復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫性能研究

文章通過(guò)在SBS改性乳化瀝青中添加膠粉、高黏劑制備復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，對(duì)其力學(xué)性能、高溫性能展開(kāi)研究，得出結(jié)論如下：復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青有效解決了傳統(tǒng)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂比兩項(xiàng)水穩(wěn)定性能指標(biāo)與熱拌瀝青混合料相當(dāng)；在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃溫度水平和0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa荷載水平下復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料抗車轍性能均優(yōu)于熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料；復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度在溫度增加、荷載水平增加的情況下顯著降低，且對(duì)溫度的敏感性高于對(duì)荷載的敏感性?？傮w而言，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的性能較為優(yōu)異，研究的結(jié)果可為冷拌冷鋪瀝青混合料在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

道路工程；瀝青混合料；拌和方式；復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料；路用性能

U416.03A240794

作者簡(jiǎn)介：

方志江（1970—），碩士，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)營(yíng)運(yùn)管理、企業(yè)經(jīng)營(yíng)、國(guó)企改革等方面工作。

0" 引言

傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料施工需要加熱到相當(dāng)高的溫度（150 ℃～180 ℃），由此產(chǎn)生的CO2、CO、NOx、SOx和CH4等有害物質(zhì)不僅有損人體健康，對(duì)環(huán)境的破壞作用也較為顯著［1］。因此，道路工程領(lǐng)域的研究者或研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期以來(lái)致力于尋找代替熱拌瀝青混合料的施工方法。目前，已經(jīng)得到應(yīng)用的代替熱拌瀝青混合料的包括溫拌瀝青混合料（WMA）、半溫拌瀝青混合料（HWMA）以及冷拌冷鋪瀝青混合料（CMA）［2-3］。熱拌瀝青混合料拌和溫度一般為160 ℃～190 ℃，溫拌瀝青混合料拌和溫度在140 ℃～170 ℃，半溫拌瀝青混合料拌和溫度在100 ℃～130 ℃。盡管后兩種瀝青混合料拌和溫度相比熱拌瀝青混合料已經(jīng)有所降低，但在拌和過(guò)程中仍然需要加熱到較高溫度［4］。與之對(duì)比，冷拌冷鋪瀝青混合料在拌和過(guò)程中不需要加熱，在常溫下便可施工，具有優(yōu)異的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。查閱文獻(xiàn)［4］可知，稀釋瀝青和乳化瀝青是冷拌冷鋪瀝青混合料的主要膠結(jié)料形式。稀釋瀝青的稀釋劑通常由液體石油產(chǎn)品、外加劑等組成，施工過(guò)程中稀釋劑的蒸發(fā)對(duì)環(huán)境具有一定的污染性；相比之下，乳化瀝青施工過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有破壞作用的氣體，主要為水分蒸發(fā)，環(huán)境友好度較高［5-6］。但乳化瀝青所膠結(jié)的冷拌冷鋪乳化瀝青瀝青混合料目前最突出的問(wèn)題是水穩(wěn)定性能差［7］，且其低溫性能也限制了其應(yīng)用范圍。此外，我國(guó)評(píng)價(jià)車轍性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件為0.7 MPa接觸胎壓和60 ℃溫度［8］，然而瀝青混合料在不同溫度和載荷下的抗車轍能力不同，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件不能充分考慮高溫和高水平載荷下瀝青混合料的性能變化。比如在我國(guó)南方地區(qū)，路表溫度能達(dá)到60 ℃～70 ℃，且在南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，道路荷載水平也較高，但目前較少有文獻(xiàn)關(guān)注不同溫度和不同荷載作用下的冷拌冷鋪瀝青混合料的高溫性能。因此，本文在乳化瀝青的基礎(chǔ)上，添加SBS、膠粉、高黏劑等，自研復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，開(kāi)展復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料路用性能研究，尤其是在非標(biāo)準(zhǔn)條件下高溫性能的研究，并將復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料與熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料的高溫性能對(duì)比分析，研究成果可為工程實(shí)踐中選用合適性能、合適拌和溫度的瀝青混合料提供參考。

