改性乳化沥青混合料路用性能评价探讨

2016-11-15王立志

山西交通科技 2016年5期

王立志

（山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012）

近年来，我国基础设施建设随着国家经济提升得到了空前的发展。然而，在进行基础设施建设的过程中，所面临的能源消耗与环境保护的问题也亟待解决。其中，公路建设作为基础设施建设的重要组成之一，具有里程长、体量大，资源占用多、能源消耗大的特点。目前，国内的高速公路建设在材料选择方面主要采用沥青混合料，建设过程中需要生产大量的沥青混合料，而沥青混合料的生产则造成了大量能源和资源的消耗，并对周边环境造成污染。在可持续发展战略环境下，我国对冷拌沥青混合料技术的发展与应用也逐渐重视起来，在道路预防性养护、道路维修中，冷拌沥青混合料已经得到了较大规模的应用。但是，该项技术在我国新建路面结构上的应用尚属空白，若能研究开发一种新型冷拌沥青混合料，性能满足相关技术要求，拓展冷拌沥青混合料在新建道路上的应用范围，无论从技术还是经济角度上都具有十分重要的意义。

1 原材料选择及检测

乳化沥青混合料是由集料、乳化沥青、填料等材料组成的一种多相复合材料，各种原材料的性质与混合料的各项路用性能密切关联，而原材料种类繁多，因此根据路面的使用性能和要求，严格选择改性乳化沥青混合料所需材料十分必要。

1.1 集料

集料在改性乳化沥青混合料中起到整体骨架和填充作用，试验粗集料采用玄武岩，细集料为石灰岩。粗集料必须足够坚硬，没有分化现象，集料表面保持干燥、洁净，当中不能有杂质。细集料在沥青混合料中主要起到填充作用。细集料应当洁净、无杂质、无团粒结块且有适当的颗粒级配，当中不能含有太多泥土，集料表面较低的活性。

1.2 乳化沥青

乳化沥青是沥青经过加热融化和机械作用转化为细小的微滴状态分散于水中，形成一种水包油状的稳定沥青乳液[1]。乳化沥青最突出的特性就是在常温下仍处于流动状态，可以正常地与石料拌合，施工十分方便。乳化沥青的黏结作用必须经过其破乳凝固后才能体现出来，当中的水分会蒸发排出，道路材料最终强度形成。乳化沥青主要由沥青、水和乳化剂构成，为了改善乳化沥青的性能和存储性，还会在配制乳化沥青的过程中加入一些添加剂，如稳定剂、特殊助剂、改性剂等。

本文使用的乳化沥青为满足新建或改扩建道路结构层沥青结合料的使用要求，采用的是一种高标准的SBS改性乳化沥青，该沥青的制备过程是：采用基质沥青AH70，加入高分子聚合物SBS改性剂，制备SBS改性沥青，然后以制备的SBS改性沥青为原料加入乳化剂，配制SBS改性乳化沥青。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[1]中的试验方法，对沥青进行了规定项目的检测，其试验结果见表1。

表1 改性乳化沥青试验结果

1.3 填料

本文设计乳化沥青混合料中，填料采用矿粉与水泥。

1.3.1 矿粉

在制备沥青混凝土过程中，加入一定量的矿粉，与其中的沥青形成胶浆，沥青胶浆在沥青混凝土组成体系中具有十分重要的作用，对沥青混凝土的强度会产生很大的影响，是决定沥青混凝土高、低温性能的关键因素。

1.3.2 水泥

制备改性乳化沥青混合料过程中，加入一定量的水泥，部分水泥与矿粉一样会与沥青形成胶浆，对沥青混合料的性能产生很大的影响。大部分水泥与乳化沥青当中的水发生水化反应，促进乳化沥青的破乳，对沥青混凝土强度的形成具有促进作用，再加上水泥本身水化反应后所形成的强度，对沥青混合料的性能会有很大的影响[2]。本文设计的改性乳化沥青混合料当中添加的水泥为425号普通硅酸盐水泥。

1.4 水

乳化沥青混合料中拌合用水量的大小决定着其在拌合、摊铺、碾压阶段的稠度、施工和易性以及施工可操作时间。本文采用日常饮用水拌合乳化沥青混合料。

2 配合比设计

2.1 级配设计

级配指的是混合料中不同矿料粒径的分布，一般采用各种筛孔的通过率来表示。它是混合料中矿料最重要的特征，几乎影响到混合料的所有性质：强度、耐久性、施工和易性等。好的级配能够使得材料发挥最大的作用。

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[3]规定的级配上下限，本文采用将粗、细集料按粒径筛分成档，进行矿料级配设计。

表2 AC-13型冷拌冷铺混合料的矿料级配 %

表3 AC-16型冷拌冷铺混合料的矿料级配 %

2.2 最佳油石比确定

在确定最佳油石比前，首先要确定混合料拌合时外添水的剂量。本文根据交通部阳离子乳化沥青课题协作组对乳化沥青研究得出的沥青混合料最佳流体量经验公式（1），计算得到乳化沥青的添加量，这个添加量不是最终合适的添加量[4]。

