冷补沥青混合料水稳定性研究

2015-03-19刘学民边秀奇

城市道桥与防洪 2015年8期

刘学民，边秀奇

（天津城建设计院有限公司，天津市 300121）

0 引言

沥青路面在长期的使用过程中会出现坑槽、剥落等多种病害，严重影响了道路的使用性能，严重时会危害交通安全，因此，出现病害要及时进行修补以保证道路的良好状况。沥青路面的坑槽修补大多采用热拌沥青混合料，这种方法对坑槽分散、工程量小的路段具有一定的局限性，使用量小，工厂难以生产，而且给施工单位的操作也带来很大不便。为应对随时随地能够进行坑槽修补的需要，冷补沥青混合料逐渐发展起来[1]。然而，国内对冷补沥青混合料性能研究还没有形成完整的理论体系和评价方法，还有待进一步研究。

1 水稳定性

水稳定性是路面在水的作用下抵抗变形的能力，它是决定沥青路面的使用性能和寿命的重要因素之一。产生水损害的原因有外在因素和内在因素两方面，外因是车轮的动态荷载和水的作用，内因则是沥青混合料自身的抗水损害能力，主要取决于矿料的表面性质、沥青混合料之间的粘附性能以及沥青膜的厚度、混合料的孔隙率等因素。

对于冷补沥青混合料来说，抗水损害能力是其薄弱环节。冷补沥青混合料经过初步压实后很难达到理想的压实度，使得水分很容易通过集料间较大的空隙进入混合料中。冷补沥青混合料在水的稀释作用下会降低集料之间的粘附性[2]。黏度较小的沥青混合料在交通荷载的反复作用下很容易产生变形，同时对气候条件的变化比较敏感，尤其是在下雨或冬季气温较低冻结后，很容易在早期产生严重的水损害。

2 冷补沥青混合料的材料选择

2.1 矿料级配

沥青混合料的结构形态可以细分为悬浮密实结构、骨架密实结构和骨架空隙结构三种类型。悬浮密实型级配的冷补沥青混合料因为较多的细集料，使得混合料颗粒间的接触点较多，容易造成混合料丧失疏松性造成结块，而且较高的油石比和较小的空隙率使得混合料在使用过程中容易出现泛油。骨架空隙式的冷补沥青混合料因其较大的空隙率就难以保证混合料的抗水损害能力和耐久性。所以本文研究实验所用的混合料采用骨架密实型级，以AC-13Ⅱ型级配为代表进行研究，级配见表1。

2.2 矿粉用量

矿粉用量直接影响沥青混合料强度的构成。沥青混合料拌制时增加矿粉含量可以增大矿质骨架的比表面积，加强沥青对石料的裹附能力，避免出现离析现象，同时混合料的空隙率不会显著增加。因此，适当增加矿粉含量对提高混合料的强度、得到较好的疏松性、提高密实性具有一定效果，但矿粉用量不是越多越好，矿粉过多会造成和易性的衰减，使得拌和困难甚至产生无法拌和的后果。本文在通过马歇尔初始稳定度试验确定矿粉用量。试验方法是在保持沥青加热温度和沥青用量不变的情况下，拌制不同矿粉含量的冷补沥青混合料，取1 000 g左右的混合料制成马歇尔试件，击实后的试件高度要求符合63.5±1.3 mm的标准，将试件在15℃的恒温箱中放置4 h取出击实正反面各75次，测其马歇尔稳定度，测得的结果如图1所示。

表1 AC-13Ⅱ型设计级配

图1 矿粉用量与初始稳定度的关系

根据图1结果可以看出，初期强度随着矿粉含量的增加逐步提高。1%矿粉含量的混合料初始强度很低，无法满足承受轮载的作用。但是，拌制过程中发现，随着矿粉用量增加和易性也在逐渐衰减，矿粉量超过7%时和易性已无法满足施工需要。可见，矿粉用量过大过小都无法满足要求。本文根据实际的冷补沥青黏度和预热温度综合考虑拟采用5%的矿粉用量。

2.3 冷补沥青结合料

2.4 溶剂

冷补沥青混合料调配时一般选用的溶剂是汽油或柴油。汽油的挥发速度较快，能达到柴油的两倍，易燃性也高于柴油，而且以汽油作为溶剂生产出来的混合料经储存后会变硬、丧失和易性，所以本文优先选用柴油作为冷补沥青混合料的溶剂，型号为车用0#柴油。

同时，溶剂的用量也会影响沥青混合料的整体性能。溶剂用量过小，铺筑后难以成型，不利于施工操作，无法满足低温条件下的施工以及其它特殊的使用要求；相反，用量过大，虽然改善了混合料的和易性，更有利于施工，但是铺筑后成型时间长，粘聚力差，延长了开放交通的时间[4]。为了寻求更合理的溶剂用量，本文对三种溶剂用量的混合料进行了研究，测得不同柴油含量与黏度曲线的关系，如图2所示。

