空隙率和有效空隙率后，采用(50+25)次的擊實(shí)次數(shù)，4 d養(yǎng)護(hù)成型，不添加高黏劑的方式來制作灌注式半柔性路面材料的基體骨架乳化瀝青混合料。

表5 基體乳化瀝青混合料空隙率試驗(yàn)結(jié)果

2.3 灌漿效果

半柔性路面材料灌注的膠漿在使用時應(yīng)具有足夠的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，較好的流動性，同時能與乳化瀝青混合料有較強(qiáng)的結(jié)合性[14-15]。綜合考慮，采用參考文獻(xiàn)[6]中所提供的配合比。對灌漿后的試件，先在室溫下靜置24 h待其完全凝結(jié)硬化后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3 d后，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

從表6中可以看出，灌漿后，冷拌半柔性路面材料強(qiáng)度得到顯著提高，抵抗變形能力也有了明顯的改善，灌漿效果良好。對比熱拌灌注式半柔性路面材料可知，冷拌式半柔性路面材料可以達(dá)到熱拌式相同的效果，同時在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生更少的有害氣體，使用更少的能源，冷拌灌注式半柔性路面材料有較高的研究價值。

表6 灌漿后材料性能

3 結(jié) 語

通過三因素五水平正交試驗(yàn)，從擊實(shí)次數(shù)、冷拌瀝青混合料養(yǎng)護(hù)成型時間、不同瀝青條件出發(fā)，結(jié)合馬歇爾試件結(jié)果、灌漿后效果評價基體瀝青混合料性能的結(jié)果表明：

(1)采用冷拌瀝青混合料作為灌注式半柔性路面材料的基體骨架切實(shí)可行，對環(huán)境污染小、經(jīng)濟(jì)效果好。

(2)通過馬歇爾試驗(yàn)及空隙率評定，建議采用(50+25)次的擊實(shí)次數(shù)，4 d養(yǎng)護(hù)成型，不添加高黏劑的方式來制作灌注式半柔性路面材料的基體骨架乳化瀝青混合料。在該條件下，既能達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)空隙率，且強(qiáng)度滿足要求，有效空隙率較多，利于砂漿的灌入。

(3)灌漿后材料穩(wěn)定度得到顯著提高，抵抗變形能力變強(qiáng)。

(4)加入高黏劑來改善乳化瀝青與集料之間的黏附性，實(shí)際效果雖欠佳，但空隙率很高?？蛇M(jìn)一步研究當(dāng)集料與高黏劑溫度降低到何種程度時，加入乳化瀝青拌和的效果最佳。