矿粉-乳化沥青胶浆对沥青路面裂缝修复愈合的影响

郭留红，刘廷国，刘玉恒，张芳超

(1.河南省交通事业发展中心，河南 郑州 453000；2.公路养护装备国家工程研究中心，河南 新乡 453003； 3.河南省高远公路养护技术有限公司，河南 新乡 453003； 4.河南省高等级公路检测与养护技术重点实验室，河南 新乡 453003)

0 引言

众所周知沥青路面在使用过程中常出现各种形态下的裂缝，如横向裂缝、纵向裂缝、龟裂等，从产生的机理看所有形态的裂缝均是由重复行车荷载、温度应力以及基层反射等原因造成的，其进一步发展将大大缩短路面使用寿命[1-3]。

乳化沥青作为灌缝材料可处治沥青路面裂缝并促进裂缝的自愈合修复，但在路面日常养护过程中，其作为灌缝料粘结强度差、高温下易流淌、封缝防水效果差、自愈合速度慢，严重影响乳化沥青在路面养护中的使用程度[4-6]。从组成特性上讲热拌或冷拌沥青混合料中起粘结作用的主要是沥青胶浆，以及现有成品灌缝胶均要形成沥青胶浆才能最大程度发挥其灌缝效果，所以欲使乳化沥青最大程度用于沥青路面裂缝修补，其蒸发残留物一定要与矿物填料相结合，才能产生较强的黏结力不致裂缝在极端温度下再次开裂，同时使裂缝界面填充密实，阻止雨水下渗，有效防止基层受水损害影响，另外矿粉会促进乳化沥青破乳，使灌缝料早期强度形成，自愈合速度明显加快[7-8]。

最早研究矿粉对冷拌沥青混合料性能影响的是前苏联学者，其论文中指出乳化沥青混合料中矿粉是必不可少的，且沥青面层的厚度决定了矿粉用量[9-10]。2013年长安大学的张争奇[11-13]对不同矿粉掺加比例的乳化沥青胶浆及混合料的路用性能进行了研究，分析粉胶比对路用性能的影响规律，试验结果证明粉胶比是决定乳化沥青胶浆性能的决定性因素，针对广东地区推荐分胶比在1.2左右。2015年伊利诺伊大学运用龚帕斯模型分析乳化沥青胶浆黏度的时间变化曲线，以解决乳化沥青破乳时间难量化等难题，研究报告指出不同岩性的矿粉对乳化沥青胶浆黏度影响较大，且花岗岩>玄武岩>石灰岩[14-15]。同年长安大学的张久鹏[16-17]对矿粉岩性影响乳化沥青胶浆黏度的机理进行了更深一步的探索，得出如下规律：酸性矿粉沥青胶浆黏度达到稳定时速度最快，即破乳时间最短；乳化沥青胶浆达到稳定黏度所需时间与比表面积成反比，与表面电位值成正比。2018年某交通材料技术开发有限公司的朱辉[18-19]研究认为矿粉的加入可大大提高蒸发残留物的黏性成分，粉胶比提升1倍与温度下降一个等级后的劲度模量相当，但矿粉增加会加速面层内部微裂纹的扩展速度，形成不利影响。

本研究针对上述问题开展矿粉对乳化沥青胶浆粘结强度、抗高温性能、防水封缝效果、自愈合速度等性能的影响，并通过性能变化规律确定矿粉最佳掺量，为沥青路面日常养护质量提供保证。

1 原材料及试样制备

1.1 原材料

1.1.1 SBR改性乳化沥青

本研究试验采用SBR改性乳化沥青，由70#基质沥青和SBR改性胶乳在阳离子乳化剂和稳定剂的作用下，通过胶体磨边改性边乳化制得，技术指标见表1，各项指标均满足规范要求。

表1 SBR改性乳化沥青技术指标Tab.1 Technical indicators of SBR modified emulsified asphalt

1.1.2 矿粉

矿粉的岩性对乳化沥青破乳时间、蒸发残留物黏度以及灌缝时的自愈合速度有较大影响，所以本研究选取了常用的石灰岩和玄武岩矿粉进行对比研究，两者的化学组成成分有较大不同，具体指标见表2。同时针对对比试验的基本原则，本研究要求矿粉粒径均能通过0.075 mm的筛。

