王黎明,董 晨

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

乳化瀝青混合料(Cold Emulsified Asphalt Mixture，CEAM)為拌合而引入的水需在壓實(shí)成型階段破乳、排出才能形成有效膠結(jié)體系，進(jìn)而形成強(qiáng)度。這種先引入水后排出水的技術(shù)特征既帶來常溫施工便利性，也會(huì)造成CEAM膠結(jié)體系的粘結(jié)力和粘附性不足以及難以壓密[1-2]。其中，粘結(jié)力和粘附性不足的問題可通過添加水性環(huán)氧樹脂或乳液改性等膠結(jié)料性能強(qiáng)化措施加以改善，是當(dāng)前應(yīng)用研究的熱門[3]。而難以壓密的問題本質(zhì)上在于拌合物中所含液體量高于集料壓實(shí)潤(rùn)滑所需。當(dāng)用于有順暢排水通道的開級(jí)配混合料時(shí)這個(gè)矛盾不明顯；當(dāng)用于集料結(jié)構(gòu)不能提供良好排水通道、碾壓時(shí)易產(chǎn)生較大的孔隙壓力的密級(jí)配時(shí)，則成為難以調(diào)和的矛盾。

CEAM在常溫下拌合與鋪筑，廣泛替代熱拌料將具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。前述問題使得當(dāng)前CEAM主要用于開級(jí)配的基層或下面層(含冷再生)、路面修補(bǔ)、及對(duì)性能要求不高的低交通道路面層等[4-5]。而密級(jí)配所具有的密實(shí)性、充分膠結(jié)界面和粘附體系是實(shí)現(xiàn)混合料高強(qiáng)耐久的基本前提，若要CEAM廣泛替代面層熱拌料，采用密級(jí)配是其必然選擇。

對(duì)密級(jí)配CEAM來說，上述本質(zhì)矛盾難以消除，但可弱化。措施分為兩個(gè)角度：①采用高濃度乳化瀝青及其他均勻拌合所允許的減少液體量措施；②優(yōu)化級(jí)配結(jié)構(gòu)，使其更利于壓實(shí)。密級(jí)配混合料的結(jié)構(gòu)分為連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配。按膠漿體系理論，連續(xù)密級(jí)配混合料(如AC)的強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)料粘聚力，存在最佳膠漿(體積)用量使得膠結(jié)料粘聚力得到充分發(fā)揮，因此連續(xù)密級(jí)配CEAM理論上不但面臨拌合與壓實(shí)所需液體量的矛盾，還面臨破乳后含大量孔隙膠漿體系與最佳膠漿(體積)用量的矛盾。其他研究也證明，當(dāng)CEAM采用連續(xù)級(jí)配時(shí)，壓實(shí)是非常困難的事情[6]。而間斷密級(jí)配混合料的強(qiáng)度則取決于嵌擠粗集料骨架的內(nèi)摩阻力和膠結(jié)料對(duì)骨架體系的穩(wěn)固作用，當(dāng)CEAM采用間斷密級(jí)配(如SMA)時(shí)，較少的中間集料使得瑪蹄脂或膠漿的體積量在壓實(shí)階段粗集料骨架的形成影響相對(duì)較小。而服役期骨架的穩(wěn)定性理論上不受瑪蹄脂或膠漿體系體積變化(縮小)的影響。

綜上，以施工期和服役期二者協(xié)調(diào)的角度看，CEAM采用間斷密級(jí)配更易壓密并獲得較高的模量和耐久性。但是，傳統(tǒng)熱拌混合料的級(jí)配形式是否完全適用于CEAM尚不清楚[7-8]。因此，文章以典型間斷密級(jí)配SMA結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于顆粒堆積理論分析，探究主骨架顆粒及其干涉顆粒相對(duì)含量變化對(duì)CEAM的內(nèi)部排水以及密實(shí)程度影響，以期確定更利于壓密的級(jí)配組成機(jī)制，獲得密級(jí)配CEAM設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)律。

1 骨架密實(shí)型級(jí)配優(yōu)化路徑

1.1 級(jí)配優(yōu)化對(duì)象

級(jí)配優(yōu)化研究對(duì)象應(yīng)具有骨架結(jié)構(gòu)特征，研究以強(qiáng)化骨架結(jié)構(gòu)以及減弱干涉作用作為優(yōu)化路徑。對(duì)于SMA-16，在4.75 mm通過率大于30%時(shí)，瀝青混合料內(nèi)部將不能形成骨架結(jié)構(gòu)[9]。故可參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中SMA-16級(jí)配中值(4.75 mm 通過率為26%)，以其作為級(jí)配研究對(duì)象。該級(jí)配中粒徑9.5～4.75 mm的顆粒含量比重最高，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中所提出的DASR方法，將此檔料定為該級(jí)配下的主骨架顆粒。其中，主骨架干涉顆粒會(huì)影響主骨架穩(wěn)定性，干涉顆?？商畛涔羌芸障?，過量則會(huì)撐開骨架[11-12]。研究過程中以SMA-16級(jí)配推薦中值作為級(jí)配優(yōu)化對(duì)照組，探究主骨架顆粒及其干涉顆粒相對(duì)含量變化對(duì)CEAM性能影響。

