吳鵬飛

(通號工程局集團(tuán)建設(shè)工程有限公司， 湖南 長沙 410000)

改性乳化瀝青作為一種節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的路用瀝青材料，其形成的改性乳化瀝青混合料與熱拌瀝青混合料相比具有施工速度快、養(yǎng)生時(shí)間短、成本較低的優(yōu)點(diǎn)；但其水穩(wěn)定性相對較差，只能用于較低等級公路的中下面層或基層，這嚴(yán)重阻礙了改性乳化瀝青的應(yīng)用與推廣[1]。隨著我國對耐久性瀝青路面的急切需求，如何提高改性乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性成為相關(guān)研究中重要的一項(xiàng)工作[2]。

2015年李科成等[3]在乳化瀝青混合料中加入水泥后，發(fā)現(xiàn)乳化瀝青迅速破乳并在水泥、水化物、瀝青膜間形成了穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成功解決了單純?nèi)榛癁r青混合料在破乳后分散的現(xiàn)象，且混合料的力學(xué)性能和路用性能與乳化瀝青用量成反比，而與水泥用量成正比。2017年秦先濤等[4-5]分析了含纖維水泥乳化瀝青混合料的路用性能與微觀結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，研究表明纖維含量在0.5%時(shí)其相互纏繞程度增強(qiáng)，各材料間的相互作用機(jī)理可用時(shí)間發(fā)展規(guī)律描述，進(jìn)一步提出了水泥乳化瀝青復(fù)合材料粘彈性能的模擬表征方法。2018年王軍[6]通過彈性模量試驗(yàn)、蠕變試驗(yàn)進(jìn)行加水泥前后乳化瀝青混合料性能的對比研究，確定了水泥乳化瀝青混合料在一定荷載作用下彈性模量、抵抗永久變形的能力顯著提高。2019年Wang等[7]系統(tǒng)地評價(jià)了水泥對乳化瀝青混合料力學(xué)性能的影響，指出水泥的加入顯著提高了乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，但對低溫性能有不利影響，并利用掃描電鏡(SEM)和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等微觀學(xué)試驗(yàn)手段得出水泥乳化瀝青混合料的細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)是影響性能的主要因素。

目前國內(nèi)外評價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法多種多樣，我國試驗(yàn)規(guī)程中評價(jià)水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法為浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)，另外部分學(xué)者在考慮水的動(dòng)力影響因素下采用浸水車轍試驗(yàn)，這些試驗(yàn)方法主要針對熱拌瀝青混合料，且各具優(yōu)缺點(diǎn)，是否適用于水泥-改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)有待考究[8-9]。

本研究在改性乳化瀝青混合料中加入水泥以期提高其水穩(wěn)定性，并對上述水穩(wěn)定性評價(jià)方法進(jìn)行適用性分析，建立以動(dòng)態(tài)模量為指標(biāo)的水泥-改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性評價(jià)新方法。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

改性乳化瀝青為自制的陽離子慢裂快凝改性乳化瀝青，固含量達(dá)到62.5%，具體指標(biāo)如表1所示。石料選用產(chǎn)于當(dāng)?shù)氐氖規(guī)r集料，粗集料針片狀顆粒含量和壓碎值分別為6.1%和14.4%，細(xì)集料的含泥量為0.80%，均滿足規(guī)范的使用要求。水泥為P·O32.5普通硅酸鹽水泥，由于本研究為初步探索水泥對改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，根據(jù)已有相關(guān)文獻(xiàn)研究成果確定水泥摻量為2%，基礎(chǔ)指標(biāo)如表2所示。

表1 改性乳化瀝青性能指標(biāo)檢測結(jié)果類別儲(chǔ)存穩(wěn)定性/%蒸發(fā)殘留物性質(zhì)1 d5 d蒸發(fā)殘留物含量/%針入度(25 ℃)/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃延度(5 ℃)/cm溶解度/%技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)≤1≤5≥6040～100≥57≥20≥97.5測定值0.6362.554.56830.498.6

表2 P·O32.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)測試項(xiàng)目細(xì)度/%密度/(g·cm-3)初凝時(shí)間/min終凝時(shí)間/min測試值3.63.04220400規(guī)范值≤10—≥45≤600

1.2 混合料及級配選擇

試驗(yàn)采用普通熱拌瀝青混合料、改性乳化瀝青混合料與水泥-改性乳化瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性對比分析。為模擬上面層實(shí)際情況，選用AC-13C型瀝青混合料級配，級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-13C瀝青混合料級配曲線圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

選用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試驗(yàn)過程按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的要求進(jìn)行[10]，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 浸水馬歇爾試驗(yàn)

