郭留紅，劉廷國(guó)，劉玉恒，張芳超

(1.河南省交通事業(yè)發(fā)展中心，河南 鄭州 453000；2.公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003； 3.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453003； 4.河南省高等級(jí)公路檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

眾所周知瀝青路面在使用過(guò)程中常出現(xiàn)各種形態(tài)下的裂縫，如橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等，從產(chǎn)生的機(jī)理看所有形態(tài)的裂縫均是由重復(fù)行車荷載、溫度應(yīng)力以及基層反射等原因造成的，其進(jìn)一步發(fā)展將大大縮短路面使用壽命[1-3]。

乳化瀝青作為灌縫材料可處治瀝青路面裂縫并促進(jìn)裂縫的自愈合修復(fù)，但在路面日常養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，其作為灌縫料粘結(jié)強(qiáng)度差、高溫下易流淌、封縫防水效果差、自愈合速度慢，嚴(yán)重影響乳化瀝青在路面養(yǎng)護(hù)中的使用程度[4-6]。從組成特性上講熱拌或冷拌瀝青混合料中起粘結(jié)作用的主要是瀝青膠漿，以及現(xiàn)有成品灌縫膠均要形成瀝青膠漿才能最大程度發(fā)揮其灌縫效果，所以欲使乳化瀝青最大程度用于瀝青路面裂縫修補(bǔ)，其蒸發(fā)殘留物一定要與礦物填料相結(jié)合，才能產(chǎn)生較強(qiáng)的黏結(jié)力不致裂縫在極端溫度下再次開裂，同時(shí)使裂縫界面填充密實(shí)，阻止雨水下滲，有效防止基層受水損害影響，另外礦粉會(huì)促進(jìn)乳化瀝青破乳，使灌縫料早期強(qiáng)度形成，自愈合速度明顯加快[7-8]。

最早研究礦粉對(duì)冷拌瀝青混合料性能影響的是前蘇聯(lián)學(xué)者，其論文中指出乳化瀝青混合料中礦粉是必不可少的，且瀝青面層的厚度決定了礦粉用量[9-10]。2013年長(zhǎng)安大學(xué)的張爭(zhēng)奇[11-13]對(duì)不同礦粉摻加比例的乳化瀝青膠漿及混合料的路用性能進(jìn)行了研究，分析粉膠比對(duì)路用性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果證明粉膠比是決定乳化瀝青膠漿性能的決定性因素，針對(duì)廣東地區(qū)推薦分膠比在1.2左右。2015年伊利諾伊大學(xué)運(yùn)用龔帕斯模型分析乳化瀝青膠漿黏度的時(shí)間變化曲線，以解決乳化瀝青破乳時(shí)間難量化等難題，研究報(bào)告指出不同巖性的礦粉對(duì)乳化瀝青膠漿黏度影響較大，且花崗巖>玄武巖>石灰?guī)r[14-15]。同年長(zhǎng)安大學(xué)的張久鵬[16-17]對(duì)礦粉巖性影響乳化瀝青膠漿黏度的機(jī)理進(jìn)行了更深一步的探索，得出如下規(guī)律：酸性礦粉瀝青膠漿黏度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度最快，即破乳時(shí)間最短；乳化瀝青膠漿達(dá)到穩(wěn)定黏度所需時(shí)間與比表面積成反比，與表面電位值成正比。2018年某交通材料技術(shù)開發(fā)有限公司的朱輝[18-19]研究認(rèn)為礦粉的加入可大大提高蒸發(fā)殘留物的黏性成分，粉膠比提升1倍與溫度下降一個(gè)等級(jí)后的勁度模量相當(dāng)，但礦粉增加會(huì)加速面層內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展速度，形成不利影響。

本研究針對(duì)上述問(wèn)題開展礦粉對(duì)乳化瀝青膠漿粘結(jié)強(qiáng)度、抗高溫性能、防水封縫效果、自愈合速度等性能的影響，并通過(guò)性能變化規(guī)律確定礦粉最佳摻量，為瀝青路面日常養(yǎng)護(hù)質(zhì)量提供保證。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