式中：P为试用乳液占矿料干质量的百分率，%；A为大于2.5 mm矿料占全部矿料总量的百分率，%；B为粒径为 2.5～0.074 mm矿料占全部矿料总量的百分率，%；C为小于0.074 mm矿料占全部矿料总量的百分率，%。

确定乳化沥青添加量后进行混合料的拌合试验，从不加水开始以矿料质量的0.3%为变量逐步增加外加水用量，观察混合料拌合状态，当混合料拌合过程中乳液能够均匀裹附在集料表面，无结团、无离析等现象产生，此时的添水剂量作为最佳添水量，结合乳液中含水量计算得出沥青混合料的最佳含水率，该含水量是乳液中的水以及外加水的总量。

乳化沥青冷拌混合料的成型有其一定的独特性，但混合料在确定最佳结合料用量的控制指标和步骤是与热拌沥青混合料相同的，控制指标主要包括马歇尔稳定度、流值、各类体积参数等。根据公式计算和拌合试验确定乳化沥青添加量和最佳含水率后，控制含水率不变，上下各调节0.5%、1%的乳液用量，制作试件进行马歇尔试验，得出最佳油石比。

通过公式（1）以及拌合试验的结果，得出AC-13型沥青混凝土的乳液用量为8.58%，采用8.5%为试验参考值，最佳含水率为4.6%；AC-16型沥青混凝土的乳液用量为8.16%，采用8.0%为试验参考值，最佳含水率为4.5%。控制含水率不变，在不同乳液添加量成型马歇尔试件，测定混合料的力学体积指标，见表4、表5所示。

表4 AC-13冷拌冷铺沥青混合料力学体积指标

表5 AC-16冷拌冷铺沥青混合料力学体积指标

3 冷拌冷铺沥青混凝土路用性能评价

本文对不同水泥含量（0%、1%、2%、3%）下冷拌冷铺沥青混凝土的高温性能、水稳定性能和低温性能进行了对比分析。

3.1 高温稳定性

沥青混合料是一种黏弹塑性材料，在高温环境中，沥青的黏度会降低，混合料的强度下降，受到车辆荷载的反复作用下，路面结构会产生一定程度的变形，部分变形由于不能得到恢复被称为永久变形，这部分变形致使沥青路面出现车辙、推移、拥包的病害，降低路面使用性能，不利于汽车安全行驶，同时缩短道路使用寿命。为了满足路面的使用要求，沥青混合料需要在高温环境下具备一定的强度和刚度，即一定的高温稳定性，能够承受车辆荷载的反复作用，不产生明显的永久变形。

目前我国对乳化沥青混合料车辙试验尚无标准方法，尤其在试件成型上没有统一规定，采用现行的沥青混合料车辙试验方法，试件容易在试验中破坏，并且所得的试验结果不能准确地反映乳化沥青混合料的抗变形能力。本文根据乳化沥青混合料的特点，在普通热拌沥青混合料车辙试验方法上进行修正，具体步骤如下：

a）按照试验规程中的方法，计算成型车辙板所需乳化沥青混合料的用量，按照设计级配拌合混合料并装入试模。b）在轮碾机上进行碾压，分两次碾压成型。首次碾压14个往返，记录碾压方向，经过2 h后进行二次碾压，碾压7个往返。c）碾压完毕后，将试件置于60℃鼓风烘箱内连续养生48 h，从烘箱中取出在室温下养生2 d。d）将养生完毕的试件在60℃恒温烘箱内置5～6 h，然后在60℃条件下进行车辙试验。试验结果如表6所示。

表6 冷拌冷铺沥青混合料车辙试验次/mm

3.2 水稳定性

目前评价沥青混合料水稳定性的方法有许多种，包括针对松散混合料的水煮法、搅动水浸法，针对压实混合料的浸水马歇尔试验、浸水车辙试验、冻融劈裂试验等。本文参照热拌沥青混合料水稳定性评价方法，对乳化沥青混合料进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，对其水稳定性作了研究分析。

3.2.1 浸水马歇尔试验

采用高温养生马歇尔试件制作方法制作马歇尔试件，将试件分为两组，一组在60℃恒温水箱中浸泡30 min，然后测量其马歇尔稳定度；另一组在60℃恒温水箱中浸泡48 h，然后测量其马歇尔稳定度。两组试件马歇尔稳定度的比值即浸水残留稳定度用来表征混合料的抗水损能力。试验结果如表7所示。

表7 冷拌冷铺沥青混合料浸水马歇尔试验 %

3.2.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验通过在规定条件下对混合料进行冻融循环，测量试件受到水损害前后发生劈裂破坏的强度比值，用以评价混合料的水稳定性。首先采用高温养生马歇尔试件制作方法制作马歇尔试件8个，每4个试件为一组，第一组试件在室温下保存备用。另一组试件按照规程方法进行真空饱水，将试件取出放入塑料袋中并向其中加入约10 mL的水，扎紧袋口，放入温度为-18℃的恒温冰箱内16 h，冰冻完成后将试件取出并立即放入60℃恒温水箱中，浸泡24 h。将两组试件全部放入25℃恒温水箱中浸泡2 h以上，取出试件按照规程中T0716规定进行劈裂试验。试验结果如表8所示。