冷拌沥青混合料路用性能研究

2014-05-09程广庭

交通科技 2014年3期

程广庭

冷拌沥青混合料在沥青路面养护中具有广泛用途，本文使用高聚物改性乳化沥青为胶结料，选择适宜的矿料，进行独特的高聚物改性乳化沥青冷拌混合料配合比设计研究，并对冷拌沥青混合料的路用性能展开评价，包括水稳定性检验、高温性能试验、低温弯曲试验、强度随时间的变化性能等，通过冷拌沥青混合料的设计参数进行测试研究，为冷拌沥青路面的设计提供所需的参数。

1 混合料配合比设计

对于冷拌沥青混合料的配合比设计，国际上尚无公认的成熟方法。冷拌沥青混合料的配合比设计主要包括矿料级配类型及沥青用量的确定这两方面的内容。其在原材料选定之后的组成设计应基于两个原则：一方面是从沥青路面各种可能的破坏形式进行综合考虑，使混合料在性能上得到保证，避免沥青路面可能出现的破坏；另一方面是对沥青混合料设计与沥青路面结构设计进行综合考虑。本文主要基于当地的自然条件，结合高聚物改性乳化沥青应用于冷拌沥青路面的具体要求，通过试验研究，进行材料的组成设计研究。通过配合比设计确定冷拌沥青混合料的矿料级配及沥青用量［1］。

1.1 矿料级配的确定

好的矿料级配组成，应该是在热稳定性容许的条件下矿料孔隙率最小，以及为保证有足够的裹附沥青所需的结构比表面积，以保证矿料之间处于最紧密的状态，并为矿料与沥青之间相互作用创造良好条件，使沥青混合料最大限度地发挥其结构强度的效应，从而获得更好的使用性能。

（1）矿料的最大粒径。冷拌沥青混合料的矿料最大粒径除了普通沥青混合料需要考虑的结构厚度、耐疲劳性能、和易性、施工密实性和平整度外，冷拌沥青混合料的问题在于铺筑深处的强度不易保证，为了提高其深处的强度，施工时建议分层压实，每层厚度不超过2.5 c m，则其最大粒径应小于12.5 mm；另外考虑混合料的维修养护功能，为保证路面坑洞大小、深浅不一的随机情况下都能修补使用，冷拌材料的最大粒径宜小不宜大。综合考虑上述各因素，本课题选取的混合料最大粒径为9.5 mm。

（2）矿料级配类型。对于冷拌沥青混合料的级配类型，目前国际上各国之间差异很大。我国规范［2］规定冷拌料的级配应符合补坑的需要，粗集料级配必须具有充分的嵌挤能力，以便在未经充分碾压的条件下可开放通车碾压而不松散。级配范围见表1。

表1 我国规范推荐冷补料级配

本文主要针对LB－10型冷拌料进行研究，在规范建议基础上，结合实际材料进行配合比设计。相关指标见表2。

表2 3种矿料的合成级配通过率明细表

（3）级配检验。参照以往沥青路面冷拌料目标配合比的工程应用情况，选择油石比（纯残留物含量）4.5%作为3种试级配用油石比，按如下方法成型马歇尔试件。

先加水2%（占集料总重）润湿集料，常温下拌和；待拌和完1 h（根据具体沥青种类而定），混合料由褐色转为黑色的时候装模，双面击实各50次；击实完后补脱模放在110℃烘箱24 h，取出再双面击实25次，常温1 d脱模。马歇尔试验结果汇总见表3。

表3 3种试级配马歇尔试验结果汇总表

由表3可见，级配3体积指标满足要求，级配1和级配2体积指标不满足要求，根据经验本次设计选择级配3为设计级配。

1.2 乳化沥青用量的确定

用于拌制冷拌沥青混合料的乳化沥青，一般是采用有机溶剂将基质沥青稀释而得到。基质沥青的质量在稀释前后及有机溶剂挥发后是不会发生变化的，有机溶剂只是改变了基质沥青的工作性，并没有改变其质量。因此，用于确定热沥青混合料最佳沥青用量的方法，对冷拌沥青混合料同样适用。

在道路养护中采用快速经验公式法确定其沥青用量，本文拟先用经验公式法估算最佳初始沥青用量，再用马氏试验对其进行修正。

经验法估算采用下式进行：

式中：P为冷拌沥青混合料沥青含量，%；a为留存在2.36 mm筛上集料的质量分数，%；b为通过2.36 mm筛孔留存在0.3 mm筛上集料的质量分数，%；c为通过0.3 mm筛孔留存在0.075 mm筛上集料的质量分数，%；d为通过0.075 mm筛孔的质量分数，%。

级配3由上式算得P为4.5。以4.5为标准，采用4种油石比进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表4。

表4 LB－10设计级配马歇尔稳定度试验结果

根据设计经验取设计油石比为4.8%。

2 冷拌沥青混合料抗水损害性能

抗水损坏能力是冷拌沥青混合料的“弱项”，由于冷拌沥青混合料的胶结料粘度较小，对抵抗水分的置换能力本身就不强，而混合料在路面压实后，存在一定孔隙率，在有机溶剂和水挥发后，又产生空隙，虽然可以通过再次压实减轻挥发的影响，但水分还是会很容易进入。而且沥青与集料的粘附性较差，再加上交通荷载的反复冲击作用，尤其是在春秋两季，很容易产生水损害。

冷拌沥青混合料的水稳定性通过冻融劈裂试验进行评价。值得一提的是冷拌沥青混合料冻融劈裂试件的制备，跟前面马歇尔试验试件一样，这部分试件也是经过二次成型的。具体操作是常温拌和1 h后，装模双面各击实25次，放入110℃烘箱中24 h取出立即再双面各击实25次，常温1 d脱模，后续过程与热拌沥青混合料冻融劈裂试件的步骤一致。试验结果见表5。

表5 冻融劈裂试验结果

由表5可见，该冷拌沥青混合料满足抗水损害的要求，其TSR值还要稍高于泡沫沥青冷再生混合料，但其相应的劈裂强度绝对值要低于泡沫沥青，其解释如下。

（1）冷拌沥青混合料的初始强度均较低，其强度会随着时间的延长而有所增长。

（2）试验温度不同，冷拌沥青混合料的水浴温度为60℃，而泡沫沥青混合料的水浴温度仅为40℃。

3 冷拌沥青混合料高温性能

冷拌沥青混合料在铺筑之后，随着有机溶剂和水的挥发，沥青粘度的增大，混合料的强度是不断增大的。为了保证沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下，不致产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，混合料应具有足够的强度以抵抗永久变形能力。

评价沥青路面高温稳定性的方法有单轴蠕变试验、三轴蠕变试验、车辙试验等。本课题采用车辙试验进行评价。需要说明的是，车辙试验试件亦是经过二次碾压成型制备的。具体做法是，常温拌和1 h后装模碾压若干遍，后放入110℃烘箱中24 h取出，再次换方向碾压若干遍，室温1 d脱模。每次碾压的次数以成型的试件孔隙率指标与马氏试验的试件孔隙率相接近为准，进行灵活调整。试验条件仍在（60±1）℃，（0.7±0.05）MPa下进行，其车辙试验结果见表6，表7。