關(guān)鍵詞：瀝青路面;冷拌冷鋪;路用性能;SBS復(fù)合改性乳化瀝青;
基金：廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（自然科學(xué)），項(xiàng)目編號(hào)2018GkQNCX127;
無(wú)論是熱拌還是溫拌瀝青混合料，在施工中都將消耗大量的燃料，排放的煙塵、廢氣及熱量都嚴(yán)重影響環(huán)境。而冷拌冷鋪瀝青路面材料可在常溫下施工，具有節(jié)能減排、環(huán)保低碳的特點(diǎn)。但在工程實(shí)踐中常常將其用作微表處和稀漿封層，很少用于面層結(jié)構(gòu)。究其原因是，早期的乳化瀝青性能較差、黏結(jié)強(qiáng)度低導(dǎo)致混合料強(qiáng)度低、綜合路用性能差。因此，如何提高乳化瀝青混合料的高低溫穩(wěn)定性、抗水損害和抗變形能力，成為冷拌路面材料發(fā)展的方向，其中水泥乳化瀝青和水性環(huán)氧乳化瀝青混合料的研究成為熱點(diǎn)[1,2,3,4]。乳化瀝青混合料強(qiáng)度的形成實(shí)際是乳液破乳、水分蒸發(fā)的過(guò)程，而水泥的主要作用是促進(jìn)乳液盡快破乳，通過(guò)水泥水化反應(yīng)提高混合料早期強(qiáng)度并填充水分蒸發(fā)后形成的空隙，因此瀝青的黏結(jié)力作用依然是混合料強(qiáng)度的主要組成部分。
本文從提高乳化瀝青的性能入手，基于復(fù)合改性的方法，采用自制降黏劑降低SBS改性瀝青乳化難度，配制固含量為70%的SBS改性乳化瀝青[5];同時(shí)添加少劑量的水泥，以CAVF法設(shè)計(jì)級(jí)配，依據(jù)裹附試驗(yàn)和修正馬歇爾試驗(yàn)確定最佳液體用量和最佳乳液用量，從而設(shè)計(jì)出一種性能優(yōu)良的冷拌冷鋪瀝青路面材料。由于乳液中水含量的減少，填料可適度減少，從而減少了用水量，促進(jìn)混合料早期強(qiáng)度的形成。乳化后SBS改性瀝青的優(yōu)良高低溫性能和抗水損壞性能可為混合料的路用性能提供保證，最終減少對(duì)水泥劑量的依賴，保證其低溫抗裂性能。
1 自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青
本文所用乳化瀝青采用自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青。基于先改性后乳化的方法，因乳化瀝青的固含量達(dá)70%(W/O型)乳化難度較大，使用自制有機(jī)降黏劑[6]降低SBS改性瀝青黏度。具體制作過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。
SBS復(fù)合改性乳化瀝青的制備主要分為兩個(gè)階段：SBS改性階段；乳化階段。
(1)SBS改性階段：
在基質(zhì)瀝青中依次加入LG051型SBS改性劑、自制有機(jī)降黏劑、HMD-2型改性瀝青穩(wěn)定劑，經(jīng)專門(mén)攪拌設(shè)備機(jī)械攪拌、剪切、發(fā)育等過(guò)程后完成SBS復(fù)合改性瀝青的制作。
(2)乳化階段：
在水中添加某公司的PC系列乳化劑和PVA(穩(wěn)定劑)、CaCl2(穩(wěn)定劑)、HCl(調(diào)節(jié)pH值)制備皂液，皂液和SBS復(fù)合改性瀝青經(jīng)專門(mén)的乳化瀝青機(jī)膠體磨分散乳化、加壓冷卻后形成SBS復(fù)合改性乳化瀝青。
自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青基本性能見(jiàn)表1。表1中的常規(guī)SBS改性乳化瀝青為在市面上購(gòu)買(mǎi)的廣東某公司生產(chǎn)的用于微表處的SBS改性乳化瀝青。由表1的數(shù)據(jù)可知，SBS復(fù)合改性乳化瀝青總體性能較常規(guī)的SBS改性乳化瀝青優(yōu)良，且符合現(xiàn)行路面施工技術(shù)規(guī)范要求。
表1 乳化瀝青基本性能
乳化瀝青性能 | 自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青 | 常規(guī)SBS改性乳化瀝青 | BCR技術(shù)要求 | |
篩上剩余量(1.18 mm)/% | 0.05 | <0.1 | ≤0.1 | |
破乳速度 | 慢裂 | 慢裂 | 慢裂 | |
粒子電荷 | 陽(yáng)離子(+) | 陽(yáng)離子(+) | 陽(yáng)離子(+) | |
標(biāo)準(zhǔn)黏度/s | 26 | 25 | 12～60 | |
