基于顆粒堆積理論的密級配乳化瀝青混合料級配優(yōu)化

王黎明,董 晨

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

乳化瀝青混合料(Cold Emulsified Asphalt Mixture，CEAM)為拌合而引入的水需在壓實成型階段破乳、排出才能形成有效膠結(jié)體系，進(jìn)而形成強(qiáng)度。這種先引入水后排出水的技術(shù)特征既帶來常溫施工便利性，也會造成CEAM膠結(jié)體系的粘結(jié)力和粘附性不足以及難以壓密[1-2]。其中，粘結(jié)力和粘附性不足的問題可通過添加水性環(huán)氧樹脂或乳液改性等膠結(jié)料性能強(qiáng)化措施加以改善，是當(dāng)前應(yīng)用研究的熱門[3]。而難以壓密的問題本質(zhì)上在于拌合物中所含液體量高于集料壓實潤滑所需。當(dāng)用于有順暢排水通道的開級配混合料時這個矛盾不明顯；當(dāng)用于集料結(jié)構(gòu)不能提供良好排水通道、碾壓時易產(chǎn)生較大的孔隙壓力的密級配時，則成為難以調(diào)和的矛盾。

CEAM在常溫下拌合與鋪筑，廣泛替代熱拌料將具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。前述問題使得當(dāng)前CEAM主要用于開級配的基層或下面層(含冷再生)、路面修補(bǔ)、及對性能要求不高的低交通道路面層等[4-5]。而密級配所具有的密實性、充分膠結(jié)界面和粘附體系是實現(xiàn)混合料高強(qiáng)耐久的基本前提，若要CEAM廣泛替代面層熱拌料，采用密級配是其必然選擇。

對密級配CEAM來說，上述本質(zhì)矛盾難以消除，但可弱化。措施分為兩個角度：①采用高濃度乳化瀝青及其他均勻拌合所允許的減少液體量措施；②優(yōu)化級配結(jié)構(gòu)，使其更利于壓實。密級配混合料的結(jié)構(gòu)分為連續(xù)級配和間斷級配。按膠漿體系理論，連續(xù)密級配混合料(如AC)的強(qiáng)度主要取決于膠結(jié)料粘聚力，存在最佳膠漿(體積)用量使得膠結(jié)料粘聚力得到充分發(fā)揮，因此連續(xù)密級配CEAM理論上不但面臨拌合與壓實所需液體量的矛盾，還面臨破乳后含大量孔隙膠漿體系與最佳膠漿(體積)用量的矛盾。其他研究也證明，當(dāng)CEAM采用連續(xù)級配時，壓實是非常困難的事情[6]。而間斷密級配混合料的強(qiáng)度則取決于嵌擠粗集料骨架的內(nèi)摩阻力和膠結(jié)料對骨架體系的穩(wěn)固作用，當(dāng)CEAM采用間斷密級配(如SMA)時，較少的中間集料使得瑪蹄脂或膠漿的體積量在壓實階段粗集料骨架的形成影響相對較小。而服役期骨架的穩(wěn)定性理論上不受瑪蹄脂或膠漿體系體積變化(縮小)的影響。

綜上，以施工期和服役期二者協(xié)調(diào)的角度看，CEAM采用間斷密級配更易壓密并獲得較高的模量和耐久性。但是，傳統(tǒng)熱拌混合料的級配形式是否完全適用于CEAM尚不清楚[7-8]。因此，文章以典型間斷密級配SMA結(jié)構(gòu)為研究對象，基于顆粒堆積理論分析，探究主骨架顆粒及其干涉顆粒相對含量變化對CEAM的內(nèi)部排水以及密實程度影響，以期確定更利于壓密的級配組成機(jī)制，獲得密級配CEAM設(shè)計的技術(shù)規(guī)律。

1 骨架密實型級配優(yōu)化路徑

1.1 級配優(yōu)化對象

級配優(yōu)化研究對象應(yīng)具有骨架結(jié)構(gòu)特征，研究以強(qiáng)化骨架結(jié)構(gòu)以及減弱干涉作用作為優(yōu)化路徑。對于SMA-16，在4.75 mm通過率大于30%時，瀝青混合料內(nèi)部將不能形成骨架結(jié)構(gòu)[9]。故可參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中SMA-16級配中值(4.75 mm 通過率為26%)，以其作為級配研究對象。該級配中粒徑9.5～4.75 mm的顆粒含量比重最高，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中所提出的DASR方法，將此檔料定為該級配下的主骨架顆粒。其中，主骨架干涉顆粒會影響主骨架穩(wěn)定性，干涉顆粒可填充骨架空隙，過量則會撐開骨架[11-12]。研究過程中以SMA-16級配推薦中值作為級配優(yōu)化對照組，探究主骨架顆粒及其干涉顆粒相對含量變化對CEAM性能影響。

