冷拌冷鋪乳化瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

關(guān)鍵詞：道路工程；乳化瀝青混合料；冷拌冷鋪；試驗(yàn)方法；設(shè)計(jì)參數(shù)中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.004文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0013-04

0 引言

冷拌冷鋪乳化瀝青材料可常溫施工，碳排放顯著降低，有效助推可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和雙碳發(fā)展目標(biāo)，近年來成為研究熱點(diǎn)[1。國外對(duì)乳化瀝青的研究與應(yīng)用起步早，相關(guān)研究成果為我國提供了有用借鑒，從20世紀(jì)90年代初，我國逐漸著手開發(fā)冷拌冷鋪瀝青混合料并推廣應(yīng)用2。乳化瀝青是冷拌冷鋪混合料的關(guān)鍵材料，其混合料強(qiáng)度形成需要經(jīng)歷破乳-水分蒸發(fā)等過程，造成了冷拌冷鋪乳化瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中所使用的試驗(yàn)方法與條件無法完全參考熱拌瀝青混合料的方法，目前尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法，有必要開展進(jìn)一步研究，為低排放型冷拌冷鋪乳化瀝青的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。國內(nèi)不少學(xué)者如李思童3、趙志超4、陳帆5等均對(duì)乳化瀝青混合料的試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，提出了拌和方法、成型方法和指標(biāo)測試方法等。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同研究中所使用的試驗(yàn)方法均存在一定的差異，但整體上均遵循了相同的原則，充分考慮乳化瀝青混合料的材料特性，在拌和時(shí)對(duì)石料進(jìn)行預(yù)濕，以提高集料與乳化瀝青的拌和均勻性，同時(shí)防止由于失水過多造成乳化瀝青提前破乳；擊實(shí)或碾壓分為兩階段，且期間設(shè)置養(yǎng)生時(shí)間，用于模擬實(shí)際水分或溶劑蒸發(fā)[6-7]。在配合比設(shè)計(jì)參數(shù)方面，由于提前加水進(jìn)行了預(yù)拌，需確定最佳的外摻水用量，進(jìn)而確定最佳乳化瀝青用量8；在預(yù)拌水、乳化瀝青固含量差異化以及乳化瀝青“油-水”共混特性條件下，冷拌冷鋪乳化瀝青混合料如何合理確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)尚需進(jìn)一步研究。

本文對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料拌和、成型試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，推薦合理的試驗(yàn)控制條件，進(jìn)一步研究不同外摻水用量、乳化瀝青油石比等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)條件下乳化瀝青混合料性能變化規(guī)律，提出最佳的外摻水用量和最佳乳化瀝青油石比，進(jìn)而對(duì)混合料的路用性能進(jìn)行測試驗(yàn)證，形成冷拌冷鋪乳化瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，為冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的應(yīng)用提供參考。

1材料組成設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1.1.1乳化瀝青

采用SBR改性乳化瀝青，其技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

1.1.2礦料

本研究所使用的粗集料、細(xì)集料、礦粉如表2所示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40一2004）相關(guān)技術(shù)要求。

1.2礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

本研究以AC-13型瀝青混合料為例，對(duì)各檔礦料進(jìn)行篩分，設(shè)定調(diào)整各檔礦料摻配比例為 10～15：5～ 10：3～5：0～3：π 廣粉 =20：40：6：32：2. 外摻 2% 水泥。礦料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖1所示。

2試驗(yàn)方法研究

擬對(duì)冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的拌和方法、馬歇爾試件成型方法、車轍板成型方法進(jìn)行研究，為優(yōu)化試驗(yàn)量，混合料級(jí)配如前文所述。參照相關(guān)參考文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，乳化瀝青混合料外摻水摻量暫取 2.0% 、乳化瀝青油石比暫取 8.0% 。

2.1混合料拌和方法

由于乳化瀝青混合料存在多種添加劑材料，不同的添加順序?qū)?huì)對(duì)拌和效果產(chǎn)生顯著的影響，從而影響瀝青混合料的性能。該材料的拌和主要考慮以下因素：

（1）乳化瀝青的破乳控制，避免拌和過程中瞬時(shí)失水而破乳。（2）纖維等改性劑的拌和均勻性，避免分散不均勻和團(tuán)聚現(xiàn)象。（3）礦粉表面乳化瀝青裹覆的均勻性，避免出現(xiàn)花白料。

為解決上述技術(shù)問題，綜合現(xiàn)有研究成果及乳化瀝青混合料的材料特征，本研究設(shè)計(jì)了三種拌和方法如表3所示，并對(duì)成品料的表觀性狀進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，對(duì)成品料馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以推薦合理的拌和方法。