蒸發(fā)殘留物 | 含量/% | 70 | 60 | |
針入度(25℃)/0.1 mm | 62 | 55 | 40～100 | |
延度(5℃)/cm | 46 | 30 | ≥20 | |
軟化點(diǎn)/℃ | 78 | 68 | ≥53 | |
溶解度/% | 99 | 98 | ≥97.5 | |
儲(chǔ)存穩(wěn)定性(5 d)/% | 3.1 | <5 | ≤5 | |
2 材料設(shè)計(jì)
本文的混合料結(jié)構(gòu)采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，水分蒸發(fā)及參與水化反應(yīng)后的孔隙將由水化產(chǎn)物填充，因此級(jí)配設(shè)計(jì)采用CAVF法[7]。級(jí)配見(jiàn)表2,其中填料用量為6%(水泥用量為1%)。
表2 混合料級(jí)配
項(xiàng)目 | 通過(guò)下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/% | |||||||||
16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
混合料級(jí)配 | 100 | 96.5 | 71.3 | 28.8 | 22.0 | 17.3 | 14.1 | 11.7 | 10 | 8.9 |
以裹附試驗(yàn)確定混合料最佳液體用量(OTLC)。OTLC是乳化瀝青含水量、集料含水量以及混合料外加用水之和，以完全裹附集料、無(wú)多余漿液流淌作為標(biāo)準(zhǔn)。如達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn)，即以0.2%～0.4%為變量酌情增減水量。以表2中的級(jí)配數(shù)據(jù)拌和，經(jīng)試拌后，混合料的OTLC值為4.3%。外加用水量依據(jù)該值進(jìn)行調(diào)整，如表3所示。
表3 修正馬歇爾試驗(yàn)的OTLC值
乳液用量/% | 瀝青用量/% | 外加水摻量/% | OTLC值/% |
6.0 | 4.20 | 2.50 | 4.3 |
7.5 | 5.25 | 2.05 | 4.3 |
8.0 | 5.60 | 1.90 | 4.3 |
8.5 | 5.95 | 1.75 | 4.3 |
9.0 | 6.30 | 1.60 | 4.3 |
以修正馬歇爾試驗(yàn)法確定最佳乳液用量。本文參考交通運(yùn)輸部陽(yáng)離子乳化瀝青課題組的修正馬歇爾試驗(yàn)法，試件擊實(shí)分兩次完成，試件成型時(shí)擊實(shí)25下，養(yǎng)生完成后擊實(shí)25下。養(yǎng)生分兩組，一組(編號(hào)為L(zhǎng)1)是在室內(nèi)常溫下養(yǎng)生48 h, 馬歇爾試驗(yàn)溫度為25℃,表征材料的前期強(qiáng)度；另外一組(編號(hào)L2)是在60℃(溫度為100℃時(shí)不利于水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行)的烘箱下養(yǎng)生48 h, 馬歇爾試驗(yàn)溫度是40℃,表征材料的后期強(qiáng)度。
以上述級(jí)配設(shè)計(jì)、OTLC值及成型方法通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)法確定最佳乳液用量為8.4%。
3 路用性能
3.1強(qiáng)度
依據(jù)上述級(jí)配、OTLC值及最佳乳液用量確定方法，成型水泥摻量為0～4%的相關(guān)試件，按現(xiàn)行規(guī)范[8]進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)。其中：L1組表征前期強(qiáng)度，馬歇爾試驗(yàn)溫度為25℃;L2組表征后期強(qiáng)度，馬歇爾試驗(yàn)溫度為60℃。劈裂試驗(yàn)溫度統(tǒng)一為15℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 馬歇爾和劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度
水泥摻量/% | 組別 | 馬歇爾穩(wěn)定度kN馬歇爾穩(wěn)定度kΝ | 劈裂強(qiáng)度MPa劈裂強(qiáng)度ΜΡa | 養(yǎng)護(hù)條件 |
0 | L1 | 8.4 | 0.32 | 室溫 |
L2 | 7.6 | 0.64 | 烘箱 | |
