泡沫沥青掺配磷酸镁水泥修补材料研究

农新伟

摘要：文章采用磷酸镁水泥和泡沫沥青复配研制了一种沥青路面快速冷补材料，确定了埃索70#沥青最佳发泡条件为发泡温度为160℃，发泡剂用量为3%。根据初凝时间、抗折和抗压强度确定磷酸镁水泥各组分最佳配比为：B/M0.05、P/M1/5。分析劈裂试验和马歇尔性能指标的正交结果，确定了磷酸镁水泥复配泡沫沥青快速冷补材料最佳配方：泡沫沥青掺量为4%，MPC掺量为20%，粉煤灰掺量为10%，拌和用水量为7%。MFRRM路用性能测试结果显示了其良好的性能。

关键词：泡沫沥青;磷酸镁水泥;快速冷修补

0 引言

我国90%的高等级公路采用了沥青路面，渠化交通、重载交通加剧了沥青路面损坏，其中裂缝和坑槽是沥青路面的普遍病害，若不及时修补，病害范围会逐渐扩大，路面使用功能下降，造成车辆行驶颠簸，影响行车安全。修补沥青路面病害大多采用热拌沥青混合料，但是其难以满足病害分布分散、工程量小的路面维修[1，2]。与之相比，冷补料对施工温度、气候等要求低，适用范围更广。本文主要研究泡沫沥青和磷酸镁水泥复配，以期发挥泡沫沥青和磷酸镁水泥两者各自的优势，研制一种可以用于沥青路面病害的冷修补材料。

泡沫沥青（Foamedasphalt）是由高温沥青加少量水发泡膨胀形成，与普通沥青相比，泡沫沥青的黏度显著降低[3]，使得其与湿冷集料更加容易拌和[4，5]，对沥青路面冷修补施工更加有利[6，7]。磷酸镁水泥（Magnesiumphosphatecement，MPC）作为修补材料，因其凝结硬化快、早期強度高、无须养护等优点得到了技术工作者和研究人员的重视，并且在反应机理[8]、力学性能[9]和路用性能[10，11]等方面得到了较为系统的研究。MPC主要应用于修补水泥混凝土路面[12]，修补沥青路面多用冷补沥青混合料，但冷补沥青混合料还存在诸如强度差、强度形成慢等缺点。为克服冷补混合料不足，更好地修补裂缝、坑槽等沥青路面常见病害，本文以MPC为基质材料，复配泡沫沥青，研制出一种新型沥青路面快速冷补料（MPCCompoundingFoamedAsphaltRapidRepairingMaterial，MFRRM）。通过采用正交试验方法，对MFRRM配方进行了优化，并在优化配方的基础上系统测试了其路用性能。

1 原材料

试验所用原材料主要包括泡沫沥青、磷酸镁水泥、粉煤灰和集料。泡沫沥青发泡效果的评价指标为半衰期和膨胀率（膨胀率是指发泡膨胀后最大的体积与原体积比，半衰期是指由最大体积减小到最大体积一半时所用的时间）。磷酸镁水泥由氧化镁、磷酸二氢钾和硼砂制备。粉煤灰为某电厂的Ⅱ级粉煤灰。集料为石灰岩碎石。

1.1 泡沫沥青制备

沥青发泡的效果直接影响磷酸镁水泥复配泡沫沥青快速冷补料的冷拌、冷补工作性。在进行室内发泡试验时，为制备性能优良的泡沫沥青，本文选用埃索70#沥青进行发泡，在控制发泡条件时，选择发泡温度分别为150℃、160℃和170℃，发泡剂选用碳酸氢钠和仕博阳离子中裂型乳化剂复合型发泡剂，其掺量分别为1%、3%、5%、7%和9%，测试得到膨胀率和半衰期结果见表1。

沥青进行发泡以后，主要发生的是物理性质的变化。与基质沥青相比，泡沫沥青的黏度显著降低，低温裹附集料能力显著提高，这对于冷拌、冷补是有利的。《公路沥青路面再生技术规范》（JTGF41-2008）规定泡沫沥青的半衰期需>8s、膨胀率需>10倍。在同一温度下，膨胀率随发泡剂掺量的增加而增大，半衰期则随发泡剂掺量的增加而减小，综合两种性能要求，且以尽可能使得膨胀率更大为原则，确定埃索70#最优发泡条件为：发泡温度为160℃，发泡剂用量为5%。在最优发泡条件下，半衰期为9s，膨胀率为16倍。