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

采用雙面各擊實(shí)25、50、75次的馬歇爾試件，凍融劈裂強(qiáng)度測試步驟按規(guī)范要求進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 凍融劈裂試驗(yàn)

2.3 浸水車轍試驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)的輪碾成型車轍板試件，尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，稱量試件質(zhì)量為m1，首先將車轍板置于-18 ℃環(huán)境下浸水保溫16h，到時(shí)間后立即取出放入已保持60 ℃恒溫的車轍儀內(nèi)開始試驗(yàn)，整個(gè)過程均在浸水情況下進(jìn)行?？紤]到實(shí)際行車過程中的橫向分布荷載，本試驗(yàn)采取將試件以50 mm/min的速率橫向移動(dòng)的方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，其它條件與標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)一致，試驗(yàn)過程為24 h，最后將試驗(yàn)后車轍板上散落的石料清洗干凈并在60 ℃條件下烘干至恒重m2，其質(zhì)量損失比Δm=(m1-m2)/m1。

2.4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)試件為直徑100 mm、高100 mm的圓柱體，是由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型儀成型的直徑100 mm、高120 mm的圓柱體試件切割加工而成。試驗(yàn)過程采用UTM萬能試驗(yàn)機(jī)完成。本試驗(yàn)針對改性乳化瀝青混合料、水泥-改性乳化瀝青混合料、熱拌瀝青混合料3種混合料，在5種不同溫度和5種不同加載頻率下進(jìn)行，共進(jìn)行75組試驗(yàn)組合，試驗(yàn)設(shè)定條件如表3所示，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)如圖4所示。

表3 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定表試驗(yàn)溫度/℃加載頻率/Hz加載波形-100.1101205半正矢波40106025

圖4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

試驗(yàn)步驟為：①先將1組試件按設(shè)定條件進(jìn)行單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)；②試驗(yàn)完成后立即進(jìn)行凍融循環(huán)處理；③緊接著在自然條件下干燥處理；④再次進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分析

按照2.1節(jié)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，各種瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3種瀝青混合料的穩(wěn)定度以及浸水穩(wěn)定度大小排序均為：水泥-改性乳化瀝青混合料>熱拌瀝青混合料>改性乳化瀝青混合料，單從穩(wěn)定度數(shù)據(jù)可看出加水泥的改性乳化瀝青混合料在浸水前后的穩(wěn)定度較不加水泥有顯著提高，即水泥的添加對改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性有較大改善作用。但殘留穩(wěn)定度指標(biāo)除熱拌瀝青混合料外均大于1，這與瀝青混合料的材料特性相違背，造成數(shù)據(jù)不符合實(shí)際規(guī)律的原因在于較小空隙率下改性乳化瀝青混合料的密實(shí)度更好，經(jīng)60 ℃水浴浸泡后試件相對于熱拌瀝青混合料相對較軟，穩(wěn)定度試驗(yàn)時(shí)變形較大，間接導(dǎo)致馬歇爾穩(wěn)定度變大，即浸水馬歇爾試驗(yàn)不適于評價(jià)改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性。

表4 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果kN混合料類型穩(wěn)定度(MS)浸水穩(wěn)定度(MS1)殘留穩(wěn)定度(MS0)改性乳化瀝青混合料4.835.801.20水泥-改性乳化瀝青混合料6.457.551.17熱拌瀝青混合料6.275.960.95

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

按照2.2節(jié)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，不同擊實(shí)次數(shù)的馬歇爾試件空隙率、凍融前后的劈裂強(qiáng)度見表5，凍融劈裂強(qiáng)度比隨空隙率的變化規(guī)律如圖5所示。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果混合料類型擊實(shí)次數(shù)/次空隙率/%劈裂強(qiáng)度RT1/MPa凍融劈裂強(qiáng)度RT2/ MPa凍融劈裂強(qiáng)度比TSR/%2512.30.60.5591.5改性乳化瀝青混合料5010.30.770.6382.4758.80.840.6375.52511.50.640.6194.8水泥-改性乳化瀝青混合料509.60.810.7086.6758.20.900.7279.6258.80.710.6895.2熱拌瀝青混合料506.30.850.7588.7754.50.920.7682.3

圖5 凍融劈裂強(qiáng)度比隨空隙率的變化規(guī)律

由表5可以看出，加水泥后改性乳化瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度以及劈裂強(qiáng)度比均有不同程度提高，顯然單從獨(dú)立的數(shù)據(jù)上看，水泥對改性乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性有較強(qiáng)促進(jìn)作用。但從圖5的變化規(guī)律看，3種瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比隨空隙率的增加而增大，即水穩(wěn)定性與空隙率大小呈正比關(guān)系，這顯然與實(shí)際情況不符。這一現(xiàn)象說明凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)水穩(wěn)定性具有一定的局限性，尤其不適用于高溫多雨瀝青路面脹縮明顯的南方地區(qū)，它只適用處于體積指標(biāo)不變的情況。

