高性能冷拌冷鋪瀝青混合料配比設(shè)計(jì)及性能研究

李潘炡 張超 魏必成 陳香 段少嬋 柳昊

摘要 針對(duì)冷拌冷鋪瀝青混合料存在的初始強(qiáng)度弱、固化時(shí)間長(zhǎng)、抗車(chē)轍性差等問(wèn)題，該研究通過(guò)高性能乳化瀝青研發(fā)、配合比設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證方法，研發(fā)了一種高性能冷拌冷鋪瀝青混合料。制備的乳化瀝青具有超粘特性，最佳油石比為7.2%的冷拌冷鋪混合料具有良好的抗車(chē)轍性能、抗水損害性能及耐磨耗性能。

關(guān)鍵詞 冷拌冷鋪;乳化瀝青;預(yù)防性養(yǎng)護(hù);節(jié)能減排;混合料設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0080-04

收稿日期：2022-05-11

作者簡(jiǎn)介：李潘炡（1980—），男，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：道路工程材料。

0 引言

目前對(duì)于路面中罩面和坑槽修補(bǔ)材料的研究主要集中于冷拌冷鋪瀝青混合料[1]。席建權(quán)開(kāi)發(fā)的冷拌路面修補(bǔ)材料在試驗(yàn)路段沒(méi)有出現(xiàn)冷補(bǔ)混合料脫落、松散，路用性能可靠，但是出現(xiàn)輕微擁包和泛油現(xiàn)象[2]。任永利研發(fā)出一種HU-L型瀝青改性劑，將其加入瀝青當(dāng)中可以同時(shí)起到瀝青稀釋和改性作用，制備出一種冷補(bǔ)瀝青混合料，通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：其強(qiáng)度形成較為緩慢[3]。郭揚(yáng)通過(guò)添加纖維改善了冷拌瀝青混合料的疲勞性能，形成了纖維、乳化瀝青、纖維穩(wěn)定劑、礦粉及集料組成于一體的冷拌瀝青混合料，整體力學(xué)性能提升明顯，溫度敏感性小[4]。

該研究擬制備一種新型的冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，以用于預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中瀝青路面的薄層罩面。通過(guò)對(duì)冷拌冷鋪瀝青混合料進(jìn)行相應(yīng)的路用性能評(píng)價(jià)，目的在于代替熱拌瀝青混合料，在路面施工過(guò)程中達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、降低建設(shè)成本的效果。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

選用SK70 A號(hào)基質(zhì)瀝青，其基本性能如表1。SBS改性劑為線型YH-791。降粘劑為I，樹(shù)脂為D，阿克蘇乳化劑4 819，PHT穩(wěn)定劑，羥乙基纖維素醚和飲用水。

1.2 高性能改性瀝青復(fù)合制備

將基質(zhì)瀝青加熱至150～160 ℃，使其變?yōu)榱黧w狀態(tài)。依次加入5%的SBS，0.1%的PHT穩(wěn)定劑，3%的降粘劑I和1%的樹(shù)脂為D（均為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比），充分剪切并攪拌30 min，再置于160 ℃的烘箱中靜置發(fā)育60 min，由此制備出高性能復(fù)合改性瀝青，其性能指標(biāo)如表2所示。

1.3 高性能乳化瀝青的制備

取上述復(fù)合改性瀝青性能加熱到180 ℃?zhèn)溆?，?5 g的阿克蘇乳化劑4 819和0.01 g羥乙基纖維素醚加入2 800 g的60 ℃水中，調(diào)節(jié)pH值至2～2.5，后添加60 ℃水至3 000 g配成皂液，開(kāi)啟膠體磨，將預(yù)先加熱過(guò)的復(fù)合改性瀝青和皂液按照63∶37質(zhì)量比通過(guò)膠體磨進(jìn)行乳化制備出慢裂快凝超粘改性乳化瀝青。超粘改性乳化瀝青的粒度分析結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可看出，制備乳化瀝青峰值粒徑和平均體積粒徑分別為2.27 μm和3.14 μm，乳化瀝青乳化效果較好。慢裂快凝型超粘乳化瀝青基礎(chǔ)性能的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

如表3得慢裂快凝型超粘乳化瀝青性能技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，60 ℃旋轉(zhuǎn)黏度達(dá)到高粘改性瀝青技術(shù)水平。

1.4 試驗(yàn)方案

冷拌冷鋪技術(shù)是在高性能乳化瀝青的開(kāi)發(fā)及《稀漿封層及微表處技術(shù)指南》[5]的基礎(chǔ)上形成自有級(jí)配的冷拌冷鋪瀝青混合料。其性能評(píng)價(jià)主要借鑒國(guó)際稀漿罩面協(xié)會(huì)中的方法對(duì)該材料進(jìn)行評(píng)價(jià)。

該研究對(duì)冷拌冷鋪混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，通過(guò)拌和試驗(yàn)、黏聚力試驗(yàn)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定冷拌冷鋪混合料中油石比、水泥、水的摻配比例。通過(guò)濕輪磨耗試驗(yàn)和負(fù)荷車(chē)輪粘試驗(yàn)確定相變微表處混合料的最佳油石比。同時(shí)對(duì)新型冷拌冷鋪混合料的抗車(chē)轍性能、抗水損害性能及耐磨耗性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷拌冷鋪混合料級(jí)配要求