1.2 顆粒堆積理論

本文以顆粒堆積理論作為確定主骨架干涉顆粒范圍的理論基礎(chǔ)。顆粒堆積理論假定顆粒形狀為球形，可形成立方堆積、正斜方堆積、楔形四面體堆積、六方最密堆積等多種空間堆積方式。隨著空間排列的逐漸緊密，剩余空隙呈逐漸減小的趨勢。文獻(xiàn)[13]研究顆粒級配對混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，通過顆粒堆積理論確定干涉顆粒范圍，建立顆粒級配評價指標(biāo)干涉系數(shù)。

以六方最密堆積方式的剩余空隙尺寸為極限最小顆粒填充尺寸。在該種排列方式下，空隙形成方式主要有兩種：4個球形顆粒圍成的三角孔、6個球形顆粒圍成的四角孔。設(shè)基本球為1次球(半徑r)，填入四角孔的最大球為2次球(半徑0.414r)，填入三角孔的最大球為3次球(半徑0.225r)，其后填入4次球、5次球等。依據(jù)密實堆積經(jīng)驗，三級顆粒組分填充更具實際意義。綜上，可認(rèn)為六方最密堆積狀態(tài)的空隙尺寸為0.225Dmin(Dmin為同級顆粒最小尺寸)，確定粒徑9.5～4.75 mm顆粒的干涉顆粒的粒徑范圍為4.75～1.18 mm。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

試驗選用按標(biāo)準(zhǔn)孔徑篩分的玄武巖碎石，填料為0.075 mm通過率100%的石灰石礦粉。采用自制陽離子乳化瀝青。用42.5R普通硅酸鹽水泥替代礦粉含量的25%，故礦粉、水泥分別占礦料質(zhì)量的6.75%、2.25%。乳化瀝青主要技術(shù)指標(biāo)如下：破乳速度為慢裂，與粗、細(xì)式集料拌和均勻，篩上剩余量(1.18 mm)為0.06%，儲存穩(wěn)定性(5 d)為2.9%，蒸發(fā)殘留物含量65.0%，針入度(25 ℃)為91.3(0.1 mm)，延度(15 ℃)為93.6 cm。主要指標(biāo)見表1、表2，以上材料均符合相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 集料和礦粉主要技術(shù)指標(biāo)Table1 Maintechnicalindicatorsofaggregateandmineralpowder試驗項目表觀相對密度/(g·cm-3)吸水率/%壓碎值/%砂當(dāng)量/%粗集料2.7920.5414.6-細(xì)集料2.785——71.6礦粉2.728———

表2 水泥技術(shù)指標(biāo)Table2 Cementtechnicalindicators細(xì)度安定性凝結(jié)時間/min抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa初凝終凝2d28d3d28d≤10合格14723924.745.65.69.9

2.2 試驗方案

a.優(yōu)化設(shè)計思路。

依前文所述，擬定兩種優(yōu)化方案：①9.5 mm以上粗顆粒含量不變，減少干涉顆粒含量，等量增加主骨架顆粒；②9.5 mm以上粗顆粒含量不變，減少干涉顆粒以下細(xì)顆粒含量，等量增加主骨架顆粒。

b.方案級配設(shè)計。

以JP0(級配推薦中值)作為對照，其中4.75～1.18 mm和1.18～0.075 mm累計篩余百分率均為8%。故擬定9.5～4.75 mm顆粒的累計篩余百分率的增加量依次為2%、4%、6%、8%。由方案①，得JP1、JP2、JP3、JP4；同理，由方案②，得JP5、JP6、JP7、JP8。共9種試驗級配見表3、圖1。

表3 試驗級配Table3 Testgrading級配名稱篩孔(mm)通過率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075JP01009575552619.5181512.511.510JP11009575552419.1181512.511.510JP21009575552218.8181512.511.510JP31009575552018.4181512.511.510JP41009575551818.0181512.511.510JP51009575552417.51613.811.911.110JP61009575552215.51412.511.311.810JP71009575552013.51211.310.610.410JP81009575551811.51010101010