1.2 顆粒堆積理論

本文以顆粒堆積理論作為確定主骨架干涉顆粒范圍的理論基礎(chǔ)。顆粒堆積理論假定顆粒形狀為球形，可形成立方堆積、正斜方堆積、楔形四面體堆積、六方最密堆積等多種空間堆積方式。隨著空間排列的逐漸緊密，剩余空隙呈逐漸減小的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[13]研究顆粒級(jí)配對(duì)混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，通過顆粒堆積理論確定干涉顆粒范圍，建立顆粒級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)干涉系數(shù)。

以六方最密堆積方式的剩余空隙尺寸為極限最小顆粒填充尺寸。在該種排列方式下，空隙形成方式主要有兩種：4個(gè)球形顆粒圍成的三角孔、6個(gè)球形顆粒圍成的四角孔。設(shè)基本球?yàn)?次球(半徑r)，填入四角孔的最大球?yàn)?次球(半徑0.414r)，填入三角孔的最大球?yàn)?次球(半徑0.225r)，其后填入4次球、5次球等。依據(jù)密實(shí)堆積經(jīng)驗(yàn)，三級(jí)顆粒組分填充更具實(shí)際意義。綜上，可認(rèn)為六方最密堆積狀態(tài)的空隙尺寸為0.225Dmin(Dmin為同級(jí)顆粒最小尺寸)，確定粒徑9.5～4.75 mm顆粒的干涉顆粒的粒徑范圍為4.75～1.18 mm。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用按標(biāo)準(zhǔn)孔徑篩分的玄武巖碎石，填料為0.075 mm通過率100%的石灰石礦粉。采用自制陽離子乳化瀝青。用42.5R普通硅酸鹽水泥替代礦粉含量的25%，故礦粉、水泥分別占礦料質(zhì)量的6.75%、2.25%。乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如下：破乳速度為慢裂，與粗、細(xì)式集料拌和均勻，篩上剩余量(1.18 mm)為0.06%，儲(chǔ)存穩(wěn)定性(5 d)為2.9%，蒸發(fā)殘留物含量65.0%，針入度(25 ℃)為91.3(0.1 mm)，延度(15 ℃)為93.6 cm。主要指標(biāo)見表1、表2，以上材料均符合相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 集料和礦粉主要技術(shù)指標(biāo)Table1 Maintechnicalindicatorsofaggregateandmineralpowder試驗(yàn)項(xiàng)目表觀相對(duì)密度/(g·cm-3)吸水率/%壓碎值/%砂當(dāng)量/%粗集料2.7920.5414.6-細(xì)集料2.785——71.6礦粉2.728———

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)Table2 Cementtechnicalindicators細(xì)度安定性凝結(jié)時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa初凝終凝2d28d3d28d≤10合格14723924.745.65.69.9

2.2 試驗(yàn)方案

a.優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

依前文所述，擬定兩種優(yōu)化方案：①9.5 mm以上粗顆粒含量不變，減少干涉顆粒含量，等量增加主骨架顆粒；②9.5 mm以上粗顆粒含量不變，減少干涉顆粒以下細(xì)顆粒含量，等量增加主骨架顆粒。

b.方案級(jí)配設(shè)計(jì)。

以JP0(級(jí)配推薦中值)作為對(duì)照，其中4.75～1.18 mm和1.18～0.075 mm累計(jì)篩余百分率均為8%。故擬定9.5～4.75 mm顆粒的累計(jì)篩余百分率的增加量依次為2%、4%、6%、8%。由方案①，得JP1、JP2、JP3、JP4；同理，由方案②，得JP5、JP6、JP7、JP8。共9種試驗(yàn)級(jí)配見表3、圖1。

表3 試驗(yàn)級(jí)配Table3 Testgrading級(jí)配名稱篩孔(mm)通過率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075JP01009575552619.5181512.511.510JP11009575552419.1181512.511.510JP21009575552218.8181512.511.510JP31009575552018.4181512.511.510JP41009575551818.0181512.511.510JP51009575552417.51613.811.911.110JP61009575552215.51412.511.311.810JP71009575552013.51211.310.610.410JP81009575551811.51010101010