3.3 浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)2.3節(jié)的方法進(jìn)行浸水車轍試驗(yàn)，按照試件的松散剝落程度來評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果混合料類型平行試驗(yàn)/次m1/gm2/g(m1-m2)/gΔm/%19 8868 9269609.71改性乳化瀝青混合料29 9068 8441 06210.7239 8738 7921 08110.95110 1129 4087046.96水泥-改性乳化瀝青混合料210 0689 4735955.91310 0549 5225325.29111 06510 4176485.86熱拌瀝青混合料211 08310 5964874.39311 07010 3117596.86

3種瀝青混合料試件經(jīng)過輪碾荷載、溫度、水等因素作用均出現(xiàn)不同程度的松散剝落，其中改性乳化瀝青混合料的松散剝落程度最嚴(yán)重，而水泥-改性乳化瀝青混合料和熱拌瀝青混合料松散剝落程度相當(dāng)。由此可知，水泥加入后改性乳化瀝青混合料的抗水損害能力明顯提高，但平行試驗(yàn)中各平行試驗(yàn)的誤差均出現(xiàn)大于1%的情況，試驗(yàn)離散性較大，造成這種現(xiàn)象的原因有： ① 在清洗試件時(shí)的人為因素；② 試件制作過程中不均勻性。雖然浸水車轍試驗(yàn)?zāi)苣M反映輪碾荷載、溫度、水等作用，但評價(jià)指標(biāo)受人為因素試件不均勻性影響較大，所以采用浸水車轍試驗(yàn)評價(jià)水穩(wěn)定性較不適用。

3.4 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1平移因子確定

本研究獲得設(shè)定條件下的動(dòng)態(tài)模量是擬合動(dòng)態(tài)模量主曲線的關(guān)鍵，它的核心理論是時(shí)間-溫度等效原理，運(yùn)用此原理的關(guān)鍵性步驟是準(zhǔn)確地將設(shè)定條件下的動(dòng)態(tài)模量平移到參考溫度下，平移距離定義為平移因子αT，其與頻率的關(guān)系式如式(1)所示。

fr=f·αT

(1)

式中：f為試驗(yàn)的加載頻率；fr為參考溫度下的縮減頻率；αT為平移因子。

國內(nèi)外計(jì)算平移因子通常采用的方法為解威廉姆斯·蘭德爾·費(fèi)里(W.L.F方程)方程，如式(2)。

(2)

式中：C1、C2為材料參數(shù)；T為試驗(yàn)選取溫度；T0為參考溫度。

3.4.2動(dòng)態(tài)模量主曲線模型的擬合

動(dòng)態(tài)模量主曲線的擬合是利用時(shí)溫等效的原理將試驗(yàn)溫度下的頻率換算成參考溫度下頻率，采用擬合模型將其擬合成一條有規(guī)律的光滑曲線。參考溫度是擬合的關(guān)鍵模型參數(shù)，通?？捎刹煌瑴囟群筒煌l率下的動(dòng)態(tài)模量計(jì)算得出。國內(nèi)外學(xué)者通常采用廣義的Sigmoidal模型進(jìn)行擬合，此模型可最大程度減輕偏差的影響，其模型如式(3)所示。

(3)

式中：E(fr)為動(dòng)態(tài)模量，MPa；fr為參考溫度下的縮減頻率，Hz；δ為較低漸近線值，MPa；α為較高漸近線值與較低漸近線值的差值，MPa；β、γ、λ均為不同性質(zhì)的系數(shù)[10]。

3.4.3動(dòng)態(tài)模量主曲線擬合

根據(jù)2.4節(jié)的條件進(jìn)行不同類型瀝青混合料凍融前后的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，在不同溫度和不同頻率下對3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行擬合，變化趨勢如圖6和圖7所示。

圖6 不同瀝青混合料凍融前動(dòng)態(tài)模量隨溫度和頻率的變化規(guī)律

圖7 不同瀝青混合料凍融后動(dòng)態(tài)模量隨溫度和頻率的變化規(guī)律

由圖6和圖7可知，3種瀝青混合料凍融前后的動(dòng)態(tài)模量總是隨溫度升高和頻率降低而減小，這與規(guī)范所要求的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)溫度由低到高、頻率由高到低一致。各頻率下經(jīng)過凍融循環(huán)后瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量均變小，這是由于在水侵害影響下，瀝青膜在集料間的黏附作用逐漸減弱，導(dǎo)致試件的整體性降低，抵抗外來荷載的能力逐漸變?nèi)?。從?dòng)態(tài)模量下降幅度看，凍融循環(huán)對水泥-改性乳化瀝青混合料的影響最小，從而判定水泥在提高改性乳化瀝青混合料水穩(wěn)定性方面效果顯著。

