李　萍

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安　710600)

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集料對(duì)微表處混合料技術(shù)性能的影響機(jī)理

李萍

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安710600)

[摘要]研究了集料特性對(duì)改性乳化瀝青乳液在混合料初始拌和階段破乳過(guò)程的影響，以及集料特性對(duì)水-溫耦合作用下微表處混合料路用性能的影響，揭示了集料酸堿性、表面電荷特性、接觸角差等技術(shù)特性對(duì)微表處混合料的影響機(jī)理，并結(jié)合微表處混合料施工性能和路用性能試驗(yàn)結(jié)果推薦了不同巖性集料微表處混合料的適用性，為微表處混合料原材料選擇以及路用性能的評(píng)價(jià)方法起到一定的完善和補(bǔ)充作用。

[關(guān)鍵詞]路面工程； 微表處混合料； 集料技術(shù)性能； 影響機(jī)理

我國(guó)自2000年首次引進(jìn)微表處技術(shù)以來(lái)，短短十幾年時(shí)間，在全國(guó)20多個(gè)省份的高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程中得到了推廣并取得了較好的使用效果[1]，然而，近年來(lái)隨著微表處鋪筑工程的增多和研究的不斷深入發(fā)現(xiàn)，微表處并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，鋪筑的微表處路面也出現(xiàn)了以下問(wèn)題[2-5]：改性乳化瀝青與集料粘附性較差，不能滿足高溫多雨區(qū)的要求，導(dǎo)致微表處路面出現(xiàn)掉塊、麻面等病害；室內(nèi)設(shè)計(jì)方法與微表處混合料實(shí)際的手受荷狀況相差較遠(yuǎn)，用于填補(bǔ)比較厚的車轍時(shí)，不能有效地抵抗車轍變形等。截止目前研究人員已經(jīng)從改性乳化瀝青各生產(chǎn)要素如基質(zhì)瀝青的性質(zhì)、乳化劑及改性劑的性質(zhì)和劑量等、以及外加水量、水泥摻量、纖維微笑表處等方面進(jìn)行了相關(guān)的研究[6-13]，但從目前國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)于集料特性對(duì)混合料施工性能以及路用性能的影響仍不明確，集料技術(shù)特性對(duì)改性乳化瀝青技術(shù)性能的影響機(jī)理等尚未有一個(gè)系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致微表處混合料集料選擇時(shí)具有很大的隨意性，甚至模棱兩可。本文揭示了集料對(duì)微表處混合料技術(shù)性能的影響機(jī)理，并采用拌合、粘聚力、APA試驗(yàn)驗(yàn)證了影響機(jī)理分析的合理性，為微表處混合料原材料選擇以及路面施工提供了技術(shù)參考。

1集料技術(shù)性能檢測(cè)

1.1集料物理技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)選用陜西西安生產(chǎn)的石灰?guī)r、玄武巖及花崗巖，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》 (JTG E42-2005)要求，集料的各種性能指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 集料性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table1 Aggregateperformancetestresults技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果石灰?guī)r15.4壓碎值T0316≤26%玄武巖9.1花崗巖5.3石灰?guī)r23.2洛杉磯磨耗值T0317≤30%玄武巖9.4花崗巖7.1粒徑大于9.5mm≤12%石灰?guī)r11.2針片狀含量T0312玄武巖14.3粒徑小于9.5mm≤18%花崗巖13.7石灰?guī)r72.2砂當(dāng)量T0334≥65%玄武巖76.4花崗巖81.2

1.2集料酸堿性

研究表明，集料的化學(xué)性質(zhì)會(huì)對(duì)礦料—瀝青界面的粘附性產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響了混合料的水穩(wěn)定性以及耐久性。公路工程中照集料中SiO2的含量，將常用集料分為酸性、堿性及中性集料[11]，即：集料中含量SiO2<52%時(shí)，為堿性集料；當(dāng)SiO2含量≤45%，為超堿性集料；當(dāng)含量處于52%65%時(shí)，認(rèn)為該集料為酸性集料。研究表明，酸性集料與水接觸時(shí)，濕潤(rùn)的集料表面由于組成成分與水之間的電力作用，會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)電荷，并且集料的親水系數(shù)較大，不利于集料與瀝青材料之間的粘附作用，而堿性集料與水接觸時(shí)，潤(rùn)濕的集料表面會(huì)帶有一定的正電荷，親水系數(shù)較小，對(duì)集料與瀝青的裹附性影響較小。本文采用熒光光譜儀(XRF)對(duì)石灰?guī)r、玄武巖、花崗巖三種不同巖性的化學(xué)成分進(jìn)行分析成分的含量進(jìn)行分析與檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3種集料主要化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果Table2 Mainchemicalcomponentsofthreekindsofaggregatetestresults%化學(xué)成份石灰?guī)r玄武巖花崗巖SiO20.76355.81586.732CaO54.93412.1410.2765Al2O36.2539.4266.214K2O0.0351.3373.443Na2O0.0431.9490.674Fe2O30.0806.5570.93