考慮到微表處在我國(guó)應(yīng)用良好，但是噪聲是微表處大面積推廣關(guān)鍵影響因素，因此在設(shè)計(jì)配合比時(shí)，綜合考慮PAC-10和MS-3型級(jí)配形成自己特有級(jí)配具體見(jiàn)表4。

2.2 冷拌冷鋪混合料配合比設(shè)計(jì)

合成級(jí)配如表5所示。對(duì)集料級(jí)配進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使級(jí)配曲線靠近級(jí)配中值略呈S形，有利于集料形成嵌擠作用。

2.3 冷拌冷鋪混合料試配

在確定配合比之前進(jìn)行人工拌和試驗(yàn)，報(bào)告記述試驗(yàn)時(shí)的氣溫和濕度、拌和時(shí)間，進(jìn)行黏聚力試驗(yàn)，檢測(cè)30 min強(qiáng)度，結(jié)果如表6所示。

拌和狀態(tài)通過(guò)混合料的拌合試驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè)，記錄破乳時(shí)間。分析試驗(yàn)結(jié)果后初判定混合料中油石比的大小及瀝青的適用性。由表4數(shù)據(jù)可知，以上摻配比例的混合料拌和時(shí)間均在180 s以上，基本上能夠形成良好的稀漿狀態(tài)，且可達(dá)到可拌和時(shí)間的要求。在保證混合料要有足夠的施工時(shí)間的同時(shí)，還需混合料的初期強(qiáng)度滿(mǎn)足一定的要求，混合料的早期強(qiáng)度通過(guò)黏聚力試驗(yàn)來(lái)表征，由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，10%、11%的改性乳化瀝青用量、9%、10%的外加水量、1.0%、1.5%的水泥用量，可得到指標(biāo)良好的混合料。該試驗(yàn)所用合成級(jí)配含有較多粉料，所以需要的水較多。11%的改性瀝青、10%用水量、1.0%水泥用量的稀漿混合料有較好的成漿狀態(tài)。

2.4 冷拌冷鋪?zhàn)罴延褪鹊拇_定

該文依據(jù)稀漿封層施工技術(shù)規(guī)范，在確定級(jí)配條件下，為防止開(kāi)裂選取水泥摻量1%，外加用水量取10%，油石比取6.6%、7.2%、7.8%，分別進(jìn)行1 h濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷車(chē)輪粘砂試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果繪制用料確定稀漿混合料最佳瀝青用量的曲線圖，根據(jù)曲線圖選擇相變微表處混合料的最佳油石比。平行試驗(yàn)三組，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

油石比的用量直接影響微表處混合料的性能，因此在研究混合料的路用性能之前需確定混合料的最佳瀝青用量。規(guī)范給出了混合料設(shè)計(jì)中的瀝青用量的大致范圍，沒(méi)有給出一個(gè)確定值，因此混合料的最佳瀝青用量可通過(guò)濕輪磨耗試驗(yàn)和負(fù)荷車(chē)輪粘砂試驗(yàn)來(lái)確定。1 h濕輪磨耗值及粘附砂量與油石比的關(guān)系如圖2所示。0C4DA3F7-35C5-4A27-9B35-5E14D0D02E64

觀察油石比關(guān)系曲線圖2可知，當(dāng)油石比取6.6%～7.8%時(shí)，測(cè)試混合料的浸水1 h濕輪磨耗損失小于540 g/m?、粘附砂量小于 450 g/m?，均符合指南中的相應(yīng)要求。粘附砂量不能大于 450 g/m?的要求，因此可選擇的油石比范圍比較寬。1 h 濕輪磨耗曲線與粘附砂量曲線交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的油石比為7.2%。綜合考慮若油石比過(guò)小，集料與瀝青之間的裹覆性差，會(huì)導(dǎo)致其性能不足。而油石比過(guò)大則混合料表面容易產(chǎn)生油光，在實(shí)際工程中路面泛油現(xiàn)象嚴(yán)重，且提高造價(jià)。因此，該文最終確定7.2%為最佳油石比。圖2 冷拌冷鋪混合料油石比確定

2.5 冷拌冷鋪混合料性能評(píng)價(jià)

冷拌冷鋪?zhàn)雎访骛B(yǎng)護(hù)的最終目的是延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命。因此需要對(duì)上述試驗(yàn)所確定的混合料進(jìn)行性能分析。對(duì)不同組成方案冷拌冷鋪混合料性能進(jìn)行檢驗(yàn)，組成方案見(jiàn)表8。由于納米封面劑較多容易堵塞表面構(gòu)造深度，建議撒布量不要超過(guò)0.5 kg/m2，為防止開(kāi)裂建議水泥用量為1%。

2.5.1 耐磨耗性能

在測(cè)試耐磨耗性能時(shí)，設(shè)定濕輪磨耗試驗(yàn)儀的磨耗頭轉(zhuǎn)動(dòng)300 s，每組試樣個(gè)數(shù)為3個(gè)，進(jìn)行3次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果求平均值。

