高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料的工程應(yīng)用

李勇華

（上饒市弋陽(yáng)公路事業(yè)發(fā)展中心,江西 弋陽(yáng) 334400）

0 引言

大量工程實(shí)踐證明，在公路瀝青路面建設(shè)施工的過(guò)程中，熱拌瀝青混合料加熱過(guò)程能耗高，各施工階段溫度散失快，保溫難度大；施工期間還會(huì)產(chǎn)生大量煙霧粉塵及有害氣體，與國(guó)家所提倡的節(jié)能減排建設(shè)思路相悖，故積極探索和研究無(wú)需加熱（如冷拌）、施工溫度低、施工過(guò)程中材料保溫要求不高、性能優(yōu)良的瀝青混合料便成為瀝青路面發(fā)展的主要方向。近年來(lái)出現(xiàn)的改性中溫瀝青混合料對(duì)于氣溫在0 ℃以上的新建、改擴(kuò)建瀝青路面較為適用，路用性能也明顯優(yōu)于同類型熱拌瀝青混合料。在此基礎(chǔ)上，該文立足公路工程實(shí)際，對(duì)高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料在公路工程中的應(yīng)用展開(kāi)研究，為該類瀝青混合料的推廣應(yīng)用提供參考。

1 中溫瀝青混合料性能概述

中溫瀝青包括乳化型和溶劑型兩種，結(jié)合工程應(yīng)用現(xiàn)狀，該文主要研究路用性能更加優(yōu)越的高固含量乳化型中溫瀝青。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路施工領(lǐng)域所用的乳化瀝青濃度大多位于55%～65%之間，因濃度低，故拌和時(shí)存在較為明顯的流動(dòng)，制備出的混合料空隙率高，路面強(qiáng)度較差，在高等級(jí)瀝青路面上面層施工中的應(yīng)用并不理想。但高固含量乳化型中溫瀝青濃度大多位于70%及以上，與普通瀝青混合料相比，各階段的施工溫度均可適當(dāng)降低，并能有效克服常用乳化瀝青材料的弊端。

在進(jìn)行高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料制備時(shí)，在適宜溫度下將一定量親油基與親水基復(fù)合乳化劑摻入瀝青，通過(guò)乳化劑2個(gè)基團(tuán)在油水相界面間的定向排列和連接，形成性能穩(wěn)定的乳化瀝青材料。通過(guò)調(diào)整乳化劑摻量、改變?yōu)r青加熱溫度等措施，保證高固含量乳化型中溫瀝青路用性能。

在瀝青乳液和集料拌和的過(guò)程中，乳液中瀝青微粒所帶的正電荷和集料表面負(fù)電荷接觸后相吸，瀝青便會(huì)從乳液中分離，瀝青顆粒聚結(jié)后形成連續(xù)薄膜，裹覆集料后形成瀝青混合料；在碾壓作用下，乳化瀝青中的水分持續(xù)蒸發(fā)，最終形成性能穩(wěn)定的高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料。

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料所使用的原材料主要有瀝青、礦料等。基質(zhì)瀝青采用70#道路石油瀝青，遵循以上確定出的設(shè)計(jì)比進(jìn)行乳化劑及外加劑等的摻加。瀝青材料性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中溫瀝青材料路用性能參數(shù)檢測(cè)值

礦料采用粒徑 0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～16 mm的玄武巖石料，礦粉為粒徑0～0.3 mm的石灰?guī)r礦粉，玄武巖集料性能見(jiàn)表2。礦粉表觀相對(duì)密度2.699，親水系數(shù)0.68，含水率0.43%，塑性指數(shù)3.7，外觀無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊。礦料以及所選用礦粉材料的表觀相對(duì)密度、表干相對(duì)密度、吸水率、毛體積相對(duì)密度等參數(shù)值均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)程》（JTG F40—2017）的規(guī)定。

表2 玄武巖集料性能

2.2 礦料級(jí)配

結(jié)合相關(guān)研究成果，高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料的級(jí)配范圍與熱拌密級(jí)配瀝青混合料級(jí)配基本一致，根據(jù)所得出的粗細(xì)集料和礦粉的篩分結(jié)果，對(duì)相關(guān)原材料的摻配比例展開(kāi)優(yōu)化調(diào)整，所得到的AC-13瀝青混合料的合成級(jí)配具體見(jiàn)表3?；谠囼?yàn)結(jié)果，該公路工程高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料級(jí)配按照細(xì)集料合成級(jí)配確定。

表3 礦料合成級(jí)配

2.3 配合比設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)構(gòu)成來(lái)看，高固含量乳化型改性中溫瀝青混合料結(jié)構(gòu)為多相空間體系，其自身強(qiáng)度的形成也比較復(fù)雜，其強(qiáng)度形成過(guò)程受到諸多因素影響，其中內(nèi)部因素主要有材料質(zhì)量、礦料級(jí)配等；外部因素則主要有擊實(shí)工藝、試驗(yàn)溫度等。由于中溫瀝青混合料具有與熱拌瀝青混合料相同的級(jí)配要求和礦料質(zhì)量，故在中溫瀝青潤(rùn)滑和黏結(jié)作用充分發(fā)揮的基礎(chǔ)上，混合料施工溫度可有效降低。