1.1.1 SBR改性乳化瀝青

本研究試驗(yàn)采用SBR改性乳化瀝青，由70#基質(zhì)瀝青和SBR改性膠乳在陽(yáng)離子乳化劑和穩(wěn)定劑的作用下，通過(guò)膠體磨邊改性邊乳化制得，技術(shù)指標(biāo)見表1，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1 SBR改性乳化瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of SBR modified emulsified asphalt

1.1.2 礦粉

礦粉的巖性對(duì)乳化瀝青破乳時(shí)間、蒸發(fā)殘留物黏度以及灌縫時(shí)的自愈合速度有較大影響，所以本研究選取了常用的石灰?guī)r和玄武巖礦粉進(jìn)行對(duì)比研究，兩者的化學(xué)組成成分有較大不同，具體指標(biāo)見表2。同時(shí)針對(duì)對(duì)比試驗(yàn)的基本原則，本研究要求礦粉粒徑均能通過(guò)0.075 mm的篩。

表2 礦粉主要化學(xué)組成成分Tab.2 Main chemical composition of mineral powder

1.2 試樣制備

在開展各項(xiàng)試驗(yàn)前將不同巖性的礦粉與乳化瀝青充分?jǐn)嚢杈鶆?，制備粉膠比分別為0，0.3，0.6，0.9，1.2的不同巖性礦粉-乳化瀝青膠漿，并確保做到試樣隨用隨制備。

2 試驗(yàn)方法

2.1 布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

礦粉-乳化瀝青膠漿與熱瀝青膠漿布氏黏度測(cè)定方法稍有不同，具體操作為：稱量固定質(zhì)量的礦粉，按照本研究要求的粉膠比加入SBR改性乳化瀝青，然后在25 ℃穩(wěn)定溫度條件下快速充分?jǐn)嚢杈鶆?，整個(gè)攪拌過(guò)程應(yīng)持續(xù)1 min，最后立即將其倒入布氏黏度儀盛樣器中，轉(zhuǎn)子速率為10 r/min，每間隔1 min讀取1次黏度值。

2.2 蒸發(fā)殘留物DSR試驗(yàn)

美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)提出用抗車轍因子G*/sinδ指標(biāo)來(lái)表征瀝青材料的高溫穩(wěn)定性，復(fù)數(shù)剪切模量G*表示瀝青材料在拉壓循環(huán)作用下最大剪應(yīng)力與最大應(yīng)變之比，而δ表示最大剪應(yīng)力和最大應(yīng)變對(duì)應(yīng)的相位角差，其均可通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)得，抗車轍因子越大，材料的高溫穩(wěn)定性越好。本研究設(shè)定固定頻率10 rad/s，采集不同溫度下的G*和δ，計(jì)算得到G*/sinδ，評(píng)價(jià)不同粉膠比不同巖性礦粉-乳化瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性。

2.3 裂縫浸水量試驗(yàn)

裂縫浸水量試驗(yàn)是采用路面滲水儀在已采取灌縫措施的不透水路面上測(cè)定浸水量隨時(shí)間的變化規(guī)律，以此驗(yàn)證加礦粉的乳化瀝青用于灌縫時(shí)的防水封縫效果，試驗(yàn)在道路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

2.4 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)

采用馬歇爾劈裂試驗(yàn)研究礦粉-乳化瀝青膠漿對(duì)瀝青混凝土裂紋愈合性能的影響，即在劈裂破壞的馬歇爾試件上用軟木刷均勻涂抹礦粉-乳化瀝青膠漿，涂抹量均為0.5 kg/m2，將涂抹有礦粉-乳化瀝青膠漿的開裂試件重新粘合在一起并輕輕按壓保持10 min，放置在室溫條件下分別愈合養(yǎng)護(hù)1，3，5，7，9 d，再重新做劈裂試驗(yàn)，定義試件斷裂愈合后的劈裂強(qiáng)度與試件初始的劈裂強(qiáng)度之比為愈合指數(shù)A，以此度量加礦粉的乳化瀝青促進(jìn)裂縫愈合的能力[20]，如式(1)所示。

A=Pt/P,

(1)

