滯留含水率對(duì)乳化瀝青混合料性能的影響分析

黃修賢

摘要：文章調(diào)整了馬歇爾試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)的試件成型方法，利用馬歇爾試驗(yàn)、高溫和低溫性能等試驗(yàn)確定了滯留含水率的合理范圍，并分析了滯留含水率對(duì)乳化瀝青混合料長(zhǎng)期服役性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)滯留含水率<12%時(shí)，乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫和低溫性能均滿足規(guī)范要求;在長(zhǎng)期服役性能方面，隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的性能衰變速度加快。

關(guān)鍵詞：混合料;乳化瀝青;滯留水;范圍;服役性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.011

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0040-04

0引言

乳化瀝青是道路養(yǎng)護(hù)中常用的膠結(jié)料，常用在同步碎石封層、稀漿封層和乳化瀝青碎石封層中。近年來(lái)，生態(tài)環(huán)保型瀝青混合料備受關(guān)注，乳化瀝青混合料應(yīng)用于道路面層的研究日益增多。乳化瀝青混合料可在常溫下拌和、運(yùn)輸、攤鋪，與熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料相比，可減少大量的能耗和氣體排放，且適用于長(zhǎng)距離運(yùn)輸[1-3]。在以往的研究中，學(xué)者們比較關(guān)注冷拌瀝青混合料的性能特性和改善措施，其生產(chǎn)工藝和力學(xué)強(qiáng)度都得到了大幅度提高和優(yōu)化。Heriot-WaR大學(xué)研究表明：密級(jí)配乳化瀝青混合料的抗壓回彈模量最好，可達(dá)到面層的性能要求[4]。周海生等分析了含水量（包括乳化瀝青中的水和外摻水）對(duì)乳化瀝青混合料性能影響，結(jié)果表明：含水量與混合料的級(jí)配存在一定的關(guān)系，水對(duì)乳化瀝青混合料的成型和強(qiáng)度有較大的影響[5-6]。郭揚(yáng)等驗(yàn)證了纖維可降低冷拌瀝青混合料的溫度敏感性，提升其疲勞性能[7]。趙志超等將水泥加入到冷拌瀝青混合料中，得到強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的瀝青混合料[8]。劉鵬等通過(guò)室外養(yǎng)生和烘箱加速養(yǎng)生對(duì)比，確定混合料的室內(nèi)養(yǎng)生條件，并通過(guò)添加水泥使乳化瀝青混合料的力學(xué)性能滿足道路面層的需求[9]。孫斌等研究表明，冷再生混合料的含水率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，空隙率和劈裂強(qiáng)度也隨著含水率降低而增大，其中大馬歇爾試件的含水率變化明顯高于小馬歇爾試件[10]?？蝴惷舻葘⑺鄵郊拥饺榛癁r青混合料中，探究其強(qiáng)度形成機(jī)理，結(jié)果表明：水泥會(huì)增加乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度，水會(huì)降低混合料的內(nèi)摩阻力[11]。

由以上文獻(xiàn)可知，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要關(guān)注乳化瀝青混合料的強(qiáng)度和水對(duì)其路用性能的影響。然而，乳化瀝青是一種水和瀝青的混合物（水包油或油包水），在混合料拌和、攤鋪和養(yǎng)生后，一部分水不能揮發(fā)會(huì)滯留在混合料中，這樣會(huì)影響瀝青混合料的性能。滯留含水率的合理范圍和其對(duì)混合料長(zhǎng)期性能的影響尚未明確，故本文將探討滯留含水率在乳化瀝青混合料的合理范圍，及其對(duì)長(zhǎng)期性能的影響。

1原材料

1.1乳化瀝青

乳化瀝青由乳化劑和SBS改性瀝青自制而成，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，如表1所示。

1.2集料

試驗(yàn)中所用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為機(jī)制砂，其技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的要求[12]。