表2 矿粉主要化学组成成分Tab.2 Main chemical composition of mineral powder

1.2 试样制备

在开展各项试验前将不同岩性的矿粉与乳化沥青充分搅拌均匀，制备粉胶比分别为0，0.3，0.6，0.9，1.2的不同岩性矿粉-乳化沥青胶浆，并确保做到试样随用随制备。

2 试验方法

2.1 布氏旋转黏度试验

矿粉-乳化沥青胶浆与热沥青胶浆布氏黏度测定方法稍有不同，具体操作为：称量固定质量的矿粉，按照本研究要求的粉胶比加入SBR改性乳化沥青，然后在25 ℃稳定温度条件下快速充分搅拌均匀，整个搅拌过程应持续1 min，最后立即将其倒入布氏黏度仪盛样器中，转子速率为10 r/min，每间隔1 min读取1次黏度值。

2.2 蒸发残留物DSR试验

美国公路战略研究计划(SHRP)提出用抗车辙因子G*/sinδ指标来表征沥青材料的高温稳定性，复数剪切模量G*表示沥青材料在拉压循环作用下最大剪应力与最大应变之比，而δ表示最大剪应力和最大应变对应的相位角差，其均可通过动态剪切流变仪(DSR)测得，抗车辙因子越大，材料的高温稳定性越好。本研究设定固定频率10 rad/s，采集不同温度下的G*和δ，计算得到G*/sinδ，评价不同粉胶比不同岩性矿粉-乳化沥青胶浆的高温稳定性。

2.3 裂缝浸水量试验

裂缝浸水量试验是采用路面渗水仪在已采取灌缝措施的不透水路面上测定浸水量随时间的变化规律，以此验证加矿粉的乳化沥青用于灌缝时的防水封缝效果，试验在道路现场进行。

2.4 劈裂强度试验

采用马歇尔劈裂试验研究矿粉-乳化沥青胶浆对沥青混凝土裂纹愈合性能的影响，即在劈裂破坏的马歇尔试件上用软木刷均匀涂抹矿粉-乳化沥青胶浆，涂抹量均为0.5 kg/m2，将涂抹有矿粉-乳化沥青胶浆的开裂试件重新粘合在一起并轻轻按压保持10 min，放置在室温条件下分别愈合养护1，3，5，7，9 d，再重新做劈裂试验，定义试件断裂愈合后的劈裂强度与试件初始的劈裂强度之比为愈合指数A，以此度量加矿粉的乳化沥青促进裂缝愈合的能力[20]，如式(1)所示。

A=Pt/P,

(1)

式中，A为愈合指数；P为试件初始的劈裂强度；Pt为试件断裂愈合后的劈裂强度。

3 结果与讨论

3.1 布氏旋转黏度

3.1.1 布氏黏度试验结果

将不同岩性的矿粉加入到SBR改性乳化沥青中，按照2.1节的步骤测试其布氏旋转黏度，试验结果随时间的变化规律如图1所示。

图1 矿粉-乳化沥青胶浆布氏黏度变化规律Fig.1 Change rule of Brinell viscosity of mineral powder emulsified asphalt mortar

图1的试验结果表明：乳化沥青在加入矿粉的初始其布氏黏度较低，随着时间的延长试验结果不断增大，而增长速率在不断减小，最终趋于稳定值，这是乳化沥青胶浆增多以及乳化沥青逐渐破乳的过程；在相同时间点，不同岩性的矿粉-乳化沥青胶浆的布氏黏度均随着粉胶比的增加成正比例关系，这与胶浆成分不断增多有直接关系，分胶比越大趋于稳定的时间点就越提前，粉胶比为1.2时的时间稳定点为3 min，其较难满足施工性要求，建议最佳粉胶比为0.9；加入矿粉后乳化沥青的布氏黏度均有不同程度的提高，0.9粉胶比下可提高约23 Pa·s，且相同粉胶比情况下玄武岩的矿粉-乳化沥青胶浆的布氏黏度均大于石灰岩，这是由于玄武岩集料表面带负电位且比表面积较大，可促进胶浆的形成及破乳速度，有利于裂缝两界面的有效粘结。