圖1 級(jí)配曲線

2.3 最佳乳石比確定

首先采用馬歇爾試件的體積設(shè)計(jì)法確定JP0的最佳乳石比。由乳液濃度，對(duì)JP0初擬7.8%、8.3%、8.8%、9.3%、9.8%的5個(gè)乳石比進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由試驗(yàn)結(jié)果：乳化瀝青混合料空隙率偏大，參照相應(yīng)體積設(shè)計(jì)法的技術(shù)要求，依經(jīng)驗(yàn)，選定JP0最佳乳石比為9.3%。

表4 不同乳石比下主要技術(shù)指標(biāo)Table4 Maintechnicalindicatorsunderdifferentlatexratios%乳石比/粗集料間隙率搗實(shí)空隙率空隙率礦料間隙率飽和度7.836.043.28.319.557.58.335.743.17.819.359.68.835.443.27.419.261.49.335.143.26.518.965.69.834.843.16.518.666.2

剩余8種級(jí)配的差異性較小，則依據(jù)瀝青膜厚度計(jì)算式(1)、式(2)推算JP1～JP8最佳瀝青用量。

SA=∑(Pi×FAi)

(1)

(2)

式中：SA為集料比表面積,m2/kg；Pi為各種粒徑的通過百分率,%；FAi為相應(yīng)粒徑集料的表面積系數(shù)；DA瀝青膜有效厚度,μm；Pbe有效瀝青含量,%；γb為瀝青的相對(duì)密度(25℃/25℃)。

依據(jù)上述，推算JP1～JP8最佳乳石比為：9.3%、9.3%、9.3%、9.3%、9.1%、9.1%、8.6%、8.5%。

2.4 試件成型及養(yǎng)生方式

參考修正馬氏成型法，首先在室溫下待混合料開始由褐色轉(zhuǎn)為黑色時(shí)，進(jìn)行雙面各擊實(shí)50次，又經(jīng)110 ℃條件下養(yǎng)生24 h后，再雙面各擊實(shí)25次，最終室溫下養(yǎng)生24 h。保持試件帶模側(cè)立放置無法反映路面實(shí)際養(yǎng)生狀態(tài)，且前期試件內(nèi)部粘聚力不足，側(cè)立放置易導(dǎo)致混合料掉落、損失。故將試件帶模正放養(yǎng)生且底部放置墊片，亦可反映混合料養(yǎng)生過程內(nèi)部流體實(shí)際運(yùn)動(dòng)變化。

2.5 評(píng)價(jià)方法

參考文獻(xiàn)[14]提出的累計(jì)失水率指標(biāo)表征試件內(nèi)部水分排出程度，以評(píng)價(jià)各級(jí)配在擊實(shí)及養(yǎng)生過程中的排水性能差異，以一次擊實(shí)完成至養(yǎng)生結(jié)束過程中某時(shí)刻測(cè)定的失去水分的質(zhì)量與總水量的比值，即得該時(shí)刻的累計(jì)失水率。以空隙率指標(biāo)反映級(jí)配優(yōu)化過程中AEM的密實(shí)情況。對(duì)于混合料高、低溫性能的評(píng)價(jià)，考慮成型過程中內(nèi)部流體受重力作用和振動(dòng)效應(yīng)影響，混合料中破乳膠漿分布可能存在上下不均勻。故采用操作簡(jiǎn)單的瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)(標(biāo)準(zhǔn)馬氏試件)評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性[15-16]；采用非標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲試驗(yàn)對(duì)混合料的低溫抗裂性進(jìn)行評(píng)價(jià)，由輪碾法制備的板式試件切割而成的棱柱體試件保留上下表面，試件尺寸：250 mm×50 mm×50 mm；采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干涉顆粒含量變化影響

如圖2所示：JP0～JP4從一次擊實(shí)成型到養(yǎng)生完成的過程中，累計(jì)失水率曲線隨著養(yǎng)生時(shí)間的推移先呈線性正相關(guān)后，失水速率逐漸減小直至水分完全散失。5種級(jí)配隨著干涉顆粒的減少以及主骨架顆粒的增多，試件失水速率逐漸提高，以曲線線性相關(guān)部分作比較，與JP0相比，JP1～JP4在此種優(yōu)化途徑使得失水速率提高了1.9%～13%。結(jié)果表明：減少干涉顆粒并等量增加主骨架顆?？梢杂行г鰪?qiáng)乳化瀝青混合料擊實(shí)成型和養(yǎng)生過程中的排水能力。

圖2 失水率變化曲線

由圖3可知：空隙率受干涉顆粒含量的影響顯著，隨著干涉顆粒的減少，空隙率先減小后增大。干涉顆粒含量由8%降低至4%(JP0-JP2)過程中,主骨架受到的干涉作用減弱，空隙率由6.7%降低至6.1%，表明此時(shí)混合料更易壓密；干涉顆粒含量由4%降低至0%(JP2-JP4)過程中，隨著粗顆粒的含量逐漸增大，剩余空隙無法填充。此時(shí)粗顆粒間隙的增多在壓實(shí)過程中造成的不利影響大于減弱干涉作用所帶來的有利影響，因此空隙率又由6.1%增大至8.3%，最終空隙率變化曲線在JP2下出現(xiàn)峰值。

