冷拌超薄罩面瀝青混合料最佳級配和油石比的研究

王 富，姜 藝，錢俊懿

1.武漢工程大學交通研究中心，湖北 武漢 430074；

2.武漢輕工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023

間斷級配和連續級配都適用于冷拌瀝青混合料，兩者對冷拌瀝青混合料的最大區別在于：采用間斷級配拌制的瀝青混合料結構強度高，黏結力雖較小但仍能滿足要求；采用連續級配拌制的瀝青混合料，可以避免發生離析現象，連續級配是集料更常用的級配，因此本研究試驗的集料級配采用連續級配。各國對冷拌超薄罩面瀝青混合料級配均有不同程度的研究，其中日本在《簡易鋪裝要綱》里收錄了大多數能與乳化瀝青拌合的集料級配，相比其他國家較為全面；美國、法國和西班牙對適用于冷拌瀝青的集料級配做了歸納［1-2］；中國主要在陽離子瀝青混合料級配方面做了大量研究，并將其級配進行歸類。根據國外的冷拌混合料級配范圍要求研究發現，密級配進行熱拌和冷拌，其級配要求有所不同。這種情況在國內的很多規范和手冊中也能體現，究其原因，乳化瀝青比瀝青多了個乳化的過程，雖然多了一個先將瀝青與水溶合再從水中分離出來的過程，但乳化瀝青的實質仍是瀝青。因此，兩者都是對骨料進行粘結并形成一個整體，對骨料的要求相同。在《公路瀝青路面施工技術規范》［3］中提到，部分級配既可以用于熱拌也可以用于乳化瀝青碎石混合料，但礦粉的含量對乳化瀝青的破乳時間有一定的影響。

冷拌超薄罩面瀝青混合料是集料與瀝青等其他材料拌合而成，其中瀝青的含量是影響其性質的重要因素。當拌合的瀝青含量較多時，在攤鋪過程中可能會出油，間接導致其高溫穩定性降低［4-5］。當拌合的瀝青含量較少時，混合料的膠結力不夠、骨料膠結不夠密實。因此對冷拌超薄罩面瀝青而言，最佳油石是最為重要的。

1 冷拌超薄罩面瀝青混合料礦料的最佳級配

在考慮冷拌超薄罩面瀝青混合料級配的同時，也要考慮該級配集料與乳化瀝青的反應情況。因此，本試驗選擇3種已用于超薄罩面的礦料級配Novachip Type B和SMA-10、UTAC-10，與筆者在文獻［6］中所研究的最適合冷拌超薄罩面瀝青混合料的潤強300乳化瀝青進行拌合，冷拌超薄罩面混凝土礦料級配如表1所示。本研究分別取Novachip Type B和SMA-10、UTAC-10級配的中限值。

表1 冷拌超薄罩面混凝土礦料級配表Tab.1 Ultra-thin overlay of cold of concrete aggregate gradation

1.1 原材料技術指標檢測

1.1.1 乳化瀝青 筆者在文獻［6］中所研究的最適合冷拌超薄罩面瀝青混合料的潤強300乳化瀝青。

1.1.2 集料 因集料占混合料質量的90%以上，所以會對其性能產生重要影響。

1）本試驗選取的粗集料為粒徑在2.36 mm～13.2 mm之間的碎石。

2）本試驗選取的細集料為：粒徑在0.074 mm～2.36 mm之間，干凈、含泥量較小且較為堅實的砂或石屑。細集料由于粒徑較小，主要填充粗集料的空隙。若細集料的含泥量較大，其表面的泥會與瀝青進行混合，阻礙瀝青和集料的裹敷過程，只有加入更多的瀝青才能使其與集料再次進行較好的裹敷，但該方法往往會增加拌合成本。細集料用于高等級路面時，規范要求砂當量必須大于等于60%，若細集料用于其他等級路面時，則要求砂當量可不低于50%。

3）礦粉。研究表明礦粉的加入會增加道路結構的穩定度，因此，礦粉是混合料的重要成分。根據規范可知礦粉的親水系數需不大于1.0，并由基性巖石磨制而成。

分析眾多試驗研究發現，使用堿性石料時，不僅可以提高冷拌瀝青混合料的強度還可以有效地減少骨料的剝離。因此，本試驗選用的石料為輝綠巖，其試驗的主要實驗指標、技術要求如表2和表3所示。

1.2 瀝青混合料的標準馬歇爾試驗

根據試驗經驗，不同種類的乳化瀝青選用同一級配的混合料，拌合后的油石比大致相同［7］。因此，本實驗將采用3種不同級配的混合料與同種潤強300乳化瀝青拌合后進行標準馬歇爾試驗。標準馬歇爾試驗結果見表4。

表2 輝綠巖粗集料的試驗指標與技術要求Tab.2 Experiment and technology index of diabase aggregate

表3 輝綠巖細集料的試驗指標與技術要求Tab.3 Experiment and technology index of diabase aggregate

表4 潤強300乳化瀝青與SMA-10，Novachip Type B和UTAC-10級配拌合混合料標準馬歇爾試驗結果Tab.4 Marshall test results of Runqiang 300 emulsified asphalt mixed with SMA-10，Novachip Type B and UTAC-10

