MOH材料碾压时机的实验室研究

齐彦秋+焦生杰+闫玉奎+陈小雪

0 引 言

中国路面的设计都是遵循严格的行业规范，但是由于实际情况复杂多变，并且随着通车量和通车年限的增长，许多路面在短期内都出现了各种早期病害，柔性路面出现车辙、拥包、裂缝、坑槽、桥头跳车等早期损坏，刚性路面出现断板、错台、裂缝、板角断裂等早期病害，除去设计、施工、管理等因素，更与路面材料本身的性能有直接关系，因此新型耐久路面材料的研发对于提升路面性能、延长路面使用寿命至关重要。本文研究的水泥乳化沥青复合水硬性材料（简称MOH材料）是一种常温拌和、常温摊铺、常温碾压的新型路面材料，能较大程度满足不同气候及地理条件的公路建设和养护工程的需要[1-3]。该材料是将有机结合料（试验用乳化沥青）和水硬性材料（试验用水泥）2种黏结材料进行二元功能或结构复合，使复合材料的性能介于柔性和刚性之间，刚柔并济，取两者之长，弃两者之短，提升材料的整体性能，达到减少路面早期破坏、降低路面养护费用的目的。相比于热拌沥青混凝土，MOH材料的生产制备不但不需要依赖控制复杂且耗能巨大的热拌沥青混凝土拌和站，也不会像传统的热拌沥青混凝土那样，在制备和施工过程中产生扬尘、多环芳香烃（多环芳烃）和其他污染物，对人体健康造成伤害。它的生产制备只需要满足物料精准配送和均匀拌和条件，而且在生产过程中用水泥代替了一部分沥青结合料，可以降低沥青用量，节约能源，减少污染，具有显著的社会、经济效益。同时，MOH材料已经在公路路面养护工程中得到较为广泛的应用，表现出良好的施工性能。MOH材料作為一种冷拌混合料，在特殊的水相物质条件下具有良好的施工和易性[4-6]。材料转运过程无须保温，可调节的初凝期与良好的和易性为路面摊铺创造了宽松的施工条件和质量控制条件。MOH材料通过变换有机及水硬性材料的用量可以表现出不同的力学性能，用于不同的施工场合和层位，如桥头跳车、坑槽修补、微表处罩面、车辙修复和稀浆封层等，尤其在处理桥头跳车问题上技术成熟，该技术是一种高科技路面养护新工艺[7-9]。采用MOH材料处治桥头跳车的具体工艺为：先测量原路面高程，结合测量数据确定桥头沉陷段的具体位置，然后针对沉陷部位采用分层摊铺的方法进行填充，直至与原设计路面找平为止，然后再对沉陷部位进行整体罩面。

由于MOH材料具有良好的施工性能和优良的社会、经济效益，逐渐成为国内外路面材料研究的热点。美国从20世纪60年代起对MOH材料进行研究，此后日本、英国、澳大利亚、南非等国家也对此进行了研究。Baomy从混凝土的成型工艺出发采用裹浆集料制备水泥乳化沥青混凝土，以提高水泥乳化沥青混凝土的刚度和强度；Ming-Feng Kuo[10]研究了新拌水泥沥青胶浆的和易性；G. Li[11]和 Tyler Rutherford[12]分别通过试验研究了新拌水泥沥青胶浆的力学性能；Jun Fu[13]对水泥乳化沥青胶浆进行了微观结构研究。国内也有一些研究人员致力于MOH材料的研究，2000年张思源[14]研究了水泥乳化沥青混凝土的配合比设计；同济大学的高英[15]、长安大学的袁文豪[16]先后对水泥乳化沥青混凝土的配比和路用性能做了研究，并对强度形成的机理做了解释；叶青[17]从乳化沥青破乳成膜机理出发，提出了水泥乳化沥青浆体硬化空间结构理想模型，并基于沥青膜厚度的性能设计理念，通过电阻率的测试结果对水化进程进行了描述；欧阳剑[18]对水泥沥青混凝土胶浆的流变性能进行了研究；谢永江[19]探讨了温度对水泥乳化沥青砂浆韧性的影响。但在已有的研究成果中除了许建兵[20]提出了关于水泥乳化沥青混合料的施工技术外，基本都是对水泥乳化沥青复合材料本身性能的研究，且该套施工技术并未涉及到对MOH材料碾压时机的研究。因此本文通过实验室研究确定在一定拌和时间、一定环境温度、一定拌和转速下合理的碾压时机范围，为工程实践提供依据。

1 试验准备

1.1 试验级配与原材料

集料级配是影响混合料性质的重要因素，MOH材料级配类型采用AC-13，集料级配组成如表1所示，MOH材料的原材料为乳化沥青、水泥、水、纤维、粗集料、细集料和矿粉。