圖1 級配曲線

2.3 最佳乳石比確定

首先采用馬歇爾試件的體積設(shè)計法確定JP0的最佳乳石比。由乳液濃度，對JP0初擬7.8%、8.3%、8.8%、9.3%、9.8%的5個乳石比進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果見表4。

由試驗結(jié)果：乳化瀝青混合料空隙率偏大，參照相應(yīng)體積設(shè)計法的技術(shù)要求，依經(jīng)驗，選定JP0最佳乳石比為9.3%。

表4 不同乳石比下主要技術(shù)指標(biāo)Table4 Maintechnicalindicatorsunderdifferentlatexratios%乳石比/粗集料間隙率搗實空隙率空隙率礦料間隙率飽和度7.836.043.28.319.557.58.335.743.17.819.359.68.835.443.27.419.261.49.335.143.26.518.965.69.834.843.16.518.666.2

剩余8種級配的差異性較小，則依據(jù)瀝青膜厚度計算式(1)、式(2)推算JP1～JP8最佳瀝青用量。

SA=∑(Pi×FAi)

(1)

(2)

式中：SA為集料比表面積,m2/kg；Pi為各種粒徑的通過百分率,%；FAi為相應(yīng)粒徑集料的表面積系數(shù)；DA瀝青膜有效厚度,μm；Pbe有效瀝青含量,%；γb為瀝青的相對密度(25℃/25℃)。

依據(jù)上述，推算JP1～JP8最佳乳石比為：9.3%、9.3%、9.3%、9.3%、9.1%、9.1%、8.6%、8.5%。

2.4 試件成型及養(yǎng)生方式

參考修正馬氏成型法，首先在室溫下待混合料開始由褐色轉(zhuǎn)為黑色時，進(jìn)行雙面各擊實50次，又經(jīng)110 ℃條件下養(yǎng)生24 h后，再雙面各擊實25次，最終室溫下養(yǎng)生24 h。保持試件帶模側(cè)立放置無法反映路面實際養(yǎng)生狀態(tài)，且前期試件內(nèi)部粘聚力不足，側(cè)立放置易導(dǎo)致混合料掉落、損失。故將試件帶模正放養(yǎng)生且底部放置墊片，亦可反映混合料養(yǎng)生過程內(nèi)部流體實際運動變化。

2.5 評價方法

參考文獻(xiàn)[14]提出的累計失水率指標(biāo)表征試件內(nèi)部水分排出程度，以評價各級配在擊實及養(yǎng)生過程中的排水性能差異，以一次擊實完成至養(yǎng)生結(jié)束過程中某時刻測定的失去水分的質(zhì)量與總水量的比值，即得該時刻的累計失水率。以空隙率指標(biāo)反映級配優(yōu)化過程中AEM的密實情況。對于混合料高、低溫性能的評價，考慮成型過程中內(nèi)部流體受重力作用和振動效應(yīng)影響，混合料中破乳膠漿分布可能存在上下不均勻。故采用操作簡單的瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度試驗(標(biāo)準(zhǔn)馬氏試件)評價其高溫穩(wěn)定性[15-16]；采用非標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲試驗對混合料的低溫抗裂性進(jìn)行評價，由輪碾法制備的板式試件切割而成的棱柱體試件保留上下表面，試件尺寸：250 mm×50 mm×50 mm；采用凍融劈裂試驗評價水穩(wěn)定性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 干涉顆粒含量變化影響

如圖2所示：JP0～JP4從一次擊實成型到養(yǎng)生完成的過程中，累計失水率曲線隨著養(yǎng)生時間的推移先呈線性正相關(guān)后，失水速率逐漸減小直至水分完全散失。5種級配隨著干涉顆粒的減少以及主骨架顆粒的增多，試件失水速率逐漸提高，以曲線線性相關(guān)部分作比較，與JP0相比，JP1～JP4在此種優(yōu)化途徑使得失水速率提高了1.9%～13%。結(jié)果表明：減少干涉顆粒并等量增加主骨架顆粒可以有效增強(qiáng)乳化瀝青混合料擊實成型和養(yǎng)生過程中的排水能力。

圖2 失水率變化曲線

由圖3可知：空隙率受干涉顆粒含量的影響顯著，隨著干涉顆粒的減少，空隙率先減小后增大。干涉顆粒含量由8%降低至4%(JP0-JP2)過程中,主骨架受到的干涉作用減弱，空隙率由6.7%降低至6.1%，表明此時混合料更易壓密；干涉顆粒含量由4%降低至0%(JP2-JP4)過程中，隨著粗顆粒的含量逐漸增大，剩余空隙無法填充。此時粗顆粒間隙的增多在壓實過程中造成的不利影響大于減弱干涉作用所帶來的有利影響，因此空隙率又由6.1%增大至8.3%，最終空隙率變化曲線在JP2下出現(xiàn)峰值。