式中，A為愈合指數(shù)；P為試件初始的劈裂強(qiáng)度；Pt為試件斷裂愈合后的劈裂強(qiáng)度。

3 結(jié)果與討論

3.1 布氏旋轉(zhuǎn)黏度

3.1.1 布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果

將不同巖性的礦粉加入到SBR改性乳化瀝青中，按照2.1節(jié)的步驟測(cè)試其布氏旋轉(zhuǎn)黏度，試驗(yàn)結(jié)果隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 礦粉-乳化瀝青膠漿布氏黏度變化規(guī)律Fig.1 Change rule of Brinell viscosity of mineral powder emulsified asphalt mortar

圖1的試驗(yàn)結(jié)果表明：乳化瀝青在加入礦粉的初始其布氏黏度較低，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)試驗(yàn)結(jié)果不斷增大，而增長(zhǎng)速率在不斷減小，最終趨于穩(wěn)定值，這是乳化瀝青膠漿增多以及乳化瀝青逐漸破乳的過(guò)程；在相同時(shí)間點(diǎn)，不同巖性的礦粉-乳化瀝青膠漿的布氏黏度均隨著粉膠比的增加成正比例關(guān)系，這與膠漿成分不斷增多有直接關(guān)系，分膠比越大趨于穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)就越提前，粉膠比為1.2時(shí)的時(shí)間穩(wěn)定點(diǎn)為3 min，其較難滿足施工性要求，建議最佳粉膠比為0.9；加入礦粉后乳化瀝青的布氏黏度均有不同程度的提高，0.9粉膠比下可提高約23 Pa·s，且相同粉膠比情況下玄武巖的礦粉-乳化瀝青膠漿的布氏黏度均大于石灰?guī)r，這是由于玄武巖集料表面帶負(fù)電位且比表面積較大，可促進(jìn)膠漿的形成及破乳速度，有利于裂縫兩界面的有效粘結(jié)。

3.1.2 建立龔帕斯模型

目前施工中路面乳化瀝青灌縫后即開放交通，乳化瀝青未達(dá)到一定黏度后就受到車輛荷載以及周邊的泵吸作用，始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，要想解決這一難題，能較為準(zhǔn)確地測(cè)定完全破乳時(shí)間是關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)有規(guī)范中測(cè)定乳化瀝青完全破乳時(shí)間的方法為根據(jù)按壓混合料后吸水紙表面有無(wú)褐斑來(lái)判斷，其個(gè)人主觀性太強(qiáng)，誤差較大。研究發(fā)現(xiàn)礦粉-乳化瀝青膠漿布氏黏度的形成及增長(zhǎng)過(guò)程規(guī)律可用Gompertz龔帕斯模型進(jìn)行擬合，其能較好地描述整個(gè)發(fā)展過(guò)程，可表示為：

lnyi=k+abi，

(2)

式中，yi為第i次采集的瀝青膠漿的黏度；a，b，k均為參數(shù)。

本研究預(yù)采用3段估計(jì)法對(duì)參數(shù)進(jìn)行求解，假設(shè)一定時(shí)間內(nèi)記錄N個(gè)黏度試驗(yàn)結(jié)果y1，y2，…，yi,…，yN，采用平均分配法將N個(gè)數(shù)據(jù)等數(shù)量分成3部分，即每部分有n=N/3個(gè)數(shù)據(jù)，接著對(duì)每部分進(jìn)行求和，如式(3)所示：

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行整理可得：

(4)

根據(jù)布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)0.9粉膠比下的礦粉-乳化瀝青膠漿的龔帕斯模型參數(shù)進(jìn)行求解，參數(shù)擬合結(jié)果如表3所示，3種材料的布氏黏度龔帕斯模型如式(5)所示。

表3 礦粉-乳化瀝青膠漿布氏黏度龔帕斯模型參數(shù)Tab.3 Parameters of Gompertz model of Brinell viscosity of mineral powder emulsified asphalt mortar

ln(yi)未加礦粉=11.083-2.413×0.617i，

ln(yi)石灰?guī)r(0.9)=11.115-2.695×0.553i，

ln(yi)玄武巖(0.9)=11.120-2.602×0.519i。

(5)