由表3可以看出，方法A2的拌和工藝效果更佳，混合料更加均勻，并且馬歇爾穩(wěn)定度值達(dá)到8.32KN，較方法A1和方法A3分別提高了 135.7%.61.6% 。因此后續(xù)研究混合料的拌和采用方法A2。

2.2馬歇爾試件成型方法

2.2.1成型工序的影響

通過對(duì)比規(guī)范和現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn)，乳化瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)方法主要的差異在于第1次和第2次擊實(shí)后的養(yǎng)生溫度、養(yǎng)生時(shí)間。本研究設(shè)置了三種不同馬歇爾成型方法如表4所示，并測試其馬歇爾穩(wěn)定度。

由表4可以看出，方法B3所制備的馬歇爾穩(wěn)定度最高，相較于方法B1和方法B2分別提高了31. 2% 、17.7% 。分析其原因主要是改性乳化瀝青混合料摻入了部分水硬性膠凝材料，對(duì)擊實(shí)時(shí)機(jī)和養(yǎng)生溫度有一定要求：養(yǎng)生溫度不宜過高，以免抑制膠凝材料的水化反應(yīng)；在初凝前完成全部的擊實(shí)工作，避免對(duì)材料強(qiáng)度造成不可逆的破壞。

2.2.2養(yǎng)生時(shí)間的影響

相關(guān)研究表明，乳化瀝青基材料的最終強(qiáng)度形成依賴于乳化瀝青中的水分蒸發(fā)和破乳。在上述優(yōu)選的方法B3基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察擊實(shí)后在 60^°C 中的合理養(yǎng)生時(shí)間，在試驗(yàn)中分別取24h、48h、72h、96h、120h，其馬歇爾穩(wěn)定度測試結(jié)果如表5所示。

由表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著養(yǎng)生時(shí)間的延長，馬歇爾穩(wěn)定度總體呈上升趨勢(shì)，經(jīng)歷了快速增長后趨于平緩這兩個(gè)階段，其中48h為主要分界點(diǎn)，相對(duì)于養(yǎng)生24h其馬歇爾穩(wěn)定度提高了39. 1% ；48h后其強(qiáng)度增幅不大，120h時(shí)其增幅僅為 3.6% 。由于乳化瀝青混合料中含有水分，在養(yǎng)生過程中水分會(huì)不斷蒸發(fā)而造成質(zhì)量損失，水分蒸發(fā)的過程即是混合料強(qiáng)度形成的過程。從上述質(zhì)量損失率指標(biāo)來看，當(dāng)養(yǎng)生時(shí)間達(dá)48h后，質(zhì)量損失率基本無明顯變化，說明混合料中的水分已基本蒸發(fā)完成。

綜上，建議馬歇爾成型方法采用方法B3，其中養(yǎng)生時(shí)間控制在48h更為合適。

2.3車轍板試件成型方法

本研究設(shè)計(jì)的車轍板成型方法及所測得的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果如表6所示。

由表6可以看出，三種成型方法的動(dòng)穩(wěn)定度大小的排序?yàn)榉椒? 方法" 2 gt;方法C1，相較于方法C2和方法C1，方法 的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了2倍和3倍以上。究其原因，與馬歇爾試件成型方法類似。由于水泥性材料的摻入，需要控制好加熱溫度和壓實(shí)時(shí)機(jī)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建議采用方法C3成型車轍板試件。

3關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

3.1最佳外摻水用量

水的用量對(duì)乳化瀝青冷拌混合料的拌和狀態(tài)有重要影響。在制備乳化瀝青混合料過程中，需要提前將合理用量的外摻水與礦料混合，使礦料表面濕潤，以便于乳化瀝青與礦料更好地拌和均勻。外摻水用量從零開始，以礦料質(zhì)量的 0.5% 為間隔逐漸遞增進(jìn)行調(diào)試。具體方法為：先將粗集料和細(xì)集料拌和均勻，加入不同摻量的外摻水并拌制均勻，觀察混合料拌和狀態(tài)，當(dāng)混合料拌和過程中乳液能夠均勻裹附在集料表面，無結(jié)團(tuán)、無離析等現(xiàn)象產(chǎn)生，則可作為初擬外摻水用量。進(jìn)一步測試混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，綜合確定作為最佳外摻水用量。

乳化瀝青油石比采用經(jīng)驗(yàn)值為 8.0% ，外摻水用量分別取礦料質(zhì)量的 0.5%.1.0%.1.5%.2.0%.2.5% ，先將粗集料和細(xì)集料拌和均勻，加入上述外摻水并拌制均勻，再加入冷拌瀝青拌制均勻，各混合料的拌和狀態(tài)如圖2所示。