圖3 空隙率變化曲線

干涉顆粒的減少和骨架顆粒的增多，可以減弱內(nèi)部干涉作用影響，利于形成排水通道，使得在擊實過程中的排水量增多以及養(yǎng)生過程中排水速率加快。干涉作用的減弱也使得混合料更容易壓密，獲得更小空隙率。

3.2 干涉顆粒以下細(xì)顆粒含量變化影響

如圖4所示，5種級配由擊實成型到養(yǎng)生完成的過程中，累計失水率曲線隨著養(yǎng)生時間的推移先呈線性正相關(guān)后失水速率逐漸減小直至水分完全散失。這5種級配隨著1.18～0.075 mm顆粒的減少以及9.5～4.75 mm顆粒的增多，混合料失水速率顯著提高，以曲線線性相關(guān)部分作比較，與JP0相比，JP5～JP8在失水速率提高了1.9%～22.2%。結(jié)果表明：減少1.18～0.075 mm顆粒并等量增加9.5～4.75 mm顆粒對乳化瀝青混合料排水性能影響更為顯著。

圖4 失水率變化曲線

如圖5所示，空隙率變化曲線整體呈上升趨勢，表明此級配優(yōu)化方式使得混合料更難壓密。減少1.18～0.075 mm，等量增加9.5～4.75 mm顆粒無法降低空隙率。可以認(rèn)為：細(xì)集料起著填充剩余空隙的作用，細(xì)組分的不足將導(dǎo)致更多小孔或微孔無法填滿，體系中更多小孔或微孔的形成將會增大空隙率。

圖5 空隙率變化曲線

方案②的優(yōu)化方式減弱內(nèi)部干涉作用影響的同時也減少了集料細(xì)組分的含量。由于粗集料對水分的保有能力遠(yuǎn)低于細(xì)集料，因此混合料對水分的保有能力降低，使得在擊實過程中的排水量增多以及養(yǎng)生過程中排水速率加快，但是集料中細(xì)組分的不足也會導(dǎo)致微小空隙無法填充良好，故該種優(yōu)化方式下無法滿足本研究的壓密要求。

3.3 最佳方案級配路用性能驗證

由級配排水能力和成型空隙率兩種因素，確定JP2為優(yōu)化方案中的最佳級配。見表5，與空白組JP2相比，貫入強(qiáng)度值提高29%，彎拉應(yīng)變值提高19%，凍融劈裂強(qiáng)度比基本不變。結(jié)果表明：合理增加主骨架顆粒并等量減少相應(yīng)干涉顆粒，一定程度上改善高、低溫性能，該結(jié)論驗證了壓密結(jié)果。增加9.5～4.75 mm以及等量減少4.75～1.18 mm顆粒，可以減弱內(nèi)部干涉影響，減少微孔數(shù)量，利于形成排水通道，使得混合料更為密實，進(jìn)而高溫性能得到改善。其中，粗集料的增多，可增大集料間的接觸面積，進(jìn)而增大內(nèi)摩阻力，因此混合料高溫抗剪性能得到顯著改善。然而破乳后膠結(jié)料黏結(jié)力不足，可能是導(dǎo)致混合料抗水侵蝕能力差的主要原因，級配優(yōu)化對其影響效果不顯著。

表5 路用性能驗證結(jié)果Table5 Roadperformanceverificationresults級配名稱空隙率/%貫入強(qiáng)度/MPa彎拉應(yīng)變/με凍融強(qiáng)度比/%JP06.80.81188078.3JP26.11.06216078.6

4 結(jié)論

本研究基于顆粒堆積理論，探究間斷密級配CEAM級配變化對其性能的影響，研究表明：

a.基于SMA-16設(shè)計推薦中值，保證9.5 mm以上顆粒含量不變，9.5～4.75 mm含量由29%增至37%過程中，CEAM排水速率可提高13.0%～22.2%。

b.適量增加主骨架顆粒并等量減少相應(yīng)干涉顆粒，有助于降低空隙率，使得CEAM在壓實階段更易壓密。

c.對于間斷密級配乳化瀝青混合料，增加主骨架顆粒并等量減少相應(yīng)干涉顆粒可一定程度上改善高、低溫性能，驗證了壓密結(jié)果。