徐世林+焦生杰+閆玉奎+陳小雪

0 引言

MOH材料有著優(yōu)良的路用性能，不僅能夠滿足高速公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)的需要，而且與熱拌瀝青混凝土路面施工相比，其常溫施工特性可節(jié)約大量能源，減少環(huán)境污染，符合《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》對(duì)能源和環(huán)境保護(hù)主題的要求[1]。MOH材料與常規(guī)的瀝青混合料不同，攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響性能：攪拌時(shí)間過(guò)短，會(huì)因?yàn)閿嚢璨痪鶆驅(qū)е禄旌狭峡障堵首兓艽螅旌狭系膭哦?、拉伸?qiáng)度和疲勞壽命下降[2]；攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致乳化瀝青過(guò)早破乳，破乳過(guò)早的乳化瀝青在混合料中將選擇性地黏附集料中的細(xì)料，形成瑪蹄脂膠團(tuán)，最終使混合料產(chǎn)生離析，嚴(yán)重影響MOH材料的性能[3-6]。

目前，有很多學(xué)者對(duì)MOH材料進(jìn)行了研究。長(zhǎng)安大學(xué)的沙愛(ài)民教授對(duì)水泥乳化瀝青混合料膠漿-集料界面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探討了水泥在MOH材料界面的功能，通過(guò)界面微觀結(jié)構(gòu)全面預(yù)測(cè)和改善MOH材料宏觀路用性能[7]。同濟(jì)大學(xué)的周海生等人對(duì)乳化瀝青混合料過(guò)早破乳的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，從溫度、攪拌強(qiáng)度、拌和水3個(gè)方面討論了乳化瀝青混合料過(guò)早破乳的現(xiàn)象，認(rèn)為溫度和拌和水是影響破乳的最主要因素[8]。學(xué)者疏學(xué)萍對(duì)有機(jī)水硬性復(fù)合材料處治橋頭跳車的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，指出在實(shí)際應(yīng)用時(shí)首先要了解材料的特性，并對(duì)工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以有效減少橋頭跳車現(xiàn)象的發(fā)生[9]。本文著重分析攪拌時(shí)間對(duì)MOH材料特性的影響，通過(guò)試拌確定最佳的攪拌時(shí)間；并通過(guò)對(duì)MOH材料的性能試驗(yàn)研究，由試件的空隙率和抗壓強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)攪拌時(shí)間對(duì)MOH材料特性的影響，從而確定MOH材料的最佳攪拌時(shí)間，對(duì)新型MOH材料攪拌裝置與攤鋪設(shè)備的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 MOH材料形成機(jī)理與特性

MOH材料也稱水泥乳化瀝青復(fù)合水硬性材料，是由水泥、乳化瀝青和水等材料組成的，在與集料結(jié)合后形成了一種新型路面材料。MOH材料中各成分的關(guān)系如圖1所示，混合料中的水泥與瀝青產(chǎn)生物理和化學(xué)的吸附作用形成凝結(jié)力，這種凝結(jié)力與混合料中瀝青本身的黏聚力共同組成復(fù)合力，構(gòu)成了混合料的強(qiáng)度[10-12]。水泥水化反應(yīng)與乳化瀝青破乳形成瀝青膜黏附集料的2個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，因而水化物與瀝青膜既相互獨(dú)立又相互滲透地交織在一起，水泥水化產(chǎn)物間的相互連接將瀝青與礦粉完全包裹，增強(qiáng)了MOH材料的整體穩(wěn)定性[13]。水化產(chǎn)物在礦粉與瀝青薄膜間、瀝青薄膜與瀝青薄膜間、礦粉與礦粉間起到了“加筋”的作用；最終，水化產(chǎn)物與瀝青膜、礦粉相互交織，形成了一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并裹覆在集料周圍，將集料緊密結(jié)合在一起。MOH材料的電鏡掃描圖如圖2所示。乳化瀝青在破乳后具有較強(qiáng)的黏結(jié)力，水泥在水化結(jié)晶后會(huì)釋放大量的熱量，加快了乳化瀝青在吸熱后破乳的速度，強(qiáng)度形成的時(shí)間大大縮短。水泥在混合料強(qiáng)度形成過(guò)程中除了發(fā)揮黏結(jié)作用，還能改善混合料的結(jié)構(gòu)。水泥在MOH材料強(qiáng)度形成過(guò)程中的主要表現(xiàn)有以下2個(gè)方面。

（1）水泥水化反應(yīng)能夠吸收乳化瀝青中的部分水分，加速乳化瀝青破乳，水化反應(yīng)放出的熱量能加快破乳后水分的蒸發(fā)，水泥水化反應(yīng)生成擴(kuò)散的纖維狀物質(zhì)，能夠填充混合料中水分蒸發(fā)后產(chǎn)生的空隙，從而促成MOH材料早期強(qiáng)度的形成，能起到增強(qiáng)MOH材料高溫穩(wěn)定性的作用。水化產(chǎn)物則能有效填充混合料中空隙，使其變得更加密實(shí)，從而增強(qiáng)MOH材料的水穩(wěn)定性[14-15]。