圖3 空隙率變化曲線

干涉顆粒的減少和骨架顆粒的增多，可以減弱內(nèi)部干涉作用影響，利于形成排水通道，使得在擊實(shí)過程中的排水量增多以及養(yǎng)生過程中排水速率加快。干涉作用的減弱也使得混合料更容易壓密，獲得更小空隙率。

3.2 干涉顆粒以下細(xì)顆粒含量變化影響

如圖4所示，5種級(jí)配由擊實(shí)成型到養(yǎng)生完成的過程中，累計(jì)失水率曲線隨著養(yǎng)生時(shí)間的推移先呈線性正相關(guān)后失水速率逐漸減小直至水分完全散失。這5種級(jí)配隨著1.18～0.075 mm顆粒的減少以及9.5～4.75 mm顆粒的增多，混合料失水速率顯著提高，以曲線線性相關(guān)部分作比較，與JP0相比，JP5～JP8在失水速率提高了1.9%～22.2%。結(jié)果表明：減少1.18～0.075 mm顆粒并等量增加9.5～4.75 mm顆粒對(duì)乳化瀝青混合料排水性能影響更為顯著。

圖4 失水率變化曲線

如圖5所示，空隙率變化曲線整體呈上升趨勢(shì)，表明此級(jí)配優(yōu)化方式使得混合料更難壓密。減少1.18～0.075 mm，等量增加9.5～4.75 mm顆粒無法降低空隙率。可以認(rèn)為：細(xì)集料起著填充剩余空隙的作用，細(xì)組分的不足將導(dǎo)致更多小孔或微孔無法填滿，體系中更多小孔或微孔的形成將會(huì)增大空隙率。

圖5 空隙率變化曲線

方案②的優(yōu)化方式減弱內(nèi)部干涉作用影響的同時(shí)也減少了集料細(xì)組分的含量。由于粗集料對(duì)水分的保有能力遠(yuǎn)低于細(xì)集料，因此混合料對(duì)水分的保有能力降低，使得在擊實(shí)過程中的排水量增多以及養(yǎng)生過程中排水速率加快，但是集料中細(xì)組分的不足也會(huì)導(dǎo)致微小空隙無法填充良好，故該種優(yōu)化方式下無法滿足本研究的壓密要求。

3.3 最佳方案級(jí)配路用性能驗(yàn)證

由級(jí)配排水能力和成型空隙率兩種因素，確定JP2為優(yōu)化方案中的最佳級(jí)配。見表5，與空白組JP2相比，貫入強(qiáng)度值提高29%，彎拉應(yīng)變值提高19%，凍融劈裂強(qiáng)度比基本不變。結(jié)果表明：合理增加主骨架顆粒并等量減少相應(yīng)干涉顆粒，一定程度上改善高、低溫性能，該結(jié)論驗(yàn)證了壓密結(jié)果。增加9.5～4.75 mm以及等量減少4.75～1.18 mm顆粒，可以減弱內(nèi)部干涉影響，減少微孔數(shù)量，利于形成排水通道，使得混合料更為密實(shí)，進(jìn)而高溫性能得到改善。其中，粗集料的增多，可增大集料間的接觸面積，進(jìn)而增大內(nèi)摩阻力，因此混合料高溫抗剪性能得到顯著改善。然而破乳后膠結(jié)料黏結(jié)力不足，可能是導(dǎo)致混合料抗水侵蝕能力差的主要原因，級(jí)配優(yōu)化對(duì)其影響效果不顯著。

表5 路用性能驗(yàn)證結(jié)果Table5 Roadperformanceverificationresults級(jí)配名稱空隙率/%貫入強(qiáng)度/MPa彎拉應(yīng)變/με凍融強(qiáng)度比/%JP06.80.81188078.3JP26.11.06216078.6

4 結(jié)論

本研究基于顆粒堆積理論，探究間斷密級(jí)配CEAM級(jí)配變化對(duì)其性能的影響，研究表明：

a.基于SMA-16設(shè)計(jì)推薦中值，保證9.5 mm以上顆粒含量不變，9.5～4.75 mm含量由29%增至37%過程中，CEAM排水速率可提高13.0%～22.2%。

b.適量增加主骨架顆粒并等量減少相應(yīng)干涉顆粒，有助于降低空隙率，使得CEAM在壓實(shí)階段更易壓密。

c.對(duì)于間斷密級(jí)配乳化瀝青混合料，增加主骨架顆粒并等量減少相應(yīng)干涉顆?？梢欢ǔ潭壬细纳聘摺⒌蜏匦阅?，驗(yàn)證了壓密結(jié)果。