泡沫瀝青摻配磷酸鎂水泥修補材料研究

農(nóng)新偉

摘要：文章采用磷酸鎂水泥和泡沫瀝青復(fù)配研制了一種瀝青路面快速冷補材料，確定了埃索70#瀝青最佳發(fā)泡條件為發(fā)泡溫度為160℃，發(fā)泡劑用量為3%。根據(jù)初凝時間、抗折和抗壓強度確定磷酸鎂水泥各組分最佳配比為：B/M0.05、P/M1/5。分析劈裂試驗和馬歇爾性能指標(biāo)的正交結(jié)果，確定了磷酸鎂水泥復(fù)配泡沫瀝青快速冷補材料最佳配方：泡沫瀝青摻量為4%，MPC摻量為20%，粉煤灰摻量為10%，拌和用水量為7%。MFRRM路用性能測試結(jié)果顯示了其良好的性能。

關(guān)鍵詞：泡沫瀝青;磷酸鎂水泥;快速冷修補

0 引言

我國90%的高等級公路采用了瀝青路面，渠化交通、重載交通加劇了瀝青路面損壞，其中裂縫和坑槽是瀝青路面的普遍病害，若不及時修補，病害范圍會逐漸擴大，路面使用功能下降，造成車輛行駛顛簸，影響行車安全。修補瀝青路面病害大多采用熱拌瀝青混合料，但是其難以滿足病害分布分散、工程量小的路面維修[1，2]。與之相比，冷補料對施工溫度、氣候等要求低，適用范圍更廣。本文主要研究泡沫瀝青和磷酸鎂水泥復(fù)配，以期發(fā)揮泡沫瀝青和磷酸鎂水泥兩者各自的優(yōu)勢，研制一種可以用于瀝青路面病害的冷修補材料。

泡沫瀝青（Foamedasphalt）是由高溫瀝青加少量水發(fā)泡膨脹形成，與普通瀝青相比，泡沫瀝青的黏度顯著降低[3]，使得其與濕冷集料更加容易拌和[4，5]，對瀝青路面冷修補施工更加有利[6，7]。磷酸鎂水泥（Magnesiumphosphatecement，MPC）作為修補材料，因其凝結(jié)硬化快、早期強度高、無須養(yǎng)護等優(yōu)點得到了技術(shù)工作者和研究人員的重視，并且在反應(yīng)機理[8]、力學(xué)性能[9]和路用性能[10，11]等方面得到了較為系統(tǒng)的研究。MPC主要應(yīng)用于修補水泥混凝土路面[12]，修補瀝青路面多用冷補瀝青混合料，但冷補瀝青混合料還存在諸如強度差、強度形成慢等缺點。為克服冷補混合料不足，更好地修補裂縫、坑槽等瀝青路面常見病害，本文以MPC為基質(zhì)材料，復(fù)配泡沫瀝青，研制出一種新型瀝青路面快速冷補料（MPCCompoundingFoamedAsphaltRapidRepairingMaterial，MFRRM）。通過采用正交試驗方法，對MFRRM配方進行了優(yōu)化，并在優(yōu)化配方的基礎(chǔ)上系統(tǒng)測試了其路用性能。

1 原材料

試驗所用原材料主要包括泡沫瀝青、磷酸鎂水泥、粉煤灰和集料。泡沫瀝青發(fā)泡效果的評價指標(biāo)為半衰期和膨脹率（膨脹率是指發(fā)泡膨脹后最大的體積與原體積比，半衰期是指由最大體積減小到最大體積一半時所用的時間）。磷酸鎂水泥由氧化鎂、磷酸二氫鉀和硼砂制備。粉煤灰為某電廠的Ⅱ級粉煤灰。集料為石灰?guī)r碎石。

1.1 泡沫瀝青制備

瀝青發(fā)泡的效果直接影響磷酸鎂水泥復(fù)配泡沫瀝青快速冷補料的冷拌、冷補工作性。在進行室內(nèi)發(fā)泡試驗時，為制備性能優(yōu)良的泡沫瀝青，本文選用埃索70#瀝青進行發(fā)泡，在控制發(fā)泡條件時，選擇發(fā)泡溫度分別為150℃、160℃和170℃，發(fā)泡劑選用碳酸氫鈉和仕博陽離子中裂型乳化劑復(fù)合型發(fā)泡劑，其摻量分別為1%、3%、5%、7%和9%，測試得到膨脹率和半衰期結(jié)果見表1。

瀝青進行發(fā)泡以后，主要發(fā)生的是物理性質(zhì)的變化。與基質(zhì)瀝青相比，泡沫瀝青的黏度顯著降低，低溫裹附集料能力顯著提高，這對于冷拌、冷補是有利的。《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTGF41-2008）規(guī)定泡沫瀝青的半衰期需>8s、膨脹率需>10倍。在同一溫度下，膨脹率隨發(fā)泡劑摻量的增加而增大，半衰期則隨發(fā)泡劑摻量的增加而減小，綜合兩種性能要求，且以盡可能使得膨脹率更大為原則，確定埃索70#最優(yōu)發(fā)泡條件為：發(fā)泡溫度為160℃，發(fā)泡劑用量為5%。在最優(yōu)發(fā)泡條件下，半衰期為9s，膨脹率為16倍。