2.3.1 試驗(yàn)溫度

改性中溫瀝青混合料拌和溫度與其結(jié)構(gòu)中水分蒸發(fā)直接相關(guān)；擊實(shí)溫度則關(guān)系到成型效果和混合料強(qiáng)度。為此，必須加強(qiáng)試驗(yàn)溫度控制。

按照與熱拌瀝青混合料相同的原材料含水率、拌和工藝，使用小型拌和設(shè)備制備改性中溫瀝青混合料，并分別按照 90 ℃、100 ℃、110 ℃、120 ℃、130 ℃和 140 ℃的溫度在烘箱內(nèi)持續(xù)養(yǎng)護(hù)2 h成型馬歇爾試件，并展開(kāi)室內(nèi)試驗(yàn)。根據(jù)改性中溫瀝青混合料試件的空隙率和穩(wěn)定度隨擊實(shí)試驗(yàn)溫度變化趨勢(shì)的試驗(yàn)結(jié)果，擊實(shí)溫度升高后，必然引起改性中溫瀝青混合料空隙率的降低，但是當(dāng)擊實(shí)溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，混合料空隙率便基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；混合料穩(wěn)定度在擊實(shí)溫度為110～120 ℃時(shí)變化平緩，溫度在90～110 ℃及超出120 ℃后，穩(wěn)定度變幅增大。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，中溫瀝青混合料擊實(shí)溫度應(yīng)當(dāng)保持在120 ℃。

結(jié)合工程實(shí)踐及熱力學(xué)公式，改性中溫瀝青在75～90 ℃時(shí)泵送性能最佳，按照這一溫度范圍進(jìn)行其材料的加熱溫度控制。具體而言，應(yīng)當(dāng)分別按照150～165 ℃、120～140 ℃、120～140 ℃及 115～130 ℃控制集料、試模加熱，混合料拌和，試件擊實(shí)溫度。

2.3.2 最佳油石比

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果，在改性中溫瀝青拌和以及運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，必然存在較大質(zhì)量損失，將熱拌瀝青混合料最佳油石比和中溫瀝青固含量相除，商數(shù)即為中溫瀝青混合料的初始油石比[1]。

3 工程應(yīng)用

某公路工程起訖樁號(hào)K1400+000～K1465+250，雙向四車(chē)道設(shè)計(jì)，路基寬26.5 m，路基填高均值為3.1 m，最大最小填高為5.0 m和2.6 m。結(jié)合工程區(qū)氣候條件及地質(zhì)，決定采用乳化型中溫瀝青混合料，長(zhǎng)度為700 m的試驗(yàn)段于2020年12月1日開(kāi)始鋪筑，施工當(dāng)日環(huán)境氣溫為?1～13 ℃，試鋪施工于當(dāng)日14∶30開(kāi)始，17∶12結(jié)束，開(kāi)始和結(jié)束時(shí)地表溫度分別為10 ℃和6 ℃。

3.1 混合料拌和

乳化型改性中溫瀝青水分含量高，在拌和過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量水蒸氣，不利于拌和樓稱量系統(tǒng)控制，引發(fā)拌和設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)銹蝕的可能性也較大。再加上拌和樓在熱拌瀝青拌和的同時(shí)還在進(jìn)行乳化改性中溫瀝青拌和，前者的加熱溫度明顯高于后者。在中溫瀝青拌和時(shí)產(chǎn)生大量水蒸氣的情況下，會(huì)造成瀝青管道負(fù)壓，影響瀝青向拌鍋中泵送的效率。為此，該公路工程在混合料拌和前，應(yīng)改造拌和樓，將蒸汽收集及排放裝置增設(shè)在其一級(jí)、二級(jí)瀝青提升設(shè)備和拌鍋處，并添加送風(fēng)延時(shí)纖維自動(dòng)投放裝置。

3.2 施工溫度控制

結(jié)合相關(guān)規(guī)范，應(yīng)當(dāng)借助黏溫曲線展開(kāi)普通瀝青混合料拌和及壓實(shí)溫度的確定，拌和溫度和壓實(shí)溫度分別取黏溫曲線上（0.17±0.02）Pa·s黏度和（0.28±0.03）Pa·s黏度下的溫度[2]。

該公路工程通過(guò)布氏黏度計(jì)測(cè)量高固含量乳化型中溫瀝青黏度值，并基于測(cè)定結(jié)果，進(jìn)行高固含量乳化型中溫瀝青黏溫公式的擬合，結(jié)果如下：

