滯留含水率對乳化瀝青混合料性能的影響分析

黃修賢

摘要：文章調(diào)整了馬歇爾試驗和車轍試驗的試件成型方法，利用馬歇爾試驗、高溫和低溫性能等試驗確定了滯留含水率的合理范圍，并分析了滯留含水率對乳化瀝青混合料長期服役性能的影響。試驗結(jié)果表明：當(dāng)滯留含水率<12%時，乳化瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫和低溫性能均滿足規(guī)范要求;在長期服役性能方面，隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的性能衰變速度加快。

關(guān)鍵詞：混合料;乳化瀝青;滯留水;范圍;服役性能

中圖分類號：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.011

文章編號：1673-4874（2021）01-0040-04

0引言

乳化瀝青是道路養(yǎng)護(hù)中常用的膠結(jié)料，常用在同步碎石封層、稀漿封層和乳化瀝青碎石封層中。近年來，生態(tài)環(huán)保型瀝青混合料備受關(guān)注，乳化瀝青混合料應(yīng)用于道路面層的研究日益增多。乳化瀝青混合料可在常溫下拌和、運輸、攤鋪，與熱拌瀝青混合料和溫拌瀝青混合料相比，可減少大量的能耗和氣體排放，且適用于長距離運輸[1-3]。在以往的研究中，學(xué)者們比較關(guān)注冷拌瀝青混合料的性能特性和改善措施，其生產(chǎn)工藝和力學(xué)強(qiáng)度都得到了大幅度提高和優(yōu)化。Heriot-WaR大學(xué)研究表明：密級配乳化瀝青混合料的抗壓回彈模量最好，可達(dá)到面層的性能要求[4]。周海生等分析了含水量（包括乳化瀝青中的水和外摻水）對乳化瀝青混合料性能影響，結(jié)果表明：含水量與混合料的級配存在一定的關(guān)系，水對乳化瀝青混合料的成型和強(qiáng)度有較大的影響[5-6]。郭揚等驗證了纖維可降低冷拌瀝青混合料的溫度敏感性，提升其疲勞性能[7]。趙志超等將水泥加入到冷拌瀝青混合料中，得到強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的瀝青混合料[8]。劉鵬等通過室外養(yǎng)生和烘箱加速養(yǎng)生對比，確定混合料的室內(nèi)養(yǎng)生條件，并通過添加水泥使乳化瀝青混合料的力學(xué)性能滿足道路面層的需求[9]。孫斌等研究表明，冷再生混合料的含水率隨著時間的延長而降低，空隙率和劈裂強(qiáng)度也隨著含水率降低而增大，其中大馬歇爾試件的含水率變化明顯高于小馬歇爾試件[10]。亢麗敏等將水泥摻加到乳化瀝青混合料中，探究其強(qiáng)度形成機(jī)理，結(jié)果表明：水泥會增加乳化瀝青混合料的早期強(qiáng)度，水會降低混合料的內(nèi)摩阻力[11]。

由以上文獻(xiàn)可知，目前國內(nèi)外的研究主要關(guān)注乳化瀝青混合料的強(qiáng)度和水對其路用性能的影響。然而，乳化瀝青是一種水和瀝青的混合物（水包油或油包水），在混合料拌和、攤鋪和養(yǎng)生后，一部分水不能揮發(fā)會滯留在混合料中，這樣會影響瀝青混合料的性能。滯留含水率的合理范圍和其對混合料長期性能的影響尚未明確，故本文將探討滯留含水率在乳化瀝青混合料的合理范圍，及其對長期性能的影響。

1原材料

1.1乳化瀝青

乳化瀝青由乳化劑和SBS改性瀝青自制而成，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，如表1所示。

1.2集料

試驗中所用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為機(jī)制砂，其技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程集料試驗規(guī)程》的要求[12]。

1.3級配與膠結(jié)劑含量

本文利用密級配混合料（AC-13）探討冷拌瀝青混合料的性能，其級配如表2所示。經(jīng)馬歇爾試驗可知AC-13冷拌瀝青混合料的最佳乳化瀝青的用量為8.85%，AC-13熱拌瀝青混合料的最佳瀝青摻量為4.65%。