由表2中試驗(yàn)結(jié)果可知: 石灰?guī)r的主要化學(xué)成分是碳酸鈣，二氧化硅的含量則很少，是典型的堿性集料；玄武巖集料的二氧化硅含量為55.851%，屬于中性集料；而玄武巖集料的二氧化硅含量高達(dá)86%，屬于典型的酸性集料。

1.3不同集料表面電荷特性

用于微表處混合料的改性乳化瀝青多數(shù)是陽(yáng)離子型改性乳化瀝青,在集料與改性乳化瀝青乳液拌和過(guò)程中，乳液中的水分以及為了調(diào)節(jié)乳液破乳速度而摻加的水分將集料表面潤(rùn)濕后，集料的表面會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)。微表處最顯著的優(yōu)勢(shì)之一就是攤鋪完成1h后能快速開(kāi)放交通，而集料表面電荷特性與改性乳化瀝青之間的物理化學(xué)作用勢(shì)必影響到了微表處混合料快速開(kāi)放交通性能，基于此考慮本文采用電滲儀分別測(cè)試了3種集料的ζ電位，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3種集料的ζ電位測(cè)試結(jié)果Table3 ζpotentialofthetestresultsofaggregate集料種類石灰?guī)r玄武巖花崗巖ζ電位/mV+11.75-8.89-26.39

1.4不同集料與瀝青之間的接觸角差

所謂的接觸角(contact angle)是指在氣、機(jī)制瀝青、集料三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過(guò)液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤(rùn)濕程度的量度(見(jiàn)圖1)。

圖1　固液界面接觸角示意圖Figure 1　Schematic diagram of the solid-liquid interface 　contact angle

一般認(rèn)為，瀝青路面的水損害主要與水、荷載、溫度綜合作用下瀝青與集料粘附性及瀝青問(wèn)的粘結(jié)性喪失有關(guān)，通過(guò)水、纖維改性瀝青分別于集料之間的接觸角差，可以反映不同種類集料與基質(zhì)瀝青在有水作用下的粘附性。接觸角試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 改性瀝青與集料接觸角差Table4 thecontactangleofasphaltandaggregate(°)集料類型水—集料接觸角瀝青—集料巖接觸角接觸角差石灰?guī)r7125.5945.41玄武巖6524.5440.46花崗巖5720.3736.63

表4試驗(yàn)結(jié)果表明： 接觸角差值越大，表明該集料與瀝青之間的粘附性越好，同種基質(zhì)瀝青，瀝青-石灰?guī)r接觸角差明顯大于瀝青-花崗巖接觸角差。

2不同集料微表處混合料施工性能試驗(yàn)

2.1拌合試驗(yàn)

拌合試驗(yàn)的主要目的確定微表處混合料的可拌合時(shí)間和成漿狀態(tài)，從而為最佳油石比的選擇提供依據(jù)。為了論證集料性質(zhì)對(duì)混合料外可拌合時(shí)間的影響，考慮到施工過(guò)程中的可操作性，規(guī)范要求25 ℃溫度下可拌和時(shí)間不低于120 s。試驗(yàn)選擇油石比7.0%、7.5%進(jìn)行拌合試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，試驗(yàn)時(shí)的水泥以外摻法進(jìn)行添加。

表5 3種集料微表處混合料拌合試驗(yàn)結(jié)果Table5 Mixingtestresultsofthreekindsofaggregate集料類型乳化瀝青用量/%水泥摻量/%加水量/%可拌合時(shí)間/s備注石灰?guī)r7.027197拌合時(shí)間偏長(zhǎng)7.527213拌合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)玄武巖7.027172拌合時(shí)間適宜7.527187拌合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)花崗巖7.027152拌合時(shí)間適宜7.527167拌合時(shí)間偏長(zhǎng)