龔帕斯模型表達(dá)式表現(xiàn)出乳化瀝青膠漿的特性為布氏黏度隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增大，但實(shí)際施工中乳化瀝青完全破乳后，在某一時(shí)間點(diǎn)乳化瀝青膠漿的布氏黏度會(huì)保持穩(wěn)定，我們定義布氏黏度的穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)為乳化瀝青膠漿完全破乳的時(shí)間。現(xiàn)假設(shè)時(shí)間t為穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)，則t時(shí)間點(diǎn)前后的Δt時(shí)間范圍內(nèi)的龔帕斯模型表達(dá)式對(duì)時(shí)間的積分應(yīng)該相等，可表示為式(6)，簡(jiǎn)單整理后如式(7)所示。

(6)

(7)

結(jié)合表3的參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)穩(wěn)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)t進(jìn)行求解，可得乳化瀝青、石灰?guī)r礦粉-乳化瀝青膠漿、玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿在0.9粉膠比下的布氏黏度穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)(完全破乳)分別為8，5，4 min，由此可見在乳化瀝青中加入玄武巖礦粉，其布氏黏度顯著增大，完全破乳時(shí)間最短，此結(jié)果與布氏黏度試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此在進(jìn)行灌縫時(shí)使用玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿可達(dá)到縮短通車時(shí)間和提升灌縫質(zhì)量的雙重效果。根據(jù)龔帕斯模型可快速計(jì)算出礦粉-乳化瀝青膠漿的完全破乳時(shí)間，將開放交通時(shí)間數(shù)字化，從時(shí)間上提升精確度。

3.2 蒸發(fā)殘留物DSR

根據(jù)2.2節(jié)的試驗(yàn)方案進(jìn)行礦粉-乳化瀝青膠漿蒸發(fā)殘留物的DSR試驗(yàn)，得到不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，通過(guò)計(jì)算得到不同溫度下的車轍因子，變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 礦粉-乳化瀝青膠漿車轍因子隨溫度的變化Fig.2 Rutting factor of mineral powder emulsified asphalt mortar varying with temperature

由圖2的變化規(guī)律可知，礦粉-乳化瀝青膠漿的車轍因子隨溫度的升高呈反比關(guān)系，這與瀝青材料高溫易軟特性相符合；在相同溫度下，3種材料的車轍因子大小排序?yàn)椋盒鋷r(0.9)>石灰?guī)r(0.9)>未加礦粉，即在0.9粉膠比條件下玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿蒸發(fā)殘留物的高溫穩(wěn)定性最好，其與單純?nèi)榛癁r青相比60 ℃的車轍因子可超過(guò)632 Pa。

3.3 裂縫浸水量

借助路面滲水儀測(cè)定一定時(shí)間內(nèi)裂縫的滲水量，間接評(píng)價(jià)礦粉-乳化瀝青膠漿的防水封縫效果，將其封縫效果進(jìn)行量化，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 裂縫浸水量試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test result of crack water immersion

將表4的浸水量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，不同巖性的礦粉-乳化瀝青膠漿的灌縫浸水量隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3所示。由圖可知：裂縫浸水量隨時(shí)間的變化不斷增加，未加礦粉的情況下5 min浸水量可達(dá)109.6 mL，而摻加石灰?guī)r和玄武巖的浸水量?jī)H分別為25.3 mL和19.0 mL，且在2 min后幾乎不再增長(zhǎng)，說(shuō)明單純?nèi)榛癁r青灌縫雖然對(duì)裂縫有一定程度的粘結(jié)，但是未對(duì)裂縫進(jìn)行有效的填充，封縫防水效果差，而礦粉-乳化瀝青膠漿在對(duì)裂縫粘結(jié)的同時(shí)可有效填充裂縫，阻止水的進(jìn)一步下滲，大大減緩路面的水損壞進(jìn)程，玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿封縫防水效果相對(duì)較好。

圖3 礦粉-乳化瀝青膠漿灌縫浸水量變化規(guī)律Fig.3 Change rule of water immersion in joint filling of mineral powder emulsified asphalt mortar

3.4 劈裂強(qiáng)度

采取劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)間接度量加礦粉的乳化瀝青促進(jìn)裂縫愈合的能力，愈合指數(shù)是試件斷裂愈合后的劈裂強(qiáng)度與試件初始劈裂強(qiáng)度之比，其值越大表示裂縫的自愈合能力越強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同巖性礦粉-乳化瀝青膠漿愈合指數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化Fig.4 Healing indexes of mineral powder emulsified asphalt mortar with different lithology varying with curing time

