王立志

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

近年來，我國基礎設施建設隨著國家經(jīng)濟提升得到了空前的發(fā)展。然而，在進行基礎設施建設的過程中，所面臨的能源消耗與環(huán)境保護的問題也亟待解決。其中，公路建設作為基礎設施建設的重要組成之一，具有里程長、體量大，資源占用多、能源消耗大的特點。目前，國內(nèi)的高速公路建設在材料選擇方面主要采用瀝青混合料，建設過程中需要生產(chǎn)大量的瀝青混合料，而瀝青混合料的生產(chǎn)則造成了大量能源和資源的消耗，并對周邊環(huán)境造成污染。在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境下，我國對冷拌瀝青混合料技術的發(fā)展與應用也逐漸重視起來，在道路預防性養(yǎng)護、道路維修中，冷拌瀝青混合料已經(jīng)得到了較大規(guī)模的應用。但是，該項技術在我國新建路面結構上的應用尚屬空白，若能研究開發(fā)一種新型冷拌瀝青混合料，性能滿足相關技術要求，拓展冷拌瀝青混合料在新建道路上的應用范圍，無論從技術還是經(jīng)濟角度上都具有十分重要的意義。

1 原材料選擇及檢測

乳化瀝青混合料是由集料、乳化瀝青、填料等材料組成的一種多相復合材料，各種原材料的性質(zhì)與混合料的各項路用性能密切關聯(lián)，而原材料種類繁多，因此根據(jù)路面的使用性能和要求，嚴格選擇改性乳化瀝青混合料所需材料十分必要。

1.1 集料

集料在改性乳化瀝青混合料中起到整體骨架和填充作用，試驗粗集料采用玄武巖，細集料為石灰?guī)r。粗集料必須足夠堅硬，沒有分化現(xiàn)象，集料表面保持干燥、潔凈，當中不能有雜質(zhì)。細集料在瀝青混合料中主要起到填充作用。細集料應當潔凈、無雜質(zhì)、無團粒結塊且有適當?shù)念w粒級配，當中不能含有太多泥土，集料表面較低的活性。

1.2 乳化瀝青

乳化瀝青是瀝青經(jīng)過加熱融化和機械作用轉化為細小的微滴狀態(tài)分散于水中，形成一種水包油狀的穩(wěn)定瀝青乳液[1]。乳化瀝青最突出的特性就是在常溫下仍處于流動狀態(tài)，可以正常地與石料拌合，施工十分方便。乳化瀝青的黏結作用必須經(jīng)過其破乳凝固后才能體現(xiàn)出來，當中的水分會蒸發(fā)排出，道路材料最終強度形成。乳化瀝青主要由瀝青、水和乳化劑構成，為了改善乳化瀝青的性能和存儲性，還會在配制乳化瀝青的過程中加入一些添加劑，如穩(wěn)定劑、特殊助劑、改性劑等。

本文使用的乳化瀝青為滿足新建或改擴建道路結構層瀝青結合料的使用要求，采用的是一種高標準的SBS改性乳化瀝青，該瀝青的制備過程是：采用基質(zhì)瀝青AH70，加入高分子聚合物SBS改性劑，制備SBS改性瀝青，然后以制備的SBS改性瀝青為原料加入乳化劑，配制SBS改性乳化瀝青。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）[1]中的試驗方法，對瀝青進行了規(guī)定項目的檢測，其試驗結果見表1。

表1 改性乳化瀝青試驗結果

1.3 填料

本文設計乳化瀝青混合料中，填料采用礦粉與水泥。

1.3.1 礦粉

在制備瀝青混凝土過程中，加入一定量的礦粉，與其中的瀝青形成膠漿，瀝青膠漿在瀝青混凝土組成體系中具有十分重要的作用，對瀝青混凝土的強度會產(chǎn)生很大的影響，是決定瀝青混凝土高、低溫性能的關鍵因素。

1.3.2 水泥

制備改性乳化瀝青混合料過程中，加入一定量的水泥，部分水泥與礦粉一樣會與瀝青形成膠漿，對瀝青混合料的性能產(chǎn)生很大的影響。大部分水泥與乳化瀝青當中的水發(fā)生水化反應，促進乳化瀝青的破乳，對瀝青混凝土強度的形成具有促進作用，再加上水泥本身水化反應后所形成的強度，對瀝青混合料的性能會有很大的影響[2]。本文設計的改性乳化瀝青混合料當中添加的水泥為425號普通硅酸鹽水泥。