由表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出： 相同乳化瀝青用量條件下，可拌合時(shí)間大小依次是： 石灰?guī)r集料>玄武巖集料>花崗巖集料。此外隨著乳化瀝青用量的增加混合料可拌合時(shí)間增加。分析其原因： ①由于酸性集料的表面帶有負(fù)電荷，堿性集料表面帶有一定的負(fù)電荷(見(jiàn)表3)，在混合料拌合初期，集料表面的負(fù)電荷與陽(yáng)離子改性瀝青表面的正電荷之間的相互吸引、電中和作用下，酸性集料膠漿中改性乳化瀝青乳液的瀝青微粒迅速向集料表面移動(dòng)，并且瀝青微粒周圍的擴(kuò)散雙電層保護(hù)膜在電荷中和作用下破裂，乳液中的瀝青微粒粘附在集料的表面，形成連續(xù)的瀝青膜，進(jìn)而導(dǎo)致集料膠漿內(nèi)摩擦力的增大接觸，乳液的破乳速度逐漸放緩，進(jìn)而導(dǎo)致集料膠漿的粘度增長(zhǎng)率逐漸變小，直到混合料和易性達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。而集料表面ζ電位越高，改性乳化瀝青乳液的中瀝青微粒周圍的擴(kuò)散雙電層保護(hù)膜越容易破裂，乳液的破乳速度也就越迅速而堿性集料膠漿(石灰?guī)r集料膠漿)在拌和初期，由于集料表面和瀝青微粒都帶有正電荷，因此在開(kāi)始拌和后瀝青微粒并不能迅速地聚集在集料的表面。而是經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)電離作用[12],經(jīng)過(guò)該化學(xué)反應(yīng)過(guò)程會(huì)在集料表面附近的溶液中產(chǎn)生一定量的負(fù)電荷，使得乳液中的瀝青微粒周圍的擴(kuò)散雙電層保護(hù)膜破裂，在集料的表面逐漸形成瀝青膜，使得集料混合料稠度增大； ②在集料表面電荷量一定條件下，隨著乳化瀝青用量的增多，集料表面不能提供足夠的電荷中和乳化瀝青表面的陽(yáng)離子，宏觀變現(xiàn)在增大乳化瀝青用量，混合料拌合時(shí)間增加[13]，宏觀上表現(xiàn)出混合料施工和易性降低混合料拌合困難。

2.2粘聚力試驗(yàn)

粘聚力試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)微表處混合料的初凝時(shí)間和開(kāi)放交通時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)將拌和均勻的微表處混合料倒入預(yù)處理好的試模中攤鋪均勻后拿掉試模，置于25 ℃恒溫烘箱中養(yǎng)護(hù)成型并開(kāi)始計(jì)時(shí)，為了更好的分析不同巖性集料的混合料的成型速度差異，在30 min后每隔15 min測(cè)定一次混合料粘聚力,三種混合料粘聚力試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　3種集料微表處混合料粘聚力試驗(yàn)結(jié)果Figure 2　Cohesion test results of three kinds of micro-　surfacing aggregate

由圖2擬合結(jié)果可知: 3種巖性的微表處混合料在30 min時(shí)的石灰?guī)r粘聚力最小，花崗巖次之，玄武巖最大。而在60 min時(shí)，石灰?guī)r混合料的粘聚力最大，玄武巖次之而花崗巖最小；3種混合料的30 min粘聚力滿足規(guī)范粘聚力>1.2 N·m, 60 min粘聚力滿足規(guī)范粘聚力>2 N·m指標(biāo)要求。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要有： ①在混合料拌和初期，由于中性集料玄武巖與酸性集料，表面帶有大量負(fù)電荷，乳液的破乳速度較堿性集料快，混合料早期強(qiáng)度較高，宏觀變現(xiàn)在30 min粘聚力較大； ②由于堿性集料(石灰?guī)r)的吸水率相對(duì)較大，乳化瀝青未破乳錢集料表明被大量的水膜占據(jù)，導(dǎo)致成型初期瀝青薄膜與石灰?guī)r集料間粘結(jié)力較小，故30 min時(shí)石灰?guī)r混合料的粘聚力較其他兩種石料的小，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增長(zhǎng)，乳化瀝青中的水分逐漸揮發(fā)，瀝青膜與集料間的界面強(qiáng)度逐漸形成，由于堿性集料石灰?guī)r的主要化學(xué)成分是碳酸鈣，從接觸角試驗(yàn)可以看出，當(dāng)瀝青與石灰?guī)r集料粘附時(shí)，石灰?guī)r與瀝青之間的界面強(qiáng)度遠(yuǎn)大于花崗巖，進(jìn)而混合料內(nèi)部整體強(qiáng)度較高，避免了荷載作用下出現(xiàn)剝離等現(xiàn)象，對(duì)于而玄武巖與花崗巖集料其主要成分二氧化硅由于酸性集料與瀝青之間的化學(xué)吸附作用相對(duì)較薄弱，所以在60 min時(shí)，由于微表處混合料并未完全干燥，由乳液破乳產(chǎn)生的水分以及外加水的作用下，石灰?guī)r混合料的粘聚力遠(yuǎn)大于高于玄武巖及花崗巖混合料。