1.2 磷酸鎂水泥配比確定

磷酸鎂水泥凝結(jié)硬化快、早期強度高，適合用作冷補材料。在確定其各組分配比時，分別用B/M和P/M來表示硼砂與氧化鎂的摩爾比，以及磷酸二氫鉀與氧化鎂的摩爾比。為確定磷酸鎂水泥最優(yōu)配比，測試磷酸鎂水泥凈漿的初凝時間、抗折和抗壓強度。初凝時間、抗壓強度、抗折強度方法均按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTGE30-2005）進行。

1.2.1 最佳B/M的確定

本試驗設(shè)計了三組對比試驗，B/M分別為0.05、0.06、0.07，水膠比為0.25，P/M為1/4。測試了其初凝時間和1d的抗折強度和抗壓強度，結(jié)果如表2所示。

1.2.2 最佳P/M的確定

本試驗設(shè)計了三組對組試驗，P/M分別為1/6、1/5、1/4，水膠比為0.25，B/M為0.05。測試了其初凝時間和1d的抗折強度和抗壓強度，結(jié)果如表3所示。

磷酸鎂水泥各組分最佳配比為：B/M為0.05、P/M為1/5。考慮到施工過程中操作的精細(xì)度，同時給出建議配比范圍：B/M和P/M分別為0.04～0.05和1/6～1/5，最佳水膠比調(diào)整為0.2～0.25。

2 級配設(shè)計與拌和用水量確定

2.1 級配設(shè)計

通過泡沫瀝青與細(xì)集料接觸成為瀝青膠漿，填充粗集料之間的空隙，泡沫瀝青混合料因此形成強度，達(dá)到優(yōu)良的穩(wěn)定效果。為保證有足夠的細(xì)集料與泡沫瀝青形成瀝青膠漿，在進行級配設(shè)計時，粒徑在0.075mm篩孔以下集料的通過率需控制為6%～20%。MFRRM混合料本質(zhì)上是磷酸鎂水泥復(fù)配泡沫瀝青后研制的泡沫瀝青混合料。因此也需要將0.075mm篩孔作為關(guān)鍵篩孔，控制其通過率。

根據(jù)泡沫瀝青冷再生規(guī)范中推薦的細(xì)粒式級配（見表4和圖1），其中關(guān)鍵篩孔0.075mm通過率為13%，滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTGF41-2008）中0.075mm篩孔以下通過率在6%～20%范圍的要求。

2.2 拌和用水量的確定

2.2.1 最佳含水量和最大干密度的確定

按照以上設(shè)計的級配，采用《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTGE51-2009）重型擊實試驗，在摻加10%MPC、15%MPC和20%MPC的情況下，確定最佳含水量和最大干密度。擊實曲線見圖2。

根據(jù)擊實曲線，求得在三種MPC摻量情況下的最佳含水量和最大干密度見表5。

2.2.2 確定拌和用水量

依據(jù)《Wirtgen冷再生技術(shù)手冊》中關(guān)于泡沫瀝青混合料最佳拌和用水量與最佳含水量轉(zhuǎn)換的經(jīng)驗公式（1）、式（2），計算拌和用水量，再根據(jù)實際拌和效果確定實際拌和用水量（見表6）。

2.3 試件成型和養(yǎng)生

在成型試件以前，需要按次序加入原材料。首先將按選定級配稱好的集料拌和均勻，再將MPC、粉煤灰和泡沫瀝青混合形成的粘結(jié)料添加到集料中。在攪拌狀態(tài)下，將水加入混合料中拌和均勻，然后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20-2011）規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)擊實法，制作MFRRM馬歇爾試件。擊實完成后，馬歇爾試件在室溫下養(yǎng)生24h后脫模。為確保試件內(nèi)不含水分，需將脫模后的試件置于60℃通風(fēng)烘箱內(nèi)養(yǎng)生2h。

3 配合比設(shè)計與結(jié)果分析

3.1 配合比設(shè)計

泡沫瀝青混合料力學(xué)性能受濕度影響很大，因此，MFRRM配合比設(shè)計與普通瀝青混合料配合比設(shè)計不同，應(yīng)綜合考慮其力學(xué)性能和水穩(wěn)定性能這兩個因素。劈裂試驗比彎拉試驗更方便操作，并且與路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較為接近。由于以上原因，采用間接抗拉強度（劈裂強度）作為配合比設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)，并且測試了馬歇爾性能指標(biāo)作為配合比設(shè)計參考。

