礦粉-乳化瀝青膠漿對瀝青路面裂縫修復愈合的影響

郭留紅，劉廷國，劉玉恒，張芳超

(1.河南省交通事業發展中心，河南 鄭州 453000；2.公路養護裝備國家工程研究中心，河南 新鄉 453003； 3.河南省高遠公路養護技術有限公司，河南 新鄉 453003； 4.河南省高等級公路檢測與養護技術重點實驗室，河南 新鄉 453003)

0 引言

眾所周知瀝青路面在使用過程中常出現各種形態下的裂縫，如橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等，從產生的機理看所有形態的裂縫均是由重復行車荷載、溫度應力以及基層反射等原因造成的，其進一步發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裂縫的自愈合修復，但在路面日常養護過程中，其作為灌縫料粘結強度差、高溫下易流淌、封縫防水效果差、自愈合速度慢，嚴重影響乳化瀝青在路面養護中的使用程度[4-6]。從組成特性上講熱拌或冷拌瀝青混合料中起粘結作用的主要是瀝青膠漿，以及現有成品灌縫膠均要形成瀝青膠漿才能最大程度發揮其灌縫效果，所以欲使乳化瀝青最大程度用于瀝青路面裂縫修補，其蒸發殘留物一定要與礦物填料相結合，才能產生較強的黏結力不致裂縫在極端溫度下再次開裂，同時使裂縫界面填充密實，阻止雨水下滲，有效防止基層受水損害影響，另外礦粉會促進乳化瀝青破乳，使灌縫料早期強度形成，自愈合速度明顯加快[7-8]。

最早研究礦粉對冷拌瀝青混合料性能影響的是前蘇聯學者，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年長安大學的張爭奇[11-13]對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行了研究，分析粉膠比對路用性能的影響規律，試驗結果證明粉膠比是決定乳化瀝青膠漿性能的決定性因素，針對廣東地區推薦分膠比在1.2左右。2015年伊利諾伊大學運用龔帕斯模型分析乳化瀝青膠漿黏度的時間變化曲線，以解決乳化瀝青破乳時間難量化等難題，研究報告指出不同巖性的礦粉對乳化瀝青膠漿黏度影響較大，且花崗巖>玄武巖>石灰巖[14-15]。同年長安大學的張久鵬[16-17]對礦粉巖性影響乳化瀝青膠漿黏度的機理進行了更深一步的探索，得出如下規律：酸性礦粉瀝青膠漿黏度達到穩定時速度最快，即破乳時間最短；乳化瀝青膠漿達到穩定黏度所需時間與比表面積成反比，與表面電位值成正比。2018年某交通材料技術開發有限公司的朱輝[18-19]研究認為礦粉的加入可大大提高蒸發殘留物的黏性成分，粉膠比提升1倍與溫度下降一個等級后的勁度模量相當，但礦粉增加會加速面層內部微裂紋的擴展速度，形成不利影響。

本研究針對上述問題開展礦粉對乳化瀝青膠漿粘結強度、抗高溫性能、防水封縫效果、自愈合速度等性能的影響，并通過性能變化規律確定礦粉最佳摻量，為瀝青路面日常養護質量提供保證。

1 原材料及試樣制備

1.1 原材料

1.1.1 SBR改性乳化瀝青

本研究試驗采用SBR改性乳化瀝青，由70#基質瀝青和SBR改性膠乳在陽離子乳化劑和穩定劑的作用下，通過膠體磨邊改性邊乳化制得，技術指標見表1，各項指標均滿足規范要求。

表1 SBR改性乳化瀝青技術指標Tab.1 Technical indicators of SBR modified emulsified asphalt

1.1.2 礦粉

礦粉的巖性對乳化瀝青破乳時間、蒸發殘留物黏度以及灌縫時的自愈合速度有較大影響，所以本研究選取了常用的石灰巖和玄武巖礦粉進行對比研究，兩者的化學組成成分有較大不同，具體指標見表2。同時針對對比試驗的基本原則，本研究要求礦粉粒徑均能通過0.075 mm的篩。

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

1.2 試樣制備

在開展各項試驗前將不同巖性的礦粉與乳化瀝青充分攪拌均勻，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 試驗方法

2.1 布氏旋轉黏度試驗

礦粉-乳化瀝青膠漿與熱瀝青膠漿布氏黏度測定方法稍有不同，具體操作為：稱量固定質量的礦粉，按照本研究要求的粉膠比加入SBR改性乳化瀝青，然后在25 ℃穩定溫度條件下快速充分攪拌均勻，整個攪拌過程應持續1 min，最后立即將其倒入布氏黏度儀盛樣器中，轉子速率為10 r/min，每間隔1 min讀取1次黏度值。

2.2 蒸發殘留物DSR試驗

美國公路戰略研究計劃(SHRP)提出用抗車轍因子G*/sinδ指標來表征瀝青材料的高溫穩定性，復數剪切模量G*表示瀝青材料在拉壓循環作用下最大剪應力與最大應變之比，而δ表示最大剪應力和最大應變對應的相位角差，其均可通過動態剪切流變儀(DSR)測得，抗車轍因子越大，材料的高溫穩定性越好。本研究設定固定頻率10 rad/s，采集不同溫度下的G*和δ，計算得到G*/sinδ，評價不同粉膠比不同巖性礦粉-乳化瀝青膠漿的高溫穩定性。