式中，N——瀝青材料的表觀黏度值（Pa·s）；T——瀝青材料的黏溫值（℃）；R2——相關(guān)系數(shù)。根據(jù)以上公式，改性中溫瀝青混合料的拌和溫度以及壓實(shí)施工溫度可相應(yīng)得出?；谝陨戏治?，并結(jié)合試驗(yàn)溫度控制結(jié)果，將應(yīng)用公式（1）所得到的改性中溫瀝青混合料各施工階段溫度控制具體要求列示如表4。

表4 改性中溫瀝青混合料各施工階段溫度控制要求

3.3 室內(nèi)成型

考慮到改性中溫瀝青混合料性能的特殊性，在施工期間，從拌和樓取料后展開(kāi)室內(nèi)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)溫度不均勻必然會(huì)影響馬歇爾試件成型效果和試驗(yàn)結(jié)果。為此，在控制溫度的同時(shí)主要制定出以下三種成型方法：一是在120 ℃的恒溫烘箱置入取樣混合料，不間斷保溫養(yǎng)護(hù)120 min后，于混合料試件的雙面分別擊實(shí)75次，保證混合料試件的高度不超出（63.5±1.3）mm范圍；二是在120 ℃的恒溫烘箱中放入適量混合料，持續(xù)保溫120 min后在115 ℃的溫度下雙面分別擊實(shí)50次；此后與試模共同放入120 ℃恒溫烘箱保溫30 min，雙面再分別擊實(shí)25次，保證混合料試件的高度不超出（63.5±1.3）mm的范圍；三是在120 ℃的恒溫烘箱中置入混合料試件并持續(xù)保溫30 min，取出后放進(jìn)115 ℃的試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)雙面分別擊實(shí)50次；和試模共同置入120 ℃的恒溫烘箱中持續(xù)養(yǎng)護(hù)120 min；取出后雙面再分別擊實(shí)25次，試件高度控制要求與前兩種成型方法相同。

按照以上過(guò)程成型試件后，進(jìn)行試件馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定，根據(jù)（表5）測(cè)定結(jié)果，不同成型方法所對(duì)應(yīng)的改性中溫瀝青混合料試件馬歇爾穩(wěn)定度和空隙率存在較大差異[3]，按照方法⑶制備的馬歇爾試件穩(wěn)定度高，空隙率低，故該公路施工過(guò)程中中溫瀝青混合料成型采用方法⑶。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果比較

4 施工質(zhì)量

該公路試驗(yàn)段高固含量乳化型改性中溫瀝青混凝土施工工藝和流程與普通瀝青混合料基本一致，故該文從略。待試驗(yàn)路段鋪筑完成后，對(duì)路面厚度、穩(wěn)定度、壓實(shí)度等展開(kāi)隨機(jī)取樣檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。壓實(shí)度、馬歇爾穩(wěn)定度、空隙率等指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均符合施工規(guī)范，但因部分位置下面層平整度較差，改性中溫瀝青混合料上面層鋪筑后路面厚度偏厚[4]，超出規(guī)范規(guī)定的35～50 mm的上限。

表6 試驗(yàn)路段施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果還可以看出，中溫改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性比普通瀝青混合料好，主要原因在于，降黏組分揮發(fā)后，其中的高分子聚合物的增黏作用開(kāi)始發(fā)揮，車(chē)轍深度也隨之大幅降低；此外，該混合料的凍融劈裂強(qiáng)度和馬歇爾動(dòng)穩(wěn)定度明顯高出規(guī)范，瀝青路面的水穩(wěn)性可大幅提升。輕質(zhì)組分的摻加有利于改善瀝青混合料低溫穩(wěn)定性，輕質(zhì)組分揮發(fā)后，試件低溫性能略有降低，但仍高出規(guī)范值。

按照相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求養(yǎng)護(hù)后的試件，路用性能明顯優(yōu)于未養(yǎng)護(hù)試件，故必須嚴(yán)格按照相關(guān)要求展開(kāi)中溫瀝青混合料工后養(yǎng)護(hù)，提升路用性能。

在該公路段持續(xù)運(yùn)營(yíng)半年及1年后進(jìn)行了鉆芯取樣，并對(duì)芯樣量測(cè)切割后制成試件，進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度檢測(cè)。結(jié)果顯示，試件高度、最大荷載、劈裂抗拉強(qiáng)度等均滿足設(shè)計(jì)要求，且與工后檢測(cè)結(jié)果比，降幅較小，說(shuō)明在使用過(guò)程中乳化型改性中溫瀝青混合料路用性能較為穩(wěn)定。

5 結(jié)論

工程應(yīng)用結(jié)果表明，高固含量乳化改性中溫瀝青混合料在公路工程中的應(yīng)用，可從根本上解決傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料在低溫地區(qū)施工性能和路用性能受限的難題，通過(guò)加強(qiáng)配合比設(shè)計(jì)、最佳油石比確定、拌和設(shè)備改進(jìn)、施工溫度控制，并加強(qiáng)下面層處理，可顯著提升該類瀝青混合料施工效果及工后瀝青路面壓實(shí)度、空隙率及馬歇爾穩(wěn)定度。