3水、高溫耦合作用下不同集料微表處混合料抗永久變形性能

水、高溫等極端惡劣荷載耦合作用下會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍、坑槽等病害，微表處用于車轍修復(fù)時(shí)也不例外，我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)指南中采用輪轍變形試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)微表處混合料的抗車轍性能，試驗(yàn)溫度為22 ℃±2 ℃，大量研究成果表明，該實(shí)驗(yàn)方法并沒(méi)有充分考慮路面實(shí)際所處的環(huán)境條件，與微表處混合料實(shí)際的手受荷狀況相差較遠(yuǎn)，其次目前研究成果中鮮見(jiàn)關(guān)于溫度、水等不利因素耦合作用下微表處混合料路用性能的研究報(bào)告，針對(duì)微表處混合料路用性能影響因素考慮缺乏系統(tǒng)性以及研究缺乏一定的合理性，導(dǎo)致室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際路用性能相脫節(jié)，評(píng)價(jià)意義不不明確[14]。基于此考慮，本文以漢堡車轍試驗(yàn)系統(tǒng)為加載平臺(tái)，對(duì)不同集料類型的纖維微表處混合料進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析高溫、水耦合作用下不同巖性集料對(duì)微表處混合料抗車轍性能的差異，同時(shí)試驗(yàn)方法和成果將對(duì)現(xiàn)有微表處混合料路用性能的評(píng)價(jià)方法起到一定的完善和補(bǔ)充作用。

3.1試驗(yàn)條件

3.1.1試件制備

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，微表處用于填鋪車轍時(shí)，處治的車轍深度一般為15～25 mm，本文評(píng)價(jià)微表處混合料抗車轍性能時(shí)，結(jié)構(gòu)層養(yǎng)生后的厚度統(tǒng)一控制為20 mm。按照標(biāo)準(zhǔn)車轍試模成型C25水泥混凝土板作為養(yǎng)護(hù)載體，按照瀝青路面層間處治要求，混凝土板表面經(jīng)拉毛后需在其表面涂刷粘層油，以及攤鋪0.4 L/m2改性乳化瀝青，待層間處治完成后攤鋪20 mm微表處混合料，隨后價(jià)格整個(gè)試件置于40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生3 d，待微表處混合料強(qiáng)度完全形成后，按照APA試模尺寸切割300 mm×125 mm×75 mm標(biāo)準(zhǔn)試件。

3.1.2試驗(yàn)溫度

參考漢堡車轍試驗(yàn)條件，并結(jié)合栗培龍等人[15，16]就漢堡試驗(yàn)條件研究成果，最終確定APA漢堡試驗(yàn)試驗(yàn)溫度采用50 ℃。

3.1.3鋼輪運(yùn)行頻率以及軸載

參考漢堡車轍試驗(yàn)規(guī)定，APA漢堡車轍試驗(yàn)采用25 Hz，軸載采用158 LB。

3.1.4試驗(yàn)終止條件

APA漢堡車轍試驗(yàn)的終止條件有兩種： Ⅰ車轍深度達(dá)到14 mm ；Ⅱ運(yùn)行次數(shù)達(dá)到20000次。試驗(yàn)過(guò)程中，兩個(gè)條件若有一個(gè)滿足則試驗(yàn)終止。

3.1.5評(píng)價(jià)指標(biāo)

如圖3所示，APA漢堡車轍試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：蠕變速率、剝落拐點(diǎn)、車轍深度、剝落斜率以及破壞次數(shù)。

圖3　APA漢堡車轍標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 3　APA Hamburg rut standard curve

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

礦料級(jí)配選用MS-3型級(jí)配中值，固定水泥摻量為2%、乳化瀝青用量為7.5%，變化集料類型按照3.1所示方法成型試件并進(jìn)行APA漢堡車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