1" 原材料和配合比設(shè)計(jì)

1.1" 復(fù)合型乳化瀝青

基質(zhì)瀝青為70#A級(jí)瀝青，復(fù)合型乳化瀝青制備過(guò)程大致如下：（1）在基質(zhì)瀝青中摻加5%SBS改性劑；（2）對(duì)SBS改性瀝青乳化，制備乳化改性瀝青；（3）在乳化改性瀝青中摻加2%膠粉、2%高黏劑，制備復(fù)合型乳化瀝青。70#A級(jí)瀝青及復(fù)合型乳化瀝青的相關(guān)技術(shù)見(jiàn)表1及下頁(yè)表2。由表2可知，經(jīng)過(guò)SBS、膠粉、高黏劑改性后乳化瀝青殘留物的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上有較大程度的提升，表明本文的技術(shù)路線可行。

1.2" 溫拌劑

在本研究中，使用Sasobit作為溫拌劑。Sasobit可以提高瀝青結(jié)合料的軟化點(diǎn)，提高其高溫變形抗力，甚至降低其高溫黏度。采用Sasobit溫拌改性瀝青混合料與復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫性能進(jìn)行對(duì)比在工程實(shí)踐上具有一定的參考意義。

1.3" 集料

本研究使用的粗集料和細(xì)集料均為石灰?guī)r。兩種集料的性能參考《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)規(guī)程）的要求開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分別列于表3和表4中。粗、細(xì)集料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)高速公路瀝青表面層的要求。

復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫性能研究/方志江，潘強(qiáng)智，潘海賓，林德慶

1.4" 填料

本研究使用的填料為石灰石礦粉。按照試驗(yàn)規(guī)程對(duì)礦粉的技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試，如表5所示。所有測(cè)試結(jié)果均符合規(guī)范要求。

1.5" 配合比設(shè)計(jì)

對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，分別為熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料、復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料。其中，熱拌瀝青混合料的膠結(jié)料為SBS改性瀝青，溫拌瀝青混合料的膠結(jié)料為Sasobit+SBS改性瀝青，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的膠結(jié)料為本研究所研制的復(fù)合型乳化瀝青。這三種瀝青混合料的級(jí)配均為AC-13C型。為控制變量，三種瀝青混合料的合成級(jí)配均相同，具體見(jiàn)表6。通過(guò)常規(guī)配合比設(shè)計(jì)方法，熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料的油石比分別為4.8%、4.9%。對(duì)于溫拌瀝青混合料，Sasobit劑的摻量為SBS改性瀝青的5%；對(duì)于復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，根據(jù)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41-2008）相關(guān)要求開(kāi)展配合比設(shè)計(jì)。最佳含水量、復(fù)合型乳化瀝青結(jié)合料含量和水泥含量分別為包括礦粉在內(nèi)的礦物骨料質(zhì)量的2.5%、6.5%和1.5%。

2" 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1" 力學(xué)性能評(píng)價(jià)

對(duì)三種瀝青混合料浸水前后馬歇爾試件和凍融前后的劈裂強(qiáng)度試件開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知：溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度差異較小，但溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性能明顯下降，這兩種混合料的差異主要在于是否添加溫拌劑。由此可見(jiàn)，本文所選用溫拌劑對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性有一定的劣化作用。而復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度較其余兩種瀝青混合料有較大提升，且水穩(wěn)定性較高，高于溫拌瀝青混合料，與熱拌瀝青混合料相當(dāng)。表明經(jīng)過(guò)復(fù)合改性的乳化瀝青膠結(jié)料可以有效提升復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的力學(xué)性能，且有效提升了水穩(wěn)定性。