图2 不同柴油含量与黏度曲线关系

根据规范规定沥青混合料135℃黏度不超过3 Pa·s，而冷补沥青混合料是在常温下压实成型的，施工时其黏度与热拌改性沥青的黏度相接近，因此建议常温下的黏度宜控制在3 Pa·s左右。根据试验得出的黏温曲线，拟定柴油的用量为18%～22%。

3 冷补沥青混合料水稳定性研究

3.1 实验方案

冷补沥青混合料耐水性的常用实验方法有水煮法、水浸法、浸水马歇尔试验。水煮法和水浸法只是主观反映沥青对集料的裹附情况，带有一定的主观性，对试验结果的准确性有较大的影响[6]。而且，这两种方法大多适用于检验粗集料与沥青的粘附性，而本文的冷补沥青混合料大部分是细集料。基于上述问题，本文选择浸水马歇尔试验进行评价。该方法易于操作，且能用于不同性质集料水稳定性的评价。

试验方法：将1 000 g的冷补沥青混合料于常温下装入马歇尔试模中，正反面各击实50次，击实后的试件高度应满足63.5±1.3 mm的标准，然后进行养生[5]。养生分烘箱养生和常温养生两种情况。两种方法养生后的试件各分为两组：一组在25℃的恒温水槽中养生30 min，测其马歇尔稳定度S1；另一组试件在相同条件下养生48 h，测其马歇尔稳定度S2。然后，根据公式S=S2/S1×100%计算残留稳定度，用以表征冷补沥青混合料的水稳定性。

3.2 石灰对水稳定性的影响

通过添加石灰来改善冷补沥青混合料的性能，目前尚未有专门的试验研究，本文对其进行试验是从路基处理时通过添加石灰来提高强度这一方法中得到启示从而进行试验。本文以相同的液体沥青粘结料、级配、油石比，分别掺加石灰和矿粉拌制两种不同填料的混合料，采用拟定的试验方案进行评价，以研究石灰对冷补沥青混合料的水稳定性的影响。

3.2.1 烘箱养生残留稳定度

烘箱养生是将击实后的试件连同试模一起以侧面树立方式置于烘箱中，烘箱温度设置为110℃，在分别养生 12 h、24 h、48 h、72 h、96 h、120 h后，分别取出两组试件各击实25次，制成马歇尔试件，待冷却后脱模，然后按拟定方案进行水槽养生，测其马歇尔稳定度并计算残留稳定度，为了保证试验结果的可靠性，每组试件均为4个，取其平均值，结果如图3所示。

图3 烘箱养生残留稳定度

从图3可以看出，石灰作为填料的这一组混合料的残留稳定度在不同养生时间下均高于矿粉作为填料的一组，说明高温养生条件下石灰能够提高冷补沥青混合料和集料之间的粘附性，对提高水稳定性有明显的效果。此外，试验没有明显规律可循，这是因为试件经过水槽养生这一环节，空隙率对实验结果影响较大，所以该指标只能用于检验其合格性。

3.2.2 常温养生残留稳定度

常温养生与烘箱养生所不同的是，将试件放置在室内通风处养生，分别养生 2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、12 d、14 d后再进行水槽养生，测得不同养生条件试件的马歇尔稳定度，并计算残留稳定度，结果如图4所示。

由图4可以看出，不同养生时间情况下以石灰为填料的冷补沥青混合料的残留稳定度高于矿粉作为填料的一组，说明常温养生条件下石灰对提高冷补沥青混合料的水稳定性具有一定的作用。通过图3和图4的对比，还可以看出烘箱养生更有利于提高混合料的水稳定性，原因是在高温养生状态下石料能够得到沥青结合料的二次浸润，增强两者的粘附性。

3.3 不同标号沥青对水稳定性的影响

冷补沥青混合料可以采用高低不同标号的沥青进行配制，但是在平时的试验过程中发现，高标号的沥青调配的混合料初期强度较低，难以达到理想状态，直接影响了成型时间[7]。所以本文采用中低标号沥青调配冷补沥青混合料，对不同标号沥青对水稳定性的影响进行试验研究。本文采用的两种中低标号的沥青分别是茂名A-50#、A-70#。

3.3.1 烘箱养生残留稳定度

按照上述拟定的试验方案进行试验，此次试验烘箱养生的时间分别是 0.5 h、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h、10 h、12 h，然后两组试件分别进行 30min、48 h的恒温水槽养生。试验结果如图5所示。

从图5中可以看出，高温养生条件下不同标号沥青配制的沥青混合料残留稳定度有一定的差别，70#冷补沥青混合料的残留稳定度明显高于50#冷补沥青混合料。分析其原因，低标号的冷补沥青混合料压实性能较差，空隙率偏大产生较低的残留稳定度。高标号沥青因强度原因不适用于冷补沥青混合料，而低标号沥青水稳定性较差，所以具体施工时建议采用中标号的沥青。