1.4水和水泥的含量

水可使集料濕潤，以促進(jìn)混合料的拌和，故需摻入一定量的水，但過多的水會影響混合料壓實和性能，故本文以冷拌瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度來確定水的最佳摻量（如圖1所示）。冷拌瀝青混合料早期強(qiáng)度低，為提高其早期強(qiáng)度，并消耗混合料中的水促使乳化瀝青破乳，本文將水泥以不同含量（0.5%、1.0%、1.5%和2.0%）摻加到混合料中，以馬歇爾穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)，以確定水泥在混合料的摻量（如圖2所示）。

2滯留水含量對冷拌瀝青混合料性能的影響

在水化反應(yīng)和養(yǎng)生結(jié)束后，乳化瀝青中的水和外摻水會有一部分滯留在混合料中，這些水會侵蝕瀝青與石料接觸面，引起瀝青混合料的性能衰變，故本節(jié)探究滯留水含量對冷拌瀝青混合料性能的影響。滯留水含量的計算如式（1）所示。

Z={T-（G-D）}/P（1）

式中：Z——滯留含水率（%）;

T——初始含水量（g），包括乳化瀝青中的水和外摻水;

G——混合料初始總質(zhì)量（g）;

P——混合料養(yǎng)生后的總質(zhì)量（g）

2.1養(yǎng)護(hù)溫度對滯留水含量的影響

為探知環(huán)境溫度對混合料內(nèi)部滯留含水率的影響，將擊實后的試件放在烘箱中養(yǎng)生，養(yǎng)護(hù)溫度分別為20℃、60℃和105℃，試件的滯留含水率隨養(yǎng)護(hù)溫度和時間的變化如圖3所示。養(yǎng)護(hù)溫度越高，試件滯留含水率越小，當(dāng)滯留含水率<10%時，養(yǎng)生時間分別為5d（20℃）、2d（60℃）和1d（105℃）這說明滯留含水率與養(yǎng)生期間的蒸發(fā)量有很大的關(guān)系，故在溫度較高的季節(jié)鋪筑乳化瀝青混合料有利于路面快速形成強(qiáng)度。因為高溫會導(dǎo)致試件中的水分快速蒸發(fā)，乳化瀝青快速破乳形成強(qiáng)度，也會減少水分對瀝青與石料交界面的侵蝕。

2.2滯留含水率對冷拌瀝青混合料性能的影響

為了探究滯留含水率對冷拌瀝青混合料性能的影響，按照第1節(jié)得到的最佳乳化瀝青摻量、外摻水量和水泥摻量拌制瀝青混合料。為了得到不同滯留含水率的試件，養(yǎng)生條件調(diào)整為20℃，試件含水率分別為0、4%、8%、12%、16%、20%、24%和28%。

2.2.1馬歇爾試驗

采用馬歇爾試驗方法評價冷拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，因乳化瀝青混合料在擊實后未形成強(qiáng)度，故需對試件的制作方法進(jìn)行調(diào)整。其制作過程為：（1）單面擊實50次;（2）靜置2h;（3）雙面各擊實25次。得到的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）見圖4。如圖4所示，隨著滯留含水率增大，冷拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均下降，當(dāng)滯留含水率>12%時，冷拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均不滿足規(guī)范的要求（80%）。綜上，冷拌瀝青混合料中的滯留含水率應(yīng)<12%。

2.2.2高溫和低溫性能

分別采用高溫車轍試驗和低溫小梁試驗評價冷拌瀝青混合料的高溫性能和低溫性能。車轍板制作過程修改為：（1）雙向碾壓24次;（2）靜置2h;（3）碾壓12次。得到的試驗結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著滯留含水率增加，動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變都下降，當(dāng)滯留含水率>16%時，動穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求（2000次/mm），當(dāng)滯留含水率>12%時，破壞應(yīng)變不滿足規(guī)范要求（2500με）。綜上，當(dāng)滯留含水率<12%時，冷拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3耐久性試驗

由上一節(jié)可知當(dāng)滯留含水率<12%時，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫和低溫性能均滿足規(guī)范的要求，現(xiàn)在本節(jié)中將探討滯留含水率（0、4%、8%和12%）與混合料耐久性的關(guān)系，并與熱拌瀝青混合料進(jìn)行對比。