1.2 磷酸镁水泥配比确定

磷酸镁水泥凝结硬化快、早期强度高，适合用作冷补材料。在确定其各组分配比时，分别用B/M和P/M来表示硼砂与氧化镁的摩尔比，以及磷酸二氢钾与氧化镁的摩尔比。为确定磷酸镁水泥最优配比，测试磷酸镁水泥净浆的初凝时间、抗折和抗压强度。初凝时间、抗压强度、抗折强度方法均按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）进行。

1.2.1 最佳B/M的确定

本试验设计了三组对比试验，B/M分别为0.05、0.06、0.07，水胶比为0.25，P/M为1/4。测试了其初凝时间和1d的抗折强度和抗压强度，结果如表2所示。

1.2.2 最佳P/M的确定

本试验设计了三组对组试验，P/M分别为1/6、1/5、1/4，水胶比为0.25，B/M为0.05。测试了其初凝时间和1d的抗折强度和抗压强度，结果如表3所示。

磷酸镁水泥各组分最佳配比为：B/M为0.05、P/M为1/5。考虑到施工过程中操作的精细度，同时给出建议配比范围：B/M和P/M分别为0.04～0.05和1/6～1/5，最佳水胶比调整为0.2～0.25。

2 级配设计与拌和用水量确定

2.1 级配设计

通过泡沫沥青与细集料接触成为沥青胶浆，填充粗集料之间的空隙，泡沫沥青混合料因此形成强度，达到优良的稳定效果。为保证有足够的细集料与泡沫沥青形成沥青胶浆，在进行级配设计时，粒径在0.075mm筛孔以下集料的通过率需控制为6%～20%。MFRRM混合料本质上是磷酸镁水泥复配泡沫沥青后研制的泡沫沥青混合料。因此也需要将0.075mm筛孔作为关键筛孔，控制其通过率。

根据泡沫沥青冷再生规范中推荐的细粒式级配（见表4和图1），其中关键筛孔0.075mm通过率为13%，满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTGF41-2008）中0.075mm筛孔以下通过率在6%～20%范围的要求。

2.2 拌和用水量的确定

2.2.1 最佳含水量和最大干密度的确定

按照以上设计的级配，采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）重型击实试验，在掺加10%MPC、15%MPC和20%MPC的情况下，确定最佳含水量和最大干密度。击实曲线见图2。

根据击实曲线，求得在三种MPC掺量情况下的最佳含水量和最大干密度见表5。

2.2.2 确定拌和用水量

依据《Wirtgen冷再生技术手册》中关于泡沫沥青混合料最佳拌和用水量与最佳含水量转换的经验公式（1）、式（2），计算拌和用水量，再根据实际拌和效果确定实际拌和用水量（见表6）。

2.3 试件成型和养生

在成型试件以前，需要按次序加入原材料。首先将按选定级配称好的集料拌和均匀，再将MPC、粉煤灰和泡沫沥青混合形成的粘结料添加到集料中。在搅拌状态下，将水加入混合料中拌和均匀，然后按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）规范中的标准击实法，制作MFRRM马歇尔试件。击实完成后，马歇尔试件在室温下养生24h后脱模。为确保试件内不含水分，需将脱模后的试件置于60℃通风烘箱内养生2h。

3 配合比设计与结果分析

3.1 配合比设计

泡沫沥青混合料力学性能受湿度影响很大，因此，MFRRM配合比设计与普通沥青混合料配合比设计不同，应综合考虑其力学性能和水稳定性能这两个因素。劈裂试验比弯拉试验更方便操作，并且与路面结构受力状态较为接近。由于以上原因，采用间接抗拉强度（劈裂强度）作为配合比设计的关键指标，并且测试了马歇尔性能指标作为配合比设计参考。