本研究以20 ℃為參考溫度擬合不同瀝青混合料凍融前后的動(dòng)態(tài)模量主曲線，以水泥-改性乳化瀝青混合料凍融后為例，其動(dòng)態(tài)模量主曲線擬合過程如圖8所示，3種瀝青混合料凍融前后的動(dòng)態(tài)模量主曲線如圖9和圖10所示。

圖8 水泥-改性乳化瀝青混合料凍融后動(dòng)態(tài)模量主曲線擬合

圖9 瀝青混合料凍融前動(dòng)態(tài)模量主曲線

圖10 瀝青混合料凍融后動(dòng)態(tài)模量主曲線

由圖8可知，水泥-改性乳化瀝青凍融后的動(dòng)態(tài)模量主曲線在較低頻率或高溫情況下的動(dòng)態(tài)模量下降趨勢明顯，而在較高頻率或低溫情況下變化趨勢不顯著，即水泥-改性乳化瀝青混合料在高溫低頻時(shí)的粘彈性對動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的凍融循環(huán)更加敏感，經(jīng)歷荷載作用后內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)開始發(fā)生破壞，整體性迅速下降。低溫高頻時(shí)，粘彈性的敏感程度降低，對混合料強(qiáng)度起決定性作用的是瀝青，因此凍融前后動(dòng)態(tài)模量變化小。在高溫低頻條件下，水損害發(fā)展得更快更嚴(yán)重，因此在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對實(shí)際交通頻率和溫度變化，著重考慮此條件下的力學(xué)性能變化。綜上所述，采用動(dòng)態(tài)模量主曲線來評價(jià)改性乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性較為科學(xué)合理，它可以表征水穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化的特性，符合水作用下路面實(shí)際發(fā)展情況。

由圖9和圖10的變化趨勢可以看出，在相對較低荷載頻率范圍內(nèi)，相同溫度環(huán)境下凍融前后瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量大小排序?yàn)椋核?改性乳化瀝青混合料>熱拌瀝青混合料>改性乳化瀝青混合料，說明水泥-改性乳化瀝青混合料的力學(xué)性能最優(yōu)，水泥的加入可顯著改善改性乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性；隨著頻率的升高，3種瀝青混合料凍融前后的動(dòng)態(tài)模量變化趨勢逐漸變緩，在某一相對較高的頻率下改性乳化瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量可與水泥-改性乳化瀝青混合料接近，所以針對交通荷載頻率較高的情況下設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到水穩(wěn)定性特殊情況，也可采取改性乳化瀝青混合料。

4 機(jī)理分析

1) 水泥填料的水化作用正好吸收了游離在乳化瀝青混合料中的多余水分，避免了因多余游離水產(chǎn)生的骨料間嵌擠摩擦力不足問題，維持了混合料強(qiáng)度的穩(wěn)定發(fā)展。同時(shí)水泥水化放熱可以加快破乳速度，加快強(qiáng)度的形成。

2) 呈針狀的水泥水化產(chǎn)物在乳化瀝青破乳過程中，可穿插在瀝青膜、礦料表面，水化產(chǎn)物、瀝青膜、集料三者可形成三維骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部相互交織、穿插，使得各界面的有效連接更加穩(wěn)固，受動(dòng)水作用侵蝕減弱。

3) 水化產(chǎn)物的產(chǎn)生可有效填充混合料內(nèi)部空隙，使混合料致密程度提高，試件抗剝落能力顯著提升。

5 結(jié)語

1) 現(xiàn)有的浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)等水穩(wěn)定性評價(jià)方法對于水泥-改性乳化瀝青混合料評價(jià)均存在明顯的不適用性，而采用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)形成的動(dòng)態(tài)模量主曲線評價(jià)方法，具有表征水穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)變化特性的優(yōu)勢，符合水作用下路面實(shí)際發(fā)展情況。

2) 水泥填料的水化正好吸收了游離在改性乳化瀝青混合料中的多余水分，避免了因多余游離水產(chǎn)生的骨料間嵌擠摩擦力不足問題，維持了混合料強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展；同時(shí)水化產(chǎn)物、瀝青膜、集料三者可形成三維骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部相互交織、穿插，使得各界面的有效連接更加穩(wěn)固，受動(dòng)水作用侵蝕減弱。由此得出水泥填料可顯著提升改性乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性。