由圖4可知，愈合指數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增大，即裂縫界面的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明試件的愈合能力在不斷增強(qiáng)。在養(yǎng)護(hù)時(shí)間7 d后愈合指數(shù)幾乎不再變化，這是由于乳化瀝青中的輕質(zhì)組分不斷揮發(fā)，在第7 d時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而在養(yǎng)護(hù)初始輕質(zhì)組分易軟化裂縫周圍的瀝青成分，自愈合能力提高較快。從對(duì)比性上講未加礦粉的乳化瀝青灌縫的愈合指數(shù)始終較低，最大僅為34.9%，而加礦粉后在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)愈合指數(shù)均較大，養(yǎng)護(hù)9 d后摻加石灰?guī)r和玄武巖的礦粉-乳化瀝青膠漿的愈合指數(shù)A可分別達(dá)到62.9%和76.1%，具有較強(qiáng)的愈合能力，礦粉的加入有助于乳化瀝青促進(jìn)裂縫的自愈合。整體而言，玄武巖的愈合指數(shù)始終略高于石灰?guī)r，其差異特性與布氏旋轉(zhuǎn)黏度表現(xiàn)一致，在促進(jìn)裂縫自愈合上玄武巖優(yōu)勢(shì)明顯。

4 機(jī)理分析

添加礦粉后乳化瀝青中膠漿成分不斷增多，這是布氏旋轉(zhuǎn)黏度不斷增加的直接原因，同時(shí)粉膠比越大礦粉-乳化瀝青膠漿完全破乳就越快，布氏旋轉(zhuǎn)黏度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)就越提前，也是礦粉-乳化瀝青膠漿車轍因子增大的關(guān)鍵因素；礦粉-乳化瀝青膠漿在對(duì)裂縫粘結(jié)的同時(shí)可有效填充裂縫，阻止水的進(jìn)一步下滲，大大減緩路面的水損壞進(jìn)程；由于礦粉-乳化瀝青膠漿黏度較大，在不影響輕質(zhì)組分對(duì)裂縫周圍瀝青軟化效果的同時(shí)，顯著提升其自愈合能力；由于玄武巖礦粉屬于中性集料，相對(duì)于堿性集料的石灰?guī)r礦粉其比表面積較大，而電位較低，這是玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿表現(xiàn)出優(yōu)異特性的關(guān)鍵內(nèi)因。

5 結(jié)論

(1)乳化瀝青在加入礦粉后旋轉(zhuǎn)布氏黏度顯著增大，在相同時(shí)間點(diǎn)，布氏黏度均隨著粉膠比的增加呈正比例關(guān)系，從施工性角度考慮建議最佳粉膠比為0.9，其布氏黏度可提高約23 Pa·s，根據(jù)實(shí)時(shí)布氏黏度變化規(guī)律建立的龔帕斯模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦粉-乳化瀝青膠漿的完全破乳時(shí)間，為準(zhǔn)確確定通車時(shí)間建立基礎(chǔ)。

(2)玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿蒸發(fā)殘留物與單純?nèi)榛癁r青相比60 ℃的車轍因子可超過(guò)632 Pa，同時(shí)裂縫浸水量隨時(shí)間的變化不斷增加，摻加石灰?guī)r和玄武巖的浸水量?jī)H分別為25.3 mL和19.0 mL，浸水量很小，礦粉-乳化瀝青膠漿在對(duì)裂縫粘結(jié)的同時(shí)可有效填充裂縫，阻止水的進(jìn)一步下滲，大大減緩路面的水損壞進(jìn)程。

(3)愈合指數(shù)均隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)不斷增大，從對(duì)比性上講摻加石灰?guī)r和玄武巖的礦粉-乳化瀝青膠漿的愈合指數(shù)A可分別達(dá)到62.9%和76.1%，具有較強(qiáng)的愈合能力，礦粉的加入有助于乳化瀝青促進(jìn)裂縫的自愈合。

(4)在各項(xiàng)性能上，屬于中性集料的玄武巖礦粉由于具有比表面積大、電位低等特性而表現(xiàn)出較為優(yōu)異的特性，此研究可為公路瀝青路面日常養(yǎng)護(hù)提供材料基礎(chǔ)。