（1）水損害

采用多次凍融循環(huán)試驗評價乳化瀝青混合料的長期水損害，得到的試驗數(shù)據(jù)見圖6。由圖6可知，隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的TSR減小，凍融循環(huán)次數(shù)為1時，乳化瀝青混合料的TSR值相差不大。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，乳化瀝青混合料的TSR與熱拌瀝青混合料的差值越來越大，例如當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為5時，乳化瀝青混合料（滯留含水率為0 和12%）的TSR分別為45.6%和20.4%，熱拌瀝青混合料的TSR為50.3%，故當(dāng)滯留含水率為0時，乳化瀝青混合料的TSR與熱拌瀝青混合料的相差無幾，隨著滯留含水率的增加，乳化瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性越差。

（2）長期老化性

將馬歇爾試件放在紫外線下進(jìn)行乳化瀝青混合料的長期老化性能試驗，然后測試其馬歇爾穩(wěn)定度，得到的試驗數(shù)據(jù)見圖7。由圖7可知，隨著滯留含水率增大，乳化瀝青混合料的抗老化性能下降，例如當(dāng)紫外線老化時間為4周時，滯留含水率為0的乳化瀝青混合料穩(wěn)定度是滯留含水率為12%的1.76倍。綜上，隨著滯留含水率的增加，乳化瀝青混合料的長期老化性能下降。

（3）長期老化后的高溫性能

將不同滯留含水率的車轍板放在紫外線下老化，然后測試其動穩(wěn)定度，得到的試驗數(shù)據(jù)見圖8。由圖8可知，當(dāng)滯留含水率為0和4%時，乳化瀝青混合料的動穩(wěn)定度與熱拌瀝青混合料的相差不大，且隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的動穩(wěn)定度下降。例如：當(dāng)紫外線老化時間為4周時，滯留含水率為0的乳化瀝青混合料動穩(wěn)定度是滯留含水率為12%的1.69倍。綜上，隨著滯留含水率的增加，乳化瀝青混合料的長期高溫穩(wěn)定性能下降。

4結(jié)語

（1）瀝青混合料中的水會引起混合料的性能衰變，本文提出了滯留含水率的概念，用以評價混合料中的含水率。當(dāng)烘箱的溫度為20℃時，混合料的含水率蒸發(fā)較慢，通過調(diào)整養(yǎng)護(hù)時間可得到具有不同滯留含水率的試件。

（2）隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變都逐漸減小。當(dāng)滯留含水率>12%時，冷拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均不滿足規(guī)范的要求（80%）;當(dāng)滯留含水率>16%時，動穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求（2000次/mm）。綜上，當(dāng)滯留含水率<12% 時，乳化瀝青混合料的性能均滿足規(guī)范的要求。

（3）在長期服役性方面，隨著滯留含水率的增大，乳化瀝青混合料的性能衰變速度變快。例如，紫外線老化時間為4周時，滯留含水率為0的乳化瀝青混合料穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度分別是滯留含水率為12%的1.76和1.69倍。綜上，滯留含水率越低，乳化瀝青混合料的性能越接近熱拌瀝青混合料，性能越好。

參考文獻(xiàn)

[1]金曉晴.LB（冷拌冷鋪）瀝青及其路面修補(bǔ)技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2005.

[2]蓋衛(wèi)鵬.冷補(bǔ)瀝青混合料養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2010.

[3]夏朝彬，馬波.國內(nèi)外乳化瀝青的發(fā)展及應(yīng)用概況[J]. 石油與天然氣化工，2000，29（2）：88-91.

[4]HWA，Worm Mix Asphalt Technologies and Research [M] U.S.A：Deportment of Transportation Federal Highway Adminisrotion，2007.

[5]周海生，曹衛(wèi)東，孫大權(quán)，等.用水量對乳化瀝青混合料性能影響的研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（10）：1330-1334.

[6]李秀君，拾方治，張永平.拌和用水量對泡沫瀝青混合料性能的影響[J].建筑材料學(xué)報，2008（1）：64-69.

[7]郭揚.纖維瀝青混凝土耐久性能試驗研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

[8]趙志超.新型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料路用性能研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2016.

[9]劉鵬.常溫拌和瀝青混合料性能評價與改善研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2017.

[10]孫斌，張嘉林.水分對乳化瀝青廠拌冷再生混合料強(qiáng)度的影響研究[J].公路，2018，63（7）：295-298.

[11]亢麗敏.水泥乳化瀝青混凝土強(qiáng)度形成機(jī)理分析及工程應(yīng)用[J].山東交通技，2018（4）：58-61.

[12]JTGE20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].