3.1.2 建立龚帕斯模型

目前施工中路面乳化沥青灌缝后即开放交通，乳化沥青未达到一定黏度后就受到车辆荷载以及周边的泵吸作用，始终处于不稳定状态，要想解决这一难题，能较为准确地测定完全破乳时间是关键技术，现有规范中测定乳化沥青完全破乳时间的方法为根据按压混合料后吸水纸表面有无褐斑来判断，其个人主观性太强，误差较大。研究发现矿粉-乳化沥青胶浆布氏黏度的形成及增长过程规律可用Gompertz龚帕斯模型进行拟合，其能较好地描述整个发展过程，可表示为：

lnyi=k+abi，

(2)

式中，yi为第i次采集的沥青胶浆的黏度；a，b，k均为参数。

本研究预采用3段估计法对参数进行求解，假设一定时间内记录N个黏度试验结果y1，y2，…，yi,…，yN，采用平均分配法将N个数据等数量分成3部分，即每部分有n=N/3个数据，接着对每部分进行求和，如式(3)所示：

(3)

对式(3)进行整理可得：

(4)

根据布氏黏度试验结果对0.9粉胶比下的矿粉-乳化沥青胶浆的龚帕斯模型参数进行求解，参数拟合结果如表3所示，3种材料的布氏黏度龚帕斯模型如式(5)所示。

表3 矿粉-乳化沥青胶浆布氏黏度龚帕斯模型参数Tab.3 Parameters of Gompertz model of Brinell viscosity of mineral powder emulsified asphalt mortar

ln(yi)未加矿粉=11.083-2.413×0.617i，

ln(yi)石灰岩(0.9)=11.115-2.695×0.553i，

ln(yi)玄武岩(0.9)=11.120-2.602×0.519i。

(5)

龚帕斯模型表达式表现出乳化沥青胶浆的特性为布氏黏度随时间延长而不断增大，但实际施工中乳化沥青完全破乳后，在某一时间点乳化沥青胶浆的布氏黏度会保持稳定，我们定义布氏黏度的稳定时间点为乳化沥青胶浆完全破乳的时间。现假设时间t为稳定时间点，则t时间点前后的Δt时间范围内的龚帕斯模型表达式对时间的积分应该相等，可表示为式(6)，简单整理后如式(7)所示。

(6)

(7)

结合表3的参数数据对稳定时间节点t进行求解，可得乳化沥青、石灰岩矿粉-乳化沥青胶浆、玄武岩矿粉-乳化沥青胶浆在0.9粉胶比下的布氏黏度稳定时间点(完全破乳)分别为8，5，4 min，由此可见在乳化沥青中加入玄武岩矿粉，其布氏黏度显著增大，完全破乳时间最短，此结果与布氏黏度试验结果基本一致，因此在进行灌缝时使用玄武岩矿粉-乳化沥青胶浆可达到缩短通车时间和提升灌缝质量的双重效果。根据龚帕斯模型可快速计算出矿粉-乳化沥青胶浆的完全破乳时间，将开放交通时间数字化，从时间上提升精确度。

3.2 蒸发残留物DSR

根据2.2节的试验方案进行矿粉-乳化沥青胶浆蒸发残留物的DSR试验，得到不同温度下的复数剪切模量和相位角，通过计算得到不同温度下的车辙因子，变化规律如图2所示。

图2 矿粉-乳化沥青胶浆车辙因子随温度的变化Fig.2 Rutting factor of mineral powder emulsified asphalt mortar varying with temperature

由图2的变化规律可知，矿粉-乳化沥青胶浆的车辙因子随温度的升高呈反比关系，这与沥青材料高温易软特性相符合；在相同温度下，3种材料的车辙因子大小排序为：玄武岩(0.9)>石灰岩(0.9)>未加矿粉，即在0.9粉胶比条件下玄武岩矿粉-乳化沥青胶浆蒸发残留物的高温稳定性最好，其与单纯乳化沥青相比60 ℃的车辙因子可超过632 Pa。

3.3 裂缝浸水量

借助路面渗水仪测定一定时间内裂缝的渗水量，间接评价矿粉-乳化沥青胶浆的防水封缝效果，将其封缝效果进行量化，试验结果见表4。

表4 裂缝浸水量试验结果Tab.4 Test result of crack water immersion

将表4的浸水量数据进行整理，不同岩性的矿粉-乳化沥青胶浆的灌缝浸水量随时间的变化规律如图3所示。由图可知：裂缝浸水量随时间的变化不断增加，未加矿粉的情况下5 min浸水量可达109.6 mL，而掺加石灰岩和玄武岩的浸水量仅分别为25.3 mL和19.0 mL，且在2 min后几乎不再增长，说明单纯乳化沥青灌缝虽然对裂缝有一定程度的粘结，但是未对裂缝进行有效的填充，封缝防水效果差，而矿粉-乳化沥青胶浆在对裂缝粘结的同时可有效填充裂缝，阻止水的进一步下渗，大大减缓路面的水损坏进程，玄武岩矿粉-乳化沥青胶浆封缝防水效果相对较好。