1.3級(jí)配與膠結(jié)劑含量

本文利用密級(jí)配混合料（AC-13）探討冷拌瀝青混合料的性能，其級(jí)配如表2所示。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)可知AC-13冷拌瀝青混合料的最佳乳化瀝青的用量為8.85%，AC-13熱拌瀝青混合料的最佳瀝青摻量為4.65%。

1.4水和水泥的含量

水可使集料濕潤(rùn)，以促進(jìn)混合料的拌和，故需摻入一定量的水，但過(guò)多的水會(huì)影響混合料壓實(shí)和性能，故本文以冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度來(lái)確定水的最佳摻量（如圖1所示）。冷拌瀝青混合料早期強(qiáng)度低，為提高其早期強(qiáng)度，并消耗混合料中的水促使乳化瀝青破乳，本文將水泥以不同含量（0.5%、1.0%、1.5%和2.0%）摻加到混合料中，以馬歇爾穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)，以確定水泥在混合料的摻量（如圖2所示）。

2滯留水含量對(duì)冷拌瀝青混合料性能的影響

在水化反應(yīng)和養(yǎng)生結(jié)束后，乳化瀝青中的水和外摻水會(huì)有一部分滯留在混合料中，這些水會(huì)侵蝕瀝青與石料接觸面，引起瀝青混合料的性能衰變，故本節(jié)探究滯留水含量對(duì)冷拌瀝青混合料性能的影響。滯留水含量的計(jì)算如式（1）所示。

Z={T-（G-D）}/P（1）

式中：Z——滯留含水率（%）;

T——初始含水量（g），包括乳化瀝青中的水和外摻水;

G——混合料初始總質(zhì)量（g）;

P——混合料養(yǎng)生后的總質(zhì)量（g）

2.1養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)滯留水含量的影響

為探知環(huán)境溫度對(duì)混合料內(nèi)部滯留含水率的影響，將擊實(shí)后的試件放在烘箱中養(yǎng)生，養(yǎng)護(hù)溫度分別為20℃、60℃和105℃，試件的滯留含水率隨養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間的變化如圖3所示。養(yǎng)護(hù)溫度越高，試件滯留含水率越小，當(dāng)滯留含水率<10%時(shí)，養(yǎng)生時(shí)間分別為5d（20℃）、2d（60℃）和1d（105℃）這說(shuō)明滯留含水率與養(yǎng)生期間的蒸發(fā)量有很大的關(guān)系，故在溫度較高的季節(jié)鋪筑乳化瀝青混合料有利于路面快速形成強(qiáng)度。因?yàn)楦邷貢?huì)導(dǎo)致試件中的水分快速蒸發(fā)，乳化瀝青快速破乳形成強(qiáng)度，也會(huì)減少水分對(duì)瀝青與石料交界面的侵蝕。

2.2滯留含水率對(duì)冷拌瀝青混合料性能的影響

為了探究滯留含水率對(duì)冷拌瀝青混合料性能的影響，按照第1節(jié)得到的最佳乳化瀝青摻量、外摻水量和水泥摻量拌制瀝青混合料。為了得到不同滯留含水率的試件，養(yǎng)生條件調(diào)整為20℃，試件含水率分別為0、4%、8%、12%、16%、20%、24%和28%。

2.2.1馬歇爾試驗(yàn)

采用馬歇爾試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)冷拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，因乳化瀝青混合料在擊實(shí)后未形成強(qiáng)度，故需對(duì)試件的制作方法進(jìn)行調(diào)整。其制作過(guò)程為：（1）單面擊實(shí)50次;（2）靜置2h;（3）雙面各擊實(shí)25次。得到的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）見(jiàn)圖4。如圖4所示，隨著滯留含水率增大，冷拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均下降，當(dāng)滯留含水率>12%時(shí)，冷拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均不滿足規(guī)范的要求（80%）。綜上，冷拌瀝青混合料中的滯留含水率應(yīng)<12%。