1.2 试验设计

道路施工过程中，碾压效果直接影响着道路质量的好坏，而碾压时机是碾压效果的重要影响因素，本文通过在实验室试拌MOH 材料的研究方法来确定碾压时机。因为MOH 材料的结果受试验环境温度、拌和时间及拌和转速等多种因素影响[21-22]，所以参照课题组成员大量的实验室研究结果，本次试验的条件选定为：试验温度为25 ℃、搅拌时间为15 s、搅拌转速为350 r·min-1。结合实际工程需要，试验中配料5份，分别对应时间0、10、20、30、40 min，每份材料可制备3个试件，共15个试件，但由于试验过程中受旋转压实仪的限制，实际得到的等待时间为0、10、16、20、22、26、30、32、36、40、42、46、52 min共13种。试验中采用的拌和顺序为：先将集料和水泥干拌，然后加水搅拌，最后加入乳化沥青拌和。拌和完成后，将MOH 材料装模，先模拟摊铺机压实20次，使MOH材料达到一定的压实度；再模拟压路机压实180次。不同组间的变量为等待时间。利用实验室搅拌器模拟摊铺机搅拌器，实现MOH材料的制备，利用旋转压实仪模拟摊铺机和压路机的整个压实过程。

2 试验结果与分析

搅拌器拌和好的混合料如图1所示。装模后经过旋转压实仪压实成型后放入60 ℃的烘箱，烘干48 h后取出降温，降温后经过取芯处理成型试件如图2所示。成型试件在25 ℃水养箱中水养10 min后进行水中表干处理，通过计算可得试件的毛体积密度；再在20 ℃水养箱中水养2 h后对试件进行单轴压缩试验，可得到试件的抗压强度峰值。

2.1 空隙率

空隙率是指块状材料中空隙体积占材料在自然状态下总体积的百分比。

式中：VV为试件的空隙率（%）；γf为试件的毛体积密度，通常采用表干法测定； γt为MOH材料的理论最大相对密度。

空隙率是混合料最重要的体积特征参数，影响混合料的稳定性和耐久性，空隙率过低，塑性流动会引发路面车辙；但空隙率过大，可能增加沥青的氧化速率和老化程度，并使水分进入量增加，导致沥青剥落，从而降低混合料的耐久性[23-24]。试验过程中求得的试件空隙率结果如图3所示。

由图3可知：在温度为25 ℃、搅拌时间为15 s，搅拌转速为350 r·min-1的条件下，MOH材料的空隙率在6%～8%，满足冷拌沥青混合料“空隙率不超过11%”的要求；随着等待时间的增加，空隙率近似呈现先增大再减小、之后保持不变、最后再增大的趋势。原因在于：随着等待时间的增加，乳化沥青破乳和水泥水化的程度较好，复合材料形成一定的空间结构，使得沥青混合料的空隙率达到较低的值；但是当等待时间过长时，乳化沥青破乳和水泥水化的复合材料结构已经形成，此时再进行压实，多余的水分无法排出，水泥乳化沥青混合料硬化，无法达到压实效果，导致空隙率增大。

表2为空隙率试验的离散性分析。由表2可知：等待时间选为16～36 min时，空隙率较总体均值小；且根据方差和离差系数可得空隙率值在该等待时间范围内波动较小，其中，等待时间为16 min时MOH材料的空隙率最小。

2.2 抗压强度峰值

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），采用单轴压缩试验进行MOH材料的力学性能测试[25-26]，通过试验得到试件的抗压强度峰值，如图4所示。

由图4可知，随着等待时间的增加，试件的抗压强度近似呈现先增后减的趋势。原因是：当等待时间过长时，压实中沥青混合料中的水分无法排出，乳化沥青破乳和水泥水化形成的空间结构被破坏，无法承受过高的压力。

表3为抗压强度离散性分析。由表3可得：当等待时间选为20～30 min时，试件的抗压强度峰值均值较总体均值大，并且通过方差和离差系数分析可知在该范围内抗压强度峰值的波动较小，其中当等待时间选为26 min时，抗压强度最高。

3 结语

（1）MOH材料的空隙率在6%～8%，滿足冷拌沥青混合料“空隙率不超过11%”的要求，等待时间选为16～36 min时，空隙率比较小，且空隙率值变化不大，等待时间为16 min时MOH材料的空隙率最小。

（2）随着等待时间的增加，试件的抗压强度近似呈先增后减的趋势，当等待时间选为20～30 min时，试件的抗压强度峰值比较大，且在26 min时，试件的抗压强度峰值最大。

（3）综合考虑2种指标选定MOH材料在常温下的碾压时机范围为20～30 min；当等待时间为26 min时，为最佳碾压时机点。

（4）合理碾压时机范围在20～30 min内，MOH材料空隙率的均值为7.23%，方差为0.171 112 098，离散系数为0.019 357 522；抗压强度的均值为2.526 725 MPa，方差为0.001 722 157，离散系数为0.016 423 979。由这些数据可知，在该范围内MOH材料空隙率和抗压强度的波动均很小，离散程度不高。

（5）本文只是在一定拌和时间（拌和均匀）、一定环境温度条件和一定拌和转速下得出的结论，环境温度等其他因素对碾压时机的影响还需要进一步研究。

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