（2）未能充分水化的水泥在MOH材料中充當(dāng)活性礦粉的作用，由于水泥具有表面積大、吸附力強(qiáng)的特性，在混合料中能與瀝青發(fā)生化學(xué)的吸附作用，形成一層能夠提高集料與瀝青黏結(jié)作用的力學(xué)薄膜，提高M(jìn)OH材料的強(qiáng)度。

MOH材料具有剛?cè)岵?jì)的特性，既具有瀝青混凝土的柔性，也具有水泥混凝土的剛性，在低溫下抗裂性比較強(qiáng)，而在高溫的環(huán)境下也不容易出現(xiàn)變形。MOH材料的優(yōu)異性能主要是依靠有機(jī)材料和水硬性材料功能的復(fù)合（圖3），全面提高了材料抗高溫、抗低溫、抗水損及抗疲勞性能，能較大程度地滿足不同氣候及地理?xiàng)l件的公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)工程[16]。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)用原材料

MOH材料級(jí)配類型采用AC-13，級(jí)配組成如圖4所示，外加乳化瀝青、水泥、水和纖維。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

MOH材料攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著MOH材料的性能，從而影響施工的作業(yè)質(zhì)量[17-18]，另外，攪拌時(shí)間也影響著生產(chǎn)率，攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)降低施工效率，提高生產(chǎn)成本。因此，研究MOH材料的最佳攪拌時(shí)間具有重要意義。最佳的攪拌時(shí)間通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試拌來(lái)確定。由于MOH材料的破乳情況受環(huán)境溫度和攪拌轉(zhuǎn)速的影響較大，因此，本次試驗(yàn)控制溫度為常溫25 ℃，轉(zhuǎn)速定為350 r·min-1。將實(shí)驗(yàn)室溫度設(shè)置為25 ℃，用測(cè)溫槍測(cè)試試驗(yàn)材料溫度，如果溫度低于25 ℃，應(yīng)將試驗(yàn)材料放入烘箱加熱到25 ℃。乳化瀝青與集料混和攪拌前，需要將干燥的集料加水拌和，如果將乳液與集料直接拌和，干燥的集料表面需要水的潤(rùn)濕，這樣乳液中部分水分將被石料吸收，從而打破了乳液中水與乳之間的溶解平衡，促使乳液中瀝青的凝聚析出，導(dǎo)致過(guò)早破乳?？紤]MOH材料攤鋪機(jī)的作業(yè)生產(chǎn)率，MOH材料的攪拌時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，試驗(yàn)拌和順序?yàn)閇19]：先將集料和水泥干拌，然后加水拌和，再加入乳化瀝青濕拌，濕拌時(shí)間設(shè)計(jì)為5、10、15、20 s。拌和后的混合料裝入試模，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)200次成型。每個(gè)攪拌時(shí)間下做3個(gè)平行試件，以減少誤差，共12個(gè)試件。

2.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)用儀器如圖5、6所示，設(shè)計(jì)了MOH材料攤鋪機(jī)攪拌器的樣機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀模擬攤鋪后的壓路機(jī)壓實(shí)過(guò)程。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)攪拌器樣機(jī)拌和好的混合料如圖7所示，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)200次成型后，放入60 ℃烘箱，48 h后取芯，每個(gè)攪拌時(shí)間下做3個(gè)平行試件，試件如圖8所示。將每個(gè)攪拌時(shí)間下3個(gè)試件的孔隙率和抗壓強(qiáng)度取平均值，以減少試驗(yàn)誤差。

3.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），采用單軸壓縮試驗(yàn)[20]進(jìn)行瀝青混合料的力學(xué)性能評(píng)價(jià)。

將試件放入20 ℃的水養(yǎng)箱養(yǎng)護(hù)2 h后，采用壓力機(jī)對(duì)每個(gè)攪拌時(shí)間下的3個(gè)平行試件進(jìn)行試驗(yàn)，得到抗壓強(qiáng)度結(jié)果，取平均值作為該攪拌時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度值，其與攪拌時(shí)間的關(guān)系如圖9所示。

從圖9可知，隨著攪拌時(shí)間的增加，試件的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，原因在于：隨著攪拌時(shí)間的增加，混合料攪拌愈加均勻，壓實(shí)后的密實(shí)度越高，抗壓強(qiáng)度會(huì)增大；但攪拌時(shí)間增加到一定值后，混合料已攪拌均勻，且乳化瀝青破乳與水泥水化形成了一定的空間結(jié)構(gòu)，此時(shí)再增加攪拌時(shí)間會(huì)打散并破壞這種結(jié)構(gòu)，從而使壓實(shí)后的密實(shí)度降低，抗壓強(qiáng)度變小，而且攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得乳化瀝青過(guò)早破乳，破乳過(guò)早的乳化瀝青在混合料中選擇性地黏附集料中的細(xì)料，形成瑪蹄脂膠團(tuán)，最終使混合料產(chǎn)生離析，從而使壓實(shí)后的試件強(qiáng)度降低。當(dāng)攪拌時(shí)間為15 s時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最大。