由表4可知：潤強300乳化瀝青分別與SMA-10級配、UTAC-10級配進行標準馬歇爾試驗的穩定度最高達到12.96 kN，最低不低于9.02 kN；而Novachip Type B級配的馬歇爾試件穩定度最高達到9.30 kN。Novachip Type B和UTAC-10有部分馬歇爾試件的流值較大且超過了規范要求。因此，在穩定度方面SMA-10與UTAC-10級配的馬歇爾試件高于Novachip Type B級配的馬歇爾試件。

SMA-10級配的瀝青混合料最大空隙率為6.307%，較Novachip Type B與UTAC-10級配的瀝青混合料最小空隙率9.376%小32.7%。因此，SMA-10級配成型的馬歇爾試件的空隙率遠低于Novachip Type B與UTAC-10級配成型的馬歇爾試件的空隙率。

綜上，SMA-10級配與乳化瀝青拌合的瀝青混合料的性能更好。

2 冷拌超薄罩面瀝青混合料最佳油石比的確定

為確定最佳石油比，本研究采用規范中要求的馬歇爾試驗對SMA-10級配的瀝青混合料進行試驗，并記錄混合料的相關指標，分別繪制油石比與密度、穩定度、空隙率、流值、礦料間隙率和飽和度之間關系的曲線，如圖1所示。有關文獻建議的技術指標值［9-10］和試驗技術要求、試驗方法［8］如表5所示，本試驗主要研究對象為冷拌瀝青混合料，而相關技術指標主要是針對規范要求的熱拌瀝青混合料，所以需要對其中部分指標進行適當放大的調整。

圖1 馬歇爾試驗結果：（a）密度和穩定度隨油石比的變化曲線；（b）空隙率和流值隨油石比的變化曲線；（c）礦料間隙率和飽和度隨油石比的變化曲線Fig.1 Marshall test results：（a）Relation between bitumen aggregate ratio and density or stalility；（b）Relation between bitumen aggregate ratio and void fraction or flow value；（c）Relation between bitumen aggregate ratio and clearance fraction or degree of saturation of ore

表5 SMA-10混合料馬歇爾試驗油石比設計要求Tab.5 Design requirements of SMA-10 mixture in Marshall tests

2.1 確定SMA-10級配混合料最佳油石比

由圖1可以看出，當油石比為5.5%時，密度、穩定度都達到最大值。所以計算最佳油石比的初始值OAC1時，令式中a1=5.5，a2=5.5，可得：

圖1中，密度、穩定度、空隙率、流值、礦料間隙率、飽和度指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》的油石比的范圍為4.5%～5.5%。

因 此

在圖1中分別取OAC1、OAC2所對應的指標，發現均滿足規范要求。因此可以計算最佳油石比OAC：

同理，Novachip Type B和UTAC-10級配最佳油石比、空隙率也可通過計算得到，計算結果見表6。

表6 最佳瀝青用量初定計算結果Tab.6 Calculation results of optimum asphalt content with set values

2.2 冷拌瀝青混合料的空隙率分析

通過分析上述實驗數據及結果可以發現：冷拌瀝青混合料的部分性能降低可能是因其空隙率較大所造成的。為進一步驗證空隙率對冷拌瀝青混合料性能的影響，制備同一級配的熱拌瀝青混合料與冷拌瀝青混合料進行對比實驗分析。選取相同的油石比，且設定為5.5%進行試驗，熱拌瀝青混合料空隙率為4.0%，冷拌瀝青混合料空隙率為6.4%，冷拌瀝青混合料空隙率較大的原因是其含有一定的水，占據部分體積所造成的。通過分析已應用冷拌技術實際工程的案例，檢測其空隙率均較大。

2.3 冷拌瀝青混合料的強度分析

通過試驗可以發現，當混合料經過常溫養護后，約有54%的水分會揮發，與實際工程中的早期情況相同；當混合料經過高溫養護后，約有95%的水分會揮發，與實際工程中的后期情況相同。所以，道路工程的初期強度可以由以20℃常溫養護后的穩定度進行代替，即混合料經過常溫養護后穩定度最大值為3.54 kN，道路早期強度為3.54 kN；道路工程的后期強度可以由以110℃常溫養護后的穩定度進行代替，即混合料經過高溫養護后穩定度最小值9.02 kN，道路后期強度為9.02 kN。由此可以得出，道路強度受溫度的影響，隨養護時間的延長而增大直至出現峰值［11-12］。

3 結 語

1）通過比較3種級配瀝青混合料的穩定度、空隙率可知：SMA-10與UTAC-10級配的馬歇爾試件的穩定度比Novachip Type B級配高46.9%；SMA-10級配的瀝青混合料的空隙率比Novachip Type B與UTAC-10級配低32.7%，故SMA-10的級配更優。

2）對3種級配的瀝青混合料采用修正馬歇爾，確定SMA-10級配、Novachip Type B級配與UTAC-10級配瀝青混合料的最佳油石比分別為5.3%、4.7%、5.0%。

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