采用正交試驗方法，選用三水平三因素正交表，即L9（33）。其中三因素分別為泡沫瀝青摻量、MPC摻量和粉煤灰摻量。因為MPC摻量和拌和用水量具有對應(yīng)關(guān)系，因此拌和用水量不作為單獨的因素（見表7）。

3.2 試驗結(jié)果分析

按照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（T0709-2011）規(guī)定，測試了正交試驗選出9組試件的馬歇爾穩(wěn)定度、流值、浸水馬歇爾穩(wěn)定度、干劈裂強度和濕劈裂強度，再通過計算得到殘留穩(wěn)定度和干濕劈裂強度比，結(jié)果見表8。

4 路用性能評價

最佳配合比為泡沫瀝青摻量為4%，MPC摻量為20%，粉煤灰摻量為10%，拌和用水量為7%，在此基礎(chǔ)上，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ-E20-2011）相應(yīng)的試驗方法評價MFRRM混合料的高溫性能和低溫性能。

4.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（T0719-2011）規(guī)定，采用車轍試驗評估MFRRM高溫抗車轍能力，檢驗其高溫穩(wěn)定性能。按照T0703輪碾成型機碾壓成型300mm×300mm×50mm車轍板試件。試驗溫度為60℃，輪壓為0.7MPa，試驗結(jié)果見表9。

由表9可知，MFRRM車轍板4h的動穩(wěn)定度滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對夏炎熱區(qū)改性瀝青動穩(wěn)定度≥3000/mm的要求。

4.2 低溫抗裂性

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（T0715-2011）對瀝青混合料彎曲試驗做出規(guī)定，在對MFRRM的低溫性能進行評價時，試驗溫度為-10℃±0.5℃，試件尺寸為長250mm±2.0mm、寬30mm±2.0mm、高35mm±2.0mm，跨徑為200mm±0.5mm，以50mm/min的加載速率在小梁跨徑中央施加集中荷載直至破壞。試驗結(jié)果見表10。

由表10數(shù)據(jù)可知，MFRRM能夠滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中冬寒區(qū)改性瀝青混合料破壞應(yīng)變指標(biāo)≥2800uε的要求。

4.3 水穩(wěn)定性

采用浸水馬歇爾試驗對MFRRM的水穩(wěn)定性進行了測試和評價。將拌和好的MFRRM混合料裝入馬歇爾試模中，雙面擊實50次，連同試模一起以側(cè)面豎立方式常溫下養(yǎng)生4h。試件脫模后，按照《公路工程瀝青以及瀝青混合料試驗規(guī)程》（T0709-2011）進行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗和浸水馬歇爾試驗。

由表11和表12可見，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護4h的MFRRM試件的殘留穩(wěn)定度超過80%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對于潮濕區(qū)、濕潤區(qū)普通瀝青混合料水穩(wěn)定性的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文通過試驗研究，首先得到了泡沫瀝青的最佳發(fā)泡條件，以及磷酸鎂水泥的最佳配比。在此基礎(chǔ)上，對泡沫瀝青復(fù)配磷酸鎂水泥進行復(fù)配，通過瀝青混合料的路用性能驗證，得到了泡沫瀝青復(fù)配磷酸鎂水泥后的冷修補材料應(yīng)用于瀝青路面病害修補的適用性。本文主要結(jié)論如下：

（1）通過瀝青發(fā)泡試驗確定了埃索70#瀝青最佳發(fā)泡條件為發(fā)泡溫度為160℃，發(fā)泡劑用量為5%。在最佳發(fā)泡條件下，半衰期為9s，膨脹率為16倍。

（2）通過測試初凝時間、抗折和抗壓強度確定磷酸鎂水泥各組分最佳配比為：B/M為0.05、P/M為1/5。

（3）采用擊實試驗確定了在不同MPC摻量的情況下的拌和用水量：10%MPC、15%MPC和20%MPC摻量下的拌合用水量分別為6%、6.5%和7%。

（4）通過分析MFRRM的劈裂試驗的正交結(jié)果，以及參考馬歇爾性能指標(biāo)，確定了磷酸鎂水泥復(fù)配泡沫瀝青快速冷補材料最佳配方：泡沫瀝青摻量為4%，MPC摻量為20%，粉煤灰摻量為10%，拌和用水量為7%。

（5）在最佳配方基礎(chǔ)上測試了MFRRM路用性能中的高溫性能和低溫性能。MFRRM混合料4h的動穩(wěn)定度滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對夏炎熱區(qū)改性瀝青動穩(wěn)定度≥3000mm的要求;MFRRM混合料4h破壞應(yīng)變?yōu)?852.2uε，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中冬寒區(qū)改性瀝青混合料破壞應(yīng)變指標(biāo)≥2800uε的要求;MFRRM試件的殘留穩(wěn)定度超過80%，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對于潮濕區(qū)、濕潤區(qū)普通瀝青混合料水穩(wěn)定性的技術(shù)要求。

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