抗壓強(qiáng)度的離散性分析結(jié)果如表1所示。由表1可知：抗壓強(qiáng)度結(jié)果的方差較小，表明數(shù)據(jù)的離散性小，可靠程度高。

3.2 空隙率

空隙率是指在壓實(shí)狀態(tài)下瀝青混合料內(nèi)部空隙所占的體積與瀝青混合料總體積的比值，是評(píng)價(jià)瀝青混合料密實(shí)程度的指標(biāo)，影響著混合料的穩(wěn)定性和耐久性?？障堵蔬^(guò)低會(huì)因塑性流動(dòng)而引發(fā)路面車轍，空隙率過(guò)大則透水性增大，路面強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降，疲勞壽命降低[21-22]。

將試件放入25 ℃的水養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)10 min后，通過(guò)水中重法和表干法測(cè)出試件的水中質(zhì)量、表干質(zhì)量，計(jì)算試件的毛體積密度，再除以MOH材料的最大理論密度，從而算出其空隙率[23-25]。將每個(gè)攪拌時(shí)間下的3個(gè)平行試件的空隙率結(jié)果取平均值，作為該攪拌時(shí)間下試件的空隙率，試件的空隙率與攪拌時(shí)間的關(guān)系如圖10所示。

由圖10可知：試件的空隙率在6%～7%，冷拌瀝青混合料的空隙率最大不得超過(guò)11%，所得試件的空隙率滿足冷拌瀝青混合料的空隙率要求。且隨著攪拌時(shí)間的增加，空隙率先減小再增大。原因在于隨著攪拌時(shí)間的增加，混合料攪拌得越均勻，壓實(shí)后的密實(shí)度越高，空隙率會(huì)降低，但攪拌時(shí)間增加到一定值后，混合料已攪拌均勻，且乳化瀝青破乳與水泥水化后形成了一定的空間結(jié)構(gòu)，此時(shí)再增加攪拌時(shí)間會(huì)打散并破壞這種結(jié)構(gòu)，從而使壓實(shí)后的密實(shí)度降低，空隙率變大。攪拌時(shí)間為15 s的時(shí)候，試件的空隙率最小。

空隙率的離散性分析結(jié)果如表2所示。由表2可知：空隙率結(jié)果的方差較小，表明數(shù)據(jù)的離散性小，可靠程度高。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，試件的抗壓強(qiáng)度與空隙率之間有一定聯(lián)系，試件的抗壓強(qiáng)度隨著空隙率的降低而增大，隨著空隙率的增大而減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文是在溫度為25 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為350 r·min-1時(shí)，通過(guò)改變攪拌時(shí)間來(lái)進(jìn)行的MOH材料試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

（1）冷拌瀝青混合料的空隙率要求不得超過(guò)11%，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，MOH材料試件的空隙率在6%～7%， 滿足冷拌瀝青混合料的空隙率要求。

（2）通過(guò)分析試件空隙率和抗壓強(qiáng)度的結(jié)果可知，隨著攪拌時(shí)間的增加，試件的空隙率先減小后增大，試件的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，抗壓強(qiáng)度均值為2.2125 MPa，空隙率均值為6.71%，攪拌時(shí)間為15 s時(shí)，試件的空隙率最小，抗壓強(qiáng)度最大。

（3）分析試驗(yàn)結(jié)果可知，試件的抗壓強(qiáng)度與空隙率之間有一定內(nèi)在聯(lián)系，試件的抗壓強(qiáng)度隨著空隙率的降低而增大，隨著空隙率的增大而減小。

（4）結(jié)合抗壓強(qiáng)度和空隙率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)， MOH材料在攪拌時(shí)間為15 s時(shí)，試件的力學(xué)性能最好，所以選定MOH材料的最佳攪拌時(shí)間為15 s，對(duì)新型MOH材料攪拌裝置與攤鋪設(shè)備的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

（5）這只是在一定拌和轉(zhuǎn)速（拌和均勻）、一定環(huán)境溫度條件下得出的結(jié)論，轉(zhuǎn)速和溫度對(duì)最佳攪拌時(shí)間的影響另文報(bào)告。

空隙率隨著攪拌時(shí)間的增加先減小后增大，抗壓強(qiáng)度隨著攪拌時(shí)間的增加先增大后減小，這一試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)多次驗(yàn)證的確如此，具體原因與機(jī)理需進(jìn)一步研究。

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