從圖2集料拌和狀態(tài)可以看出，當(dāng)外摻水用量為0.5% 和 1.0% 時(shí)，混合料可見較明顯的松散和結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，外摻水用量為 1.5% 和 2.0% 時(shí)拌和狀態(tài)尚可，外摻水用量為 2.5% 時(shí)，混合料可見明顯流淌狀態(tài)，存在一定的離析現(xiàn)象。進(jìn)一步采用上述材料成型馬歇爾試件，測試其馬歇爾強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)外摻水用量為 2.0% 時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度值達(dá)到最大值，結(jié)合混合料的拌和狀態(tài)和馬歇爾穩(wěn)定度值，推薦最佳外摻水用量取 2.0% 。

3.2最佳乳化瀝青用量

3.2.1以有效瀝青為基準(zhǔn)預(yù)估改性乳化瀝青用量

以有效瀝青為基準(zhǔn)，結(jié)合工程實(shí)踐中該級(jí)配熱拌瀝青混合料常用的油石比，根據(jù)改性乳化瀝青固含量，預(yù)估改性乳化瀝青用量。如AC-13熱拌瀝青混合料的常用油石比為 5.0% ，若乳化瀝青固含量為 62% ，則預(yù)估乳化瀝青油石比為8. 1% 。

3.2.2經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法校核預(yù)估改性乳化瀝青用量

以不同經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法公式校核預(yù)估乳化瀝青用量。目前常用的有美國加州經(jīng)驗(yàn)法、同濟(jì)大學(xué)經(jīng)驗(yàn)法、交通運(yùn)輸部經(jīng)驗(yàn)法，按照這三種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法進(jìn)行乳化瀝青用量預(yù)估，其中美國加州經(jīng)驗(yàn)法為 3.87% ，同濟(jì)大學(xué)經(jīng)驗(yàn)法為 4.73% ，交通運(yùn)輸部經(jīng)驗(yàn)法為 7.96% 。

由此可見，不同經(jīng)驗(yàn)法所計(jì)算出來的結(jié)果存在較大的差異，而交通運(yùn)輸部經(jīng)驗(yàn)法為專門針對(duì)陽離子乳化瀝青回歸得到的預(yù)估公式，且與有效瀝青為基準(zhǔn)預(yù)估的改性乳化瀝青用量接近。因此推薦采用交通運(yùn)輸部經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行改性乳化瀝青用量預(yù)估，得到本次AC-13初擬最佳乳化瀝青油石比為 8.0% 。

3.2.3不同乳化瀝青用量的混合料馬歇爾指標(biāo)參數(shù)

以預(yù)估乳化瀝青油石比為中值，按照增減 0.5% 取5個(gè)乳化瀝青用量值，并采用最佳外摻水用量進(jìn)行預(yù)濕潤，制備馬歇爾試件，測試馬歇爾各項(xiàng)體積、力學(xué)指標(biāo)，建立乳化瀝青油石比與馬歇爾體積-力學(xué)指標(biāo)關(guān)系，按照馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定最佳乳化瀝青油石比。

取 7.0%.7.5%.8.0%.8.5%.9.0% 五組不同的乳化瀝青油石比進(jìn)行修正馬歇爾試驗(yàn)，繪制油石比與混合料體積一力學(xué)指標(biāo)關(guān)系示意圖（見圖4）。

3.3路用性能驗(yàn)證

以最佳外摻水用量 2.0% 、最佳乳化瀝青油石比7.7% 拌制冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，對(duì)其路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

根據(jù)表8試驗(yàn)結(jié)果可知，該冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、低溫彎曲應(yīng)變等路用性能均滿足現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范相關(guān)要求。

4結(jié)語

通過上述研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)比不同試驗(yàn)方法對(duì)乳化瀝青混合料狀態(tài)和性能指標(biāo)的影響，推薦了冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的試驗(yàn)方法和條件：混合料拌和推薦方法A2；馬歇爾成型推薦方法B3，其中養(yǎng)生時(shí)間以48h為宜；車轍板試件成型推薦方法 α

（2）本文給出了冷拌冷鋪乳化瀝青混合料最佳外摻水用量的確定方法，提出了基于有效瀝青預(yù)估 + 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 + 馬歇爾試驗(yàn)綜合確定最佳乳化瀝青用量的方法。

（3）在最佳外摻水用量 2% ，最佳乳化瀝青油石比7.7% 條件下，所設(shè)計(jì)的冷拌冷鋪改性乳化瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能良好，其中動(dòng)穩(wěn)定度為4655次/mm、殘留穩(wěn)定度為 91.6% 、凍融劈裂強(qiáng)度為88. 7% 、低溫彎曲應(yīng)變?yōu)?83 2μ=0

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