2.2.2高溫和低溫性能

分別采用高溫車(chē)轍試驗(yàn)和低溫小梁試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷拌瀝青混合料的高溫性能和低溫性能。車(chē)轍板制作過(guò)程修改為：（1）雙向碾壓24次;（2）靜置2h;（3）碾壓12次。得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知，隨著滯留含水率增加，動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變都下降，當(dāng)滯留含水率>16%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求（2000次/mm），當(dāng)滯留含水率>12%時(shí)，破壞應(yīng)變不滿足規(guī)范要求（2500με）。綜上，當(dāng)滯留含水率<12%時(shí)，冷拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3耐久性試驗(yàn)

由上一節(jié)可知當(dāng)滯留含水率<12%時(shí)，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫和低溫性能均滿足規(guī)范的要求，現(xiàn)在本節(jié)中將探討滯留含水率（0、4%、8%和12%）與混合料耐久性的關(guān)系，并與熱拌瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比。

（1）水損害

采用多次凍融循環(huán)試驗(yàn)評(píng)價(jià)乳化瀝青混合料的長(zhǎng)期水損害，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。由圖6可知，隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的TSR減小，凍融循環(huán)次數(shù)為1時(shí)，乳化瀝青混合料的TSR值相差不大。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，乳化瀝青混合料的TSR與熱拌瀝青混合料的差值越來(lái)越大，例如當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為5時(shí)，乳化瀝青混合料（滯留含水率為0 和12%）的TSR分別為45.6%和20.4%，熱拌瀝青混合料的TSR為50.3%，故當(dāng)滯留含水率為0時(shí)，乳化瀝青混合料的TSR與熱拌瀝青混合料的相差無(wú)幾，隨著滯留含水率的增加，乳化瀝青混合料的長(zhǎng)期水穩(wěn)定性越差。

（2）長(zhǎng)期老化性

將馬歇爾試件放在紫外線下進(jìn)行乳化瀝青混合料的長(zhǎng)期老化性能試驗(yàn)，然后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。由圖7可知，隨著滯留含水率增大，乳化瀝青混合料的抗老化性能下降，例如當(dāng)紫外線老化時(shí)間為4周時(shí)，滯留含水率為0的乳化瀝青混合料穩(wěn)定度是滯留含水率為12%的1.76倍。綜上，隨著滯留含水率的增加，乳化瀝青混合料的長(zhǎng)期老化性能下降。

（3）長(zhǎng)期老化后的高溫性能

將不同滯留含水率的車(chē)轍板放在紫外線下老化，然后測(cè)試其動(dòng)穩(wěn)定度，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。由圖8可知，當(dāng)滯留含水率為0和4%時(shí)，乳化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與熱拌瀝青混合料的相差不大，且隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降。例如：當(dāng)紫外線老化時(shí)間為4周時(shí)，滯留含水率為0的乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度是滯留含水率為12%的1.69倍。綜上，隨著滯留含水率的增加，乳化瀝青混合料的長(zhǎng)期高溫穩(wěn)定性能下降。

4結(jié)語(yǔ)

（1）瀝青混合料中的水會(huì)引起混合料的性能衰變，本文提出了滯留含水率的概念，用以評(píng)價(jià)混合料中的含水率。當(dāng)烘箱的溫度為20℃時(shí)，混合料的含水率蒸發(fā)較慢，通過(guò)調(diào)整養(yǎng)護(hù)時(shí)間可得到具有不同滯留含水率的試件。

（2）隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變都逐漸減小。當(dāng)滯留含水率>12%時(shí)，冷拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均不滿足規(guī)范的要求（80%）;當(dāng)滯留含水率>16%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求（2000次/mm）。綜上，當(dāng)滯留含水率<12% 時(shí)，乳化瀝青混合料的性能均滿足規(guī)范的要求。

（3）在長(zhǎng)期服役性方面，隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的性能衰變速度變快。例如，紫外線老化時(shí)間為4周時(shí)，滯留含水率為0的乳化瀝青混合料穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度分別是滯留含水率為12%的1.76和1.69倍。綜上，滯留含水率越低，乳化瀝青混合料的性能越接近熱拌瀝青混合料，性能越好。

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