1 | L1 | 14.7 | 0.43 | 室溫 |
L2 | 11.8 | 0.76 | 烘箱 | |
2 | L1 | 15.3 | 0.56 | 室溫 |
L2 | 12.4 | 0.87 | 烘箱 | |
3 | L1 | 16.2 | 0.63 | 室溫 |
L2 | 13.5 | 0.92 | 烘箱 | |
4 | L1 | 17.6 | 0.71 | 室溫 |
L2 | 14.3 | 1.3 | 烘箱 |
由表4可知，兩組試件隨著水泥用量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度都隨之增加。水泥的摻入，無(wú)論是前期還是后期，水化產(chǎn)物的形成都增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度。同時(shí)需要注意的是，如不摻加水泥，乳化瀝青混合料的最終強(qiáng)度(L2數(shù)值)仍低于8 kN。這表明摻入水泥提高冷拌料強(qiáng)度的必要性。馬歇爾試驗(yàn)L2的數(shù)據(jù)低于L1,主要是由于L1的試驗(yàn)溫度較L2低所致。
3.2高溫性能
以車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)其高溫性能，試驗(yàn)溫度為60℃,試件為L(zhǎng)2組的養(yǎng)護(hù)條件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果
水泥摻量/% | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 規(guī)范要求 |
動(dòng)穩(wěn)定度/(次/mm) | 4 789 | 6 893 | 7 726 | 8 996 | 12 720 | ≥2 800 |
由表5可知，即使未摻入水泥，冷拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值仍遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。這表明本文所研制的SBS復(fù)合改性乳化瀝青具有較佳的黏結(jié)能力和高溫抗變形能力，由其拌和的冷拌瀝青混合料具有較高的高溫穩(wěn)定性。隨著水泥摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度不斷增加，這表明水泥的摻入提高了混合料的強(qiáng)度和剛度。
3.3低溫性能
以小梁低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)其低溫性能，試件為L(zhǎng)2組的養(yǎng)護(hù)條件，試驗(yàn)溫度為-10℃,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
表6 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果
水泥摻量/% | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 規(guī)范要求 |
最大彎拉應(yīng)變/με | 3 178 | 2 934 | 2 703 | 2 387 | 2 116 | ≥2 500 |
由表6數(shù)據(jù)可知，隨著水泥摻量的增加，最大彎拉應(yīng)變值不斷降低，低溫性能下降，當(dāng)摻量為3%時(shí)已不能滿足規(guī)范要求。這表明水泥的摻入會(huì)降低材料的低溫變形能力，使得材料變脆。從低溫穩(wěn)定性的角度考慮，應(yīng)控制水泥用量。
3.4抗水損害性能
以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其抗水損害性能，試件為L(zhǎng)2組的養(yǎng)護(hù)條件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。
表7 浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果
水泥摻量/% | 穩(wěn)定度/kN | 浸水殘留 | 劈裂抗拉強(qiáng)度/MPa | 凍融劈裂 | ||
未浸水 | 浸水48 h | 未凍 | 凍融 | |||
0 | 7.8 | 5.9 | 75.6 | 0.67 | 0.42 | 62.7 |
1 | 11.6 | 10.4 | 89.7 | 0.81 | 0.69 | 85.2 |
2 | 12.7 | 11.6 | 91.3 | 0.93 | 0.81 | 87.1 |