① 不同類型集料微表處混合料的車轍深度變化趨勢(shì)基本一致，即隨著荷載作用次數(shù)的不斷增加，車轍深度逐漸增大，不同的是個(gè)石灰?guī)r微表處試件車轍形成過(guò)程的階段性特征并不是很明顯，車轍深度連續(xù)性比較差，這主要是試驗(yàn)過(guò)程中集料被壓碎所致，尤其是石灰?guī)r。

表6 不同集料漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果匯總Table6 HamburgruttingtestresultsofDifferentaggregate集料類型蠕變斜率破壞次數(shù)/次剝落斜率剝落點(diǎn)破壞變形/mm車轍變形率石灰?guī)r7.34E-03137073.60E-031005014.000.001393玄武巖6.27E-04150009.40E-041200010.000.000833花崗巖4.12E-0483536.20E-03370014.400.003892

② 3種巖性的微表處混合料蠕變斜率在剝落拐點(diǎn)前石灰?guī)r蠕變斜率最大，花崗巖次之，玄武巖最小，而剝落斜率花崗巖最大，石灰?guī)r次之，玄武巖最小。分析其原因主要是：加載至剝落拐點(diǎn)前由于石灰?guī)r強(qiáng)度小，壓碎值、洛杉磯磨耗值大等技術(shù)缺陷，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中集料被壓碎進(jìn)而誘發(fā)了車轍的產(chǎn)生；隨著加載次數(shù)增大，由于酸性花崗巖集料與瀝青之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度不足，在高溫、水耦合作用下花崗巖集料從乳化瀝青砂漿中剝離出來(lái)導(dǎo)致微表處混合料產(chǎn)生剝落現(xiàn)象；此外，加載過(guò)程中由于石灰?guī)r集料破碎，集料表面原來(lái)形成的完整乳化瀝青砂漿膜被撕破，這加速了微表處混合料水損害，故表現(xiàn)為石灰?guī)r集料剝落斜率遠(yuǎn)小于玄武巖集料。

4結(jié)論

相同的油石比及用水量條件下，堿性集料混合料的可拌和時(shí)間最長(zhǎng)，中性集料的混合料次之，而酸性集料的可拌和時(shí)間最短；3種集料的微表處混合料在攤鋪結(jié)束30 min時(shí)粘聚力指標(biāo)的關(guān)系為：石灰?guī)r混合料<玄武巖混合料<花崗巖混合料，但是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，石灰?guī)r混合料的粘聚力增長(zhǎng)幅度較其他兩種混合料大，而玄武巖及花崗巖集料粘聚力的增長(zhǎng)率會(huì)逐漸減小。在攤鋪后1 h時(shí)，石灰?guī)r混合料的粘聚力最大，而玄武巖集料次之，花崗巖集料最差；石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖3種巖性的微表處混合料蠕變斜率在剝落拐點(diǎn)前石灰?guī)r蠕變斜率最大，花崗巖次之，玄武巖最小，而剝落斜率花崗巖最大，石灰?guī)r次之，玄武巖最??；考慮集料對(duì)微表處混合料施工性能和路用性能的影響，玄武巖集料微表處適用范圍較廣，建議重載交通不宜選用石灰?guī)r微表處，高溫多雨區(qū)不宜采用花崗巖集料微表處。

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The Effect Mechanism the Aggregate t on Technical Performance of Micro-surfacing Mixture

LI Ping

(Xi’an Vocational and Technical Institute， Xi’an Shanxi 710600， China)

[Abstract]This article studied the affect of aggregate characteristics on modified emulsified asphalt emulsion mixture initial mixing stage in the process of breaking,And the effect of aggregate characteristics on road performance of micro-surfacing mixture under the action of the water-temperature coupling. Revealing the Influence mechanism of aggregate pH, surface charge impact mechanism features, technical characteristics and contact angle on the micro-surfacing mixture. Combined with the construction and road performance test results of micro-surfacing mixtures, this article recommended the applicability of different aggregate micro-surfacing mixture. Research results for the micro-surfacing Mixture selection of raw materials and pavement performance evaluation methods to improve and play a complementary role.

[Key words]pavement engineering； micro-surfacing mixture； aggregate technical performance； influence mechanism

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0152-05

[作者簡(jiǎn)介]李萍(1981-)，女，陜西西安人，講師，主要從事建筑工程的教學(xué)與科研工作。

[收稿日期]2014-10-16