图3 矿粉-乳化沥青胶浆灌缝浸水量变化规律Fig.3 Change rule of water immersion in joint filling of mineral powder emulsified asphalt mortar

3.4 劈裂强度

采取劈裂强度试验间接度量加矿粉的乳化沥青促进裂缝愈合的能力，愈合指数是试件断裂愈合后的劈裂强度与试件初始劈裂强度之比，其值越大表示裂缝的自愈合能力越强，试验结果如图4所示。

图4 不同岩性矿粉-乳化沥青胶浆愈合指数随养护时间的变化Fig.4 Healing indexes of mineral powder emulsified asphalt mortar with different lithology varying with curing time

由图4可知，愈合指数均随养护时间的延长不断增大，即裂缝界面的粘结强度逐渐增强，说明试件的愈合能力在不断增强。在养护时间7 d后愈合指数几乎不再变化，这是由于乳化沥青中的轻质组分不断挥发，在第7 d时达到稳定状态，而在养护初始轻质组分易软化裂缝周围的沥青成分，自愈合能力提高较快。从对比性上讲未加矿粉的乳化沥青灌缝的愈合指数始终较低，最大仅为34.9%，而加矿粉后在相同养护时间内愈合指数均较大，养护9 d后掺加石灰岩和玄武岩的矿粉-乳化沥青胶浆的愈合指数A可分别达到62.9%和76.1%，具有较强的愈合能力，矿粉的加入有助于乳化沥青促进裂缝的自愈合。整体而言，玄武岩的愈合指数始终略高于石灰岩，其差异特性与布氏旋转黏度表现一致，在促进裂缝自愈合上玄武岩优势明显。

4 机理分析

添加矿粉后乳化沥青中胶浆成分不断增多，这是布氏旋转黏度不断增加的直接原因，同时粉胶比越大矿粉-乳化沥青胶浆完全破乳就越快，布氏旋转黏度达到稳定的时间点就越提前，也是矿粉-乳化沥青胶浆车辙因子增大的关键因素；矿粉-乳化沥青胶浆在对裂缝粘结的同时可有效填充裂缝，阻止水的进一步下渗，大大减缓路面的水损坏进程；由于矿粉-乳化沥青胶浆黏度较大，在不影响轻质组分对裂缝周围沥青软化效果的同时，显著提升其自愈合能力；由于玄武岩矿粉属于中性集料，相对于碱性集料的石灰岩矿粉其比表面积较大，而电位较低，这是玄武岩矿粉-乳化沥青胶浆表现出优异特性的关键内因。

5 结论

(1)乳化沥青在加入矿粉后旋转布氏黏度显著增大，在相同时间点，布氏黏度均随着粉胶比的增加呈正比例关系，从施工性角度考虑建议最佳粉胶比为0.9，其布氏黏度可提高约23 Pa·s，根据实时布氏黏度变化规律建立的龚帕斯模型可准确预测矿粉-乳化沥青胶浆的完全破乳时间，为准确确定通车时间建立基础。

(2)玄武岩矿粉-乳化沥青胶浆蒸发残留物与单纯乳化沥青相比60 ℃的车辙因子可超过632 Pa，同时裂缝浸水量随时间的变化不断增加，掺加石灰岩和玄武岩的浸水量仅分别为25.3 mL和19.0 mL，浸水量很小，矿粉-乳化沥青胶浆在对裂缝粘结的同时可有效填充裂缝，阻止水的进一步下渗，大大减缓路面的水损坏进程。

(3)愈合指数均随养护时间的延长不断增大，从对比性上讲掺加石灰岩和玄武岩的矿粉-乳化沥青胶浆的愈合指数A可分别达到62.9%和76.1%，具有较强的愈合能力，矿粉的加入有助于乳化沥青促进裂缝的自愈合。

(4)在各项性能上，属于中性集料的玄武岩矿粉由于具有比表面积大、电位低等特性而表现出较为优异的特性，此研究可为公路沥青路面日常养护提供材料基础。