3 | 13.2 | 12.3 | 93.2 | 1.05 | 0.93 | 88.6 |
4 | 14.7 | 13.9 | 94.6 | 1.18 | 1.07 | 90.7 |
規(guī)范要求 | ≥85 | ≥80 | ||||
由表7數(shù)據(jù)可知，在未摻入水泥的情況下，冷拌乳化瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均較低，無(wú)法滿足技術(shù)規(guī)范要求。在摻入水泥后，材料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比不斷增大，說(shuō)明水泥的摻入有助于冷拌乳化瀝青混合料抗水損害能力的提高。
3.5強(qiáng)度形成時(shí)間
乳化瀝青混合料往往早期強(qiáng)度較低，強(qiáng)度形成時(shí)間較長(zhǎng)，而本文旨在通過(guò)增加瀝青固含量和摻入水泥以便較快形成強(qiáng)度。為此以強(qiáng)度形成率QD評(píng)價(jià)強(qiáng)度形成時(shí)間，見(jiàn)公式(1)。
QDi=PiP0×100%?????????(1)QDi=ΡiΡ0×100%?????????(1)
式中：將室溫養(yǎng)生若干天的試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，其強(qiáng)度為Pi(i為養(yǎng)生天數(shù));L2組養(yǎng)護(hù)條件下試件的劈裂強(qiáng)度值視為最終強(qiáng)度P0。
本文選購(gòu)了市面常見(jiàn)的廣東某公司生產(chǎn)的微表處用SBS改性乳化瀝青(瀝青含量60%,性能見(jiàn)表1),與自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青對(duì)比，將室溫養(yǎng)生2 d、7 d、14 d、21 d、28 d的試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，按公式(1)計(jì)算強(qiáng)度形成率，結(jié)果見(jiàn)圖1。
由圖1可見(jiàn)，由于固含量較高，即使未摻入水泥，由自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青所拌制的冷拌乳化瀝青混合料強(qiáng)度形成速度仍較快，在21 d已達(dá)到97%左右，基本接近最終強(qiáng)度。而市面常見(jiàn)的微表處用SBS改性乳化瀝青混合料在28 d才接近最終強(qiáng)度。另外，水泥摻量為1%的試件，相同齡期下其強(qiáng)度形成率為3者中最高，說(shuō)明水泥的摻入，材料的強(qiáng)度形成速度也較快。
圖1 強(qiáng)度形成率變化曲線
4 結(jié)語(yǔ)
采用高固含量、高性能的自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青，摻入少量水泥，制備冷拌冷鋪瀝青路面材料。以CAVF法設(shè)計(jì)級(jí)配，依據(jù)裹附試驗(yàn)和修正馬歇爾試驗(yàn)確定最佳液體用量和最佳乳液用量，通過(guò)馬歇爾、車(chē)轍、浸水馬歇爾、凍融劈裂等系列室內(nèi)試驗(yàn)取得以下結(jié)論。
(1)由自制SBS復(fù)合改性乳化瀝青摻入少量水泥拌制的冷拌冷鋪瀝青路面材料，早期強(qiáng)度形成較快，強(qiáng)度較高，21 d時(shí)接近最終強(qiáng)度。其高溫性能較好，水泥摻入量越高強(qiáng)度越大。摻入水泥后的材料水穩(wěn)定性較好，其性能與水泥摻入量成正比。
(2)水泥的摻入降低了材料的低溫變形能力，在水泥摻入量為3%時(shí)，其低溫性能已不能滿足規(guī)范要求。綜合各項(xiàng)路用性能，水泥摻量應(yīng)控制在3%以內(nèi)。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與路用性能，最佳水泥摻量為1%。
(3)所提出的冷拌冷鋪瀝青路面材料各項(xiàng)路用性能均符合現(xiàn)行路面施工技術(shù)規(guī)范要求，后期將持續(xù)改良SBS復(fù)合改性乳化瀝青的配比及工藝，進(jìn)一步降低材料成本，為其推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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