冷拌冷鋪在用于高速公路或一級(jí)公路的車(chē)轍填充和罩面時(shí)，除了對(duì)集料有耐磨、選取硬質(zhì)石料的要求，還要求混合料具有較高的粘結(jié)力以確保在車(chē)輛荷載作用下集料不會(huì)被磨出。浸水1 h磨耗值能夠用來(lái)表征混合料耐磨性能，耐磨值越小耐磨性能越強(qiáng)，集料不容易被刮出，表明瀝青與集料之間的粘接性好，整體性強(qiáng)。若磨耗值很大則耐磨性能很差。冷拌冷鋪混合料的耐磨性能主要通過(guò)浸水1 h濕輪磨耗試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。表9為三種方案的1 h濕輪磨耗結(jié)果。

按規(guī)范要求將混合料過(guò)篩，篩除4.75 mm以上部分，其目的是為得到一個(gè)沒(méi)有大集料、較為平整的磨耗面，以防在進(jìn)行濕輪磨耗試驗(yàn)時(shí)大料被刮出，如果集料不進(jìn)行過(guò)篩則會(huì)造成磨耗試驗(yàn)結(jié)果偏大，試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，納米封面材料用量越大，濕輪磨耗值越小。超粘乳化瀝青用量越大，濕輪磨耗值越小。三種方案濕輪磨耗值小于540 g/m?，因此該冷拌冷鋪混合料具有一定的抗磨耗性能，滿(mǎn)足規(guī)范要求?？梢酝ㄟ^(guò)提高混合料的油石比或者增加納米封面劑來(lái)提高其抗磨耗性能。

2.5.2 抗水損害性能

冷拌冷鋪是一種稀漿混合料，需通過(guò)拌和試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行評(píng)定，破乳時(shí)間、可拌和時(shí)間可作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。對(duì)混合料進(jìn)行6 d的濕輪磨耗試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)得出三種不同混合料的磨耗值，分析了混合料的抗水損害性。表10為三種方案下新型冷拌冷鋪瀝青混合料的 6 d 濕輪磨耗值結(jié)果。

通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果表明：納米封面劑撒布量越大，浸水6 d濕輪磨耗值越小。這是由于納米封面劑在表面阻隔了水分持續(xù)損害，進(jìn)入瀝青與集料中的水分減少;同時(shí)微膠囊相變材料粒徑較小，填充了微表處混合料中的空隙，使混合料更加密實(shí)，整體性更強(qiáng)，水分不容易進(jìn)入到混合料內(nèi)部，從而提高了微表處混合料的抗水損害能力。隨著超粘乳化瀝青摻量增大，浸水6 d濕輪磨耗值變小，隨著乳化瀝青摻量增大，石料表面形成的瀝青膜厚度增大，混合料抗水損害性能越好。

2.5.3 抗車(chē)轍性能對(duì)比

冷拌冷鋪混合料的抗車(chē)轍能力通過(guò)試件寬度的變形率來(lái)表征。經(jīng)1 000次碾壓后的試件寬度變形率越小，混合料的抗車(chē)轍能力越強(qiáng)。按照微表處混合料配比成型長(zhǎng)（380.0±0.1 mm）×寬（50±0.1 mm）×厚（12.7±0.1 mm）規(guī)格的條形試件，進(jìn)行輪轍變形試驗(yàn)，在22±2 ℃的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行，記錄實(shí)驗(yàn)前試件寬度、碾壓1 000次后測(cè)量試樣寬度，計(jì)算寬度變形率。表11為不同方案冷拌冷鋪混合料輪轍變形試驗(yàn)結(jié)果。

負(fù)荷輪車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果得出不同方案下的輪轍變形率不同，納米封面劑對(duì)負(fù)荷輪車(chē)轍沒(méi)有影響，隨著超粘乳化瀝青摻量變大，抗車(chē)轍性能越差，這是因?yàn)樵诜磸?fù)荷載作用下，混合料出現(xiàn)泛油，造成混合料抗車(chē)轍性能變?nèi)酢?/p>

3 結(jié)論

該研究開(kāi)發(fā)出預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)冷拌冷鋪瀝青混合料，得出以下主要結(jié)論：

（1）研究開(kāi)發(fā)出高性能乳化劑，將其與復(fù)合改性瀝青一起制備超粘乳化瀝青，制備超粘乳化瀝青粒徑較小，乳化瀝青性能指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)要求。

（2）通過(guò)對(duì)新型冷拌冷鋪瀝青混合料進(jìn)行拌和試驗(yàn)、黏聚力試驗(yàn)、負(fù)荷車(chē)輪粘試驗(yàn)及濕輪磨耗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得出：拌冷鋪混合料油石比、水泥及水的摻配比例;拌和時(shí)間及黏聚力滿(mǎn)足規(guī)范要求;相變微表處混合料的最佳油石比為7.2%。

（3）通過(guò)性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，冷拌冷鋪混合料具有優(yōu)良的抗車(chē)轍性能、抗水損害性能及耐磨耗性能，可用于瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)工程中。

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