1.4 水

乳化瀝青混合料中拌合用水量的大小決定著其在拌合、攤鋪、碾壓階段的稠度、施工和易性以及施工可操作時間。本文采用日常飲用水拌合乳化瀝青混合料。

2 配合比設計

2.1 級配設計

級配指的是混合料中不同礦料粒徑的分布，一般采用各種篩孔的通過率來表示。它是混合料中礦料最重要的特征，幾乎影響到混合料的所有性質(zhì)：強度、耐久性、施工和易性等。好的級配能夠使得材料發(fā)揮最大的作用。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）[3]規(guī)定的級配上下限，本文采用將粗、細集料按粒徑篩分成檔，進行礦料級配設計。

表2 AC-13型冷拌冷鋪混合料的礦料級配 %

表3 AC-16型冷拌冷鋪混合料的礦料級配 %

2.2 最佳油石比確定

在確定最佳油石比前，首先要確定混合料拌合時外添水的劑量。本文根據(jù)交通部陽離子乳化瀝青課題協(xié)作組對乳化瀝青研究得出的瀝青混合料最佳流體量經(jīng)驗公式（1），計算得到乳化瀝青的添加量，這個添加量不是最終合適的添加量[4]。

式中：P為試用乳液占礦料干質(zhì)量的百分率，%；A為大于2.5 mm礦料占全部礦料總量的百分率，%；B為粒徑為 2.5～0.074 mm礦料占全部礦料總量的百分率，%；C為小于0.074 mm礦料占全部礦料總量的百分率，%。

確定乳化瀝青添加量后進行混合料的拌合試驗，從不加水開始以礦料質(zhì)量的0.3%為變量逐步增加外加水用量，觀察混合料拌合狀態(tài)，當混合料拌合過程中乳液能夠均勻裹附在集料表面，無結團、無離析等現(xiàn)象產(chǎn)生，此時的添水劑量作為最佳添水量，結合乳液中含水量計算得出瀝青混合料的最佳含水率，該含水量是乳液中的水以及外加水的總量。

乳化瀝青冷拌混合料的成型有其一定的獨特性，但混合料在確定最佳結合料用量的控制指標和步驟是與熱拌瀝青混合料相同的，控制指標主要包括馬歇爾穩(wěn)定度、流值、各類體積參數(shù)等。根據(jù)公式計算和拌合試驗確定乳化瀝青添加量和最佳含水率后，控制含水率不變，上下各調(diào)節(jié)0.5%、1%的乳液用量，制作試件進行馬歇爾試驗，得出最佳油石比。

通過公式（1）以及拌合試驗的結果，得出AC-13型瀝青混凝土的乳液用量為8.58%，采用8.5%為試驗參考值，最佳含水率為4.6%；AC-16型瀝青混凝土的乳液用量為8.16%，采用8.0%為試驗參考值，最佳含水率為4.5%?？刂坪什蛔儯诓煌橐禾砑恿砍尚婉R歇爾試件，測定混合料的力學體積指標，見表4、表5所示。

表4 AC-13冷拌冷鋪瀝青混合料力學體積指標

表5 AC-16冷拌冷鋪瀝青混合料力學體積指標

3 冷拌冷鋪瀝青混凝土路用性能評價

本文對不同水泥含量（0%、1%、2%、3%）下冷拌冷鋪瀝青混凝土的高溫性能、水穩(wěn)定性能和低溫性能進行了對比分析。

3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料是一種黏彈塑性材料，在高溫環(huán)境中，瀝青的黏度會降低，混合料的強度下降，受到車輛荷載的反復作用下，路面結構會產(chǎn)生一定程度的變形，部分變形由于不能得到恢復被稱為永久變形，這部分變形致使瀝青路面出現(xiàn)車轍、推移、擁包的病害，降低路面使用性能，不利于汽車安全行駛，同時縮短道路使用壽命。為了滿足路面的使用要求，瀝青混合料需要在高溫環(huán)境下具備一定的強度和剛度，即一定的高溫穩(wěn)定性，能夠承受車輛荷載的反復作用，不產(chǎn)生明顯的永久變形。