采用正交试验方法，选用三水平三因素正交表，即L9（33）。其中三因素分别为泡沫沥青掺量、MPC掺量和粉煤灰掺量。因为MPC掺量和拌和用水量具有对应关系，因此拌和用水量不作为单独的因素（见表7）。

3.2 试验结果分析

按照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0709-2011）规定，测试了正交试验选出9组试件的马歇尔稳定度、流值、浸水马歇尔稳定度、干劈裂强度和湿劈裂强度，再通过计算得到残留稳定度和干湿劈裂强度比，结果见表8。

4 路用性能评价

最佳配合比为泡沫沥青掺量为4%，MPC掺量为20%，粉煤灰掺量为10%，拌和用水量为7%，在此基础上，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ-E20-2011）相应的试验方法评价MFRRM混合料的高温性能和低温性能。

4.1 高温稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0719-2011）规定，采用车辙试验评估MFRRM高温抗车辙能力，检验其高温稳定性能。按照T0703轮碾成型机碾压成型300mm×300mm×50mm车辙板试件。试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，试验结果见表9。

由表9可知，MFRRM车辙板4h的动稳定度满足《公路沥青路面施工技术规范》对夏炎热区改性沥青动稳定度≥3000/mm的要求。

4.2 低温抗裂性

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0715-2011）对沥青混合料弯曲试验做出规定，在对MFRRM的低温性能进行评价时，试验温度为-10℃±0.5℃，试件尺寸为长250mm±2.0mm、宽30mm±2.0mm、高35mm±2.0mm，跨径为200mm±0.5mm，以50mm/min的加载速率在小梁跨径中央施加集中荷载直至破坏。试验结果见表10。

由表10数据可知，MFRRM能够满足《公路沥青路面施工技术规范》中冬寒区改性沥青混合料破坏应变指标≥2800uε的要求。

4.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验对MFRRM的水稳定性进行了测试和评价。将拌和好的MFRRM混合料装入马歇尔试模中，双面击实50次，连同试模一起以侧面竖立方式常温下养生4h。试件脱模后，按照《公路工程沥青以及沥青混合料试验规程》（T0709-2011）进行标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验。

由表11和表12可见，经过标准养护4h的MFRRM试件的残留稳定度超过80%，满足《公路沥青路面施工技术规范》中对于潮湿区、湿润区普通沥青混合料水稳定性的技术要求。

5 结语

本文通过试验研究，首先得到了泡沫沥青的最佳发泡条件，以及磷酸镁水泥的最佳配比。在此基础上，对泡沫沥青复配磷酸镁水泥进行复配，通过沥青混合料的路用性能验证，得到了泡沫沥青复配磷酸镁水泥后的冷修补材料应用于沥青路面病害修补的适用性。本文主要结论如下：

（1）通过沥青发泡试验确定了埃索70#沥青最佳发泡条件为发泡温度为160℃，发泡剂用量为5%。在最佳发泡条件下，半衰期为9s，膨胀率为16倍。

（2）通过测试初凝时间、抗折和抗压强度确定磷酸镁水泥各组分最佳配比为：B/M为0.05、P/M为1/5。

（3）采用击实试验确定了在不同MPC掺量的情况下的拌和用水量：10%MPC、15%MPC和20%MPC掺量下的拌合用水量分别为6%、6.5%和7%。

（4）通过分析MFRRM的劈裂试验的正交结果，以及参考马歇尔性能指标，确定了磷酸镁水泥复配泡沫沥青快速冷补材料最佳配方：泡沫沥青掺量为4%，MPC掺量为20%，粉煤灰掺量为10%，拌和用水量为7%。

（5）在最佳配方基础上测试了MFRRM路用性能中的高温性能和低温性能。MFRRM混合料4h的动稳定度满足《公路沥青路面施工技术规范》对夏炎热区改性沥青动稳定度≥3000mm的要求;MFRRM混合料4h破坏应变为2852.2uε，满足《公路沥青路面施工技术规范》中冬寒区改性沥青混合料破坏应变指标≥2800uε的要求;MFRRM试件的残留稳定度超过80%，满足《公路沥青路面施工技术规范》中对于潮湿区、湿润区普通沥青混合料水稳定性的技术要求。

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