2.2" 抗車轍性能試驗(yàn)結(jié)果

在本研究中，瀝青混合料的高溫抗車轍性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為動(dòng)穩(wěn)定度?？管囖H性能試驗(yàn)參數(shù)主要有兩類：溫度和荷載。溫度選擇為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃，荷載采用輪胎壓力表示，分別為0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知：復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料在不同溫度和不同輪載壓力下的動(dòng)穩(wěn)定度均處于較高水平，高于其余兩種瀝青混合料，這表明復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫抗車轍性能優(yōu)異。考慮到復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料中含有SBS、高黏劑、膠粉等改性劑以及水泥材料，這些材料本身就具有提升瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的作用，這解釋了復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫性能優(yōu)異的原因。

2.3" 對(duì)溫度的敏感性分析

前文對(duì)比了三種瀝青混合料的高溫性能，為進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料對(duì)溫度的敏感性分析，繪制復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度在不同荷載條件下隨溫度的變化曲線，具體見(jiàn)圖1。

由圖1可知：復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與溫度呈負(fù)相關(guān)，在不同荷載水平下表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。這一結(jié)果表明，由于瀝青混合料在高溫下軟化，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫抗車轍性能有所下降。對(duì)復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料在不同荷載作用下隨溫度的變化曲線進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表9。由于復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與溫度呈負(fù)相關(guān)，因此斜率越小表明對(duì)溫度的敏感性越高。由表9可知：隨著荷載水平的增加，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的斜率逐漸降低，表明在高溫重載作用下，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的高溫性能將會(huì)顯著降低，且荷載水平越高，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫性能隨著溫度的增加將會(huì)急劇減小。

2.4" 對(duì)荷載的敏感性分析

為進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料對(duì)荷載的敏感性分析，繪制復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度在不同溫度條件下隨荷載的變化曲線，具體見(jiàn)圖2。

由圖2可知：復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的高溫性能與荷載水平呈負(fù)相關(guān)，在不同溫度水平下表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。這一結(jié)果表明，由于復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料在重載作用下易產(chǎn)生破壞，荷載水平的升高顯著降低復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的抗車轍能力。

對(duì)復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料在不同溫度下隨荷載的變化曲線進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表10。由于復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與溫度呈負(fù)相關(guān)，因此斜率越小表明對(duì)荷載水平的敏感性越高。由表10可知：隨著溫度的增加，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的斜率逐漸降低，表明溫度和荷載水平的增加均不利于復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的高溫抗車轍能力。值得注意的是，隨著荷載水平增加，擬合公式的R2逐漸降低，該值表明擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，該值降低表明隨著荷載水平增加，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度的離散性增加。

2.5" 方差分析

為對(duì)比分析溫度和荷載對(duì)復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫性能的影響水平，開(kāi)展方差分析。方差分析又稱變異系數(shù)分析或F檢驗(yàn)，主要用于分析多個(gè)樣本平均數(shù)差別的顯著性［9］，其中F值越大表明顯著性越高。利用SPSSAU在線平臺(tái)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表11所示。由表11可知，溫度和荷載的方差分析F值分別為21.779、0.705，表明溫度對(duì)復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響水平顯著高于荷載的影響水平。

3" 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)在SBS改性乳化瀝青中添加膠粉、高黏劑制備復(fù)合型乳化瀝青和復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn)和高溫車轍試驗(yàn)，并與熱拌瀝青混合料、溫拌瀝青混合料對(duì)比，得出結(jié)論如下：

（1）相比熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料，復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的力學(xué)性能較高，且水穩(wěn)定性達(dá)到熱拌瀝青混合料的水平，優(yōu)于溫拌瀝青混合料。

（2）在不同溫度、不同荷載水平下，采用復(fù)合型乳化瀝青制備的復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與其余兩種瀝青混合料相比較高，且高溫性能優(yōu)異。

（3）對(duì)復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)溫度、荷載水平的敏感性和方差進(jìn)行分析，得知高溫重載不利于復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，且溫度對(duì)復(fù)合型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的影響程度遠(yuǎn)高于荷載水平的影響。

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20240520