目前我國對乳化瀝青混合料車轍試驗尚無標準方法，尤其在試件成型上沒有統(tǒng)一規(guī)定，采用現(xiàn)行的瀝青混合料車轍試驗方法，試件容易在試驗中破壞，并且所得的試驗結果不能準確地反映乳化瀝青混合料的抗變形能力。本文根據(jù)乳化瀝青混合料的特點，在普通熱拌瀝青混合料車轍試驗方法上進行修正，具體步驟如下：

a）按照試驗規(guī)程中的方法，計算成型車轍板所需乳化瀝青混合料的用量，按照設計級配拌合混合料并裝入試模。b）在輪碾機上進行碾壓，分兩次碾壓成型。首次碾壓14個往返，記錄碾壓方向，經(jīng)過2 h后進行二次碾壓，碾壓7個往返。c）碾壓完畢后，將試件置于60℃鼓風烘箱內(nèi)連續(xù)養(yǎng)生48 h，從烘箱中取出在室溫下養(yǎng)生2 d。d）將養(yǎng)生完畢的試件在60℃恒溫烘箱內(nèi)置5～6 h，然后在60℃條件下進行車轍試驗。試驗結果如表6所示。

表6 冷拌冷鋪瀝青混合料車轍試驗 次/mm

3.2 水穩(wěn)定性

目前評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法有許多種，包括針對松散混合料的水煮法、攪動水浸法，針對壓實混合料的浸水馬歇爾試驗、浸水車轍試驗、凍融劈裂試驗等。本文參照熱拌瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法，對乳化瀝青混合料進行了浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，對其水穩(wěn)定性作了研究分析。

3.2.1 浸水馬歇爾試驗

采用高溫養(yǎng)生馬歇爾試件制作方法制作馬歇爾試件，將試件分為兩組，一組在60℃恒溫水箱中浸泡30 min，然后測量其馬歇爾穩(wěn)定度；另一組在60℃恒溫水箱中浸泡48 h，然后測量其馬歇爾穩(wěn)定度。兩組試件馬歇爾穩(wěn)定度的比值即浸水殘留穩(wěn)定度用來表征混合料的抗水損能力。試驗結果如表7所示。

表7 冷拌冷鋪瀝青混合料浸水馬歇爾試驗 %

3.2.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗通過在規(guī)定條件下對混合料進行凍融循環(huán)，測量試件受到水損害前后發(fā)生劈裂破壞的強度比值，用以評價混合料的水穩(wěn)定性。首先采用高溫養(yǎng)生馬歇爾試件制作方法制作馬歇爾試件8個，每4個試件為一組，第一組試件在室溫下保存?zhèn)溆?。另一組試件按照規(guī)程方法進行真空飽水，將試件取出放入塑料袋中并向其中加入約10 mL的水，扎緊袋口，放入溫度為-18℃的恒溫冰箱內(nèi)16 h，冰凍完成后將試件取出并立即放入60℃恒溫水箱中，浸泡24 h。將兩組試件全部放入25℃恒溫水箱中浸泡2 h以上，取出試件按照規(guī)程中T0716規(guī)定進行劈裂試驗。試驗結果如表8所示。

表8 冷拌冷鋪瀝青混合料凍融劈裂試驗 %

3.3 低溫抗裂性

目前用于評價瀝青混合料低溫抗裂性的試驗方法主要有：等應變加載破壞試驗、低溫收縮試驗、低溫蠕變試驗、應力松弛試驗等。本文采用低溫小梁彎曲試驗完成對乳化瀝青混合料進行低溫性能的評價。具體步驟如下：

a）采用3.1中方法制作車轍板，將車轍板利用切割機切制成長 250±2.0 mm、寬 30±2.0 mm、高 35±2.0 mm的小梁以備用。

b）將切割好的小梁放入-10℃的恒溫冰箱內(nèi)，保溫不低于5 h。

c）將低溫小梁放在試驗機上，在-10℃環(huán)境中對小梁跨中位置加載直至試件破壞，測量計算小梁發(fā)生破壞時的最大彎拉應變με。

表9 冷拌冷鋪瀝青混合料低溫彎曲試驗 με

4 結果分析與結論

a）從上述對乳化瀝青混合料的性能測試中可以得出，當水泥添加量為1%～2%時，AC-13和AC-16型乳化瀝青混合料的各項路用性能指標均能滿足規(guī)范要求，并且具有較好的高溫性能，能夠滿足新建路面結構的使用要求。

b）通過摻加水泥可以提升混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性，但是會對混合料的低溫抗裂性能產(chǎn)生不利影響。結合瀝青混合料路用性能的規(guī)范要求，建議在乳化瀝青混合料中添加1%～1.5%水泥。

c）當水泥含量相同時，AC-13型與AC-16型乳化瀝青混合料之間，前者具有更好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，后者的抗水損能力更好。