2.3 裂縫浸水量試驗

裂縫浸水量試驗是采用路面滲水儀在已采取灌縫措施的不透水路面上測定浸水量隨時間的變化規律，以此驗證加礦粉的乳化瀝青用于灌縫時的防水封縫效果，試驗在道路現場進行。

2.4 劈裂強度試驗

采用馬歇爾劈裂試驗研究礦粉-乳化瀝青膠漿對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護1，3，5，7，9 d，再重新做劈裂試驗，定義試件斷裂愈合后的劈裂強度與試件初始的劈裂強度之比為愈合指數A，以此度量加礦粉的乳化瀝青促進裂縫愈合的能力[20]，如式(1)所示。

A=Pt/P,

(1)

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

3 結果與討論

3.1 布氏旋轉黏度

3.1.1 布氏黏度試驗結果

將不同巖性的礦粉加入到SBR改性乳化瀝青中，按照2.1節的步驟測試其布氏旋轉黏度，試驗結果隨時間的變化規律如圖1所示。

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

圖1的試驗結果表明：乳化瀝青在加入礦粉的初始其布氏黏度較低，隨著時間的延長試驗結果不斷增大，而增長速率在不斷減小，最終趨于穩定值，這是乳化瀝青膠漿增多以及乳化瀝青逐漸破乳的過程；在相同時間點，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系，這與膠漿成分不斷增多有直接關系，分膠比越大趨于穩定的時間點就越提前，粉膠比為1.2時的時間穩定點為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巖，這是由于玄武巖集料表面帶負電位且比表面積較大，可促進膠漿的形成及破乳速度，有利于裂縫兩界面的有效粘結。

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，始終處于不穩定狀態，要想解決這一難題，能較為準確地測定完全破乳時間是關鍵技術，現有規范中測定乳化瀝青完全破乳時間的方法為根據按壓混合料后吸水紙表面有無褐斑來判斷，其個人主觀性太強，誤差較大。研究發現礦粉-乳化瀝青膠漿布氏黏度的形成及增長過程規律可用Gompertz龔帕斯模型進行擬合，其能較好地描述整個發展過程，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。

本研究預采用3段估計法對參數進行求解，假設一定時間內記錄N個黏度試驗結果y1，y2，…，yi,…，yN，采用平均分配法將N個數據等數量分成3部分，即每部分有n=N/3個數據，接著對每部分進行求和，如式(3)所示：

(3)

對式(3)進行整理可得：

(4)

根據布氏黏度試驗結果對0.9粉膠比下的礦粉-乳化瀝青膠漿的龔帕斯模型參數進行求解，參數擬合結果如表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)石灰巖(0.9)=11.115-2.695×0.553i，

ln(yi)玄武巖(0.9)=11.120-2.602×0.519i。

(5)

龔帕斯模型表達式表現出乳化瀝青膠漿的特性為布氏黏度隨時間延長而不斷增大，但實際施工中乳化瀝青完全破乳后，在某一時間點乳化瀝青膠漿的布氏黏度會保持穩定，我們定義布氏黏度的穩定時間點為乳化瀝青膠漿完全破乳的時間。現假設時間t為穩定時間點，則t時間點前后的Δt時間范圍內的龔帕斯模型表達式對時間的積分應該相等，可表示為式(6)，簡單整理后如式(7)所示。

(6)

(7)

結合表3的參數數據對穩定時間節點t進行求解，可得乳化瀝青、石灰巖礦粉-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定時間點(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，完全破乳時間最短，此結果與布氏黏度試驗結果基本一致，因此在進行灌縫時使用玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿可達到縮短通車時間和提升灌縫質量的雙重效果。根據龔帕斯模型可快速計算出礦粉-乳化瀝青膠漿的完全破乳時間，將開放交通時間數字化，從時間上提升精確度。

3.2 蒸發殘留物DSR

根據2.2節的試驗方案進行礦粉-乳化瀝青膠漿蒸發殘留物的DSR試驗，得到不同溫度下的復數剪切模量和相位角，通過計算得到不同溫度下的車轍因子，變化規律如圖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為：玄武巖(0.9)>石灰巖(0.9)>未加礦粉，即在0.9粉膠比條件下玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿蒸發殘留物的高溫穩定性最好，其與單純乳化瀝青相比60 ℃的車轍因子可超過632 Pa。

3.3 裂縫浸水量

借助路面滲水儀測定一定時間內裂縫的滲水量，間接評價礦粉-乳化瀝青膠漿的防水封縫效果，將其封縫效果進行量化，試驗結果見表4。

表4 裂縫浸水量試驗結果Tab.4 Test result of crack water immersion

將表4的浸水量數據進行整理，不同巖性的礦粉-乳化瀝青膠漿的灌縫浸水量隨時間的變化規律如圖3所示。由圖可知：裂縫浸水量隨時間的變化不斷增加，未加礦粉的情況下5 min浸水量可達109.6 mL，而摻加石灰巖和玄武巖的浸水量僅分別為25.3 mL和19.0 mL，且在2 min后幾乎不再增長，說明單純乳化瀝青灌縫雖然對裂縫有一定程度的粘結，但是未對裂縫進行有效的填充，封縫防水效果差，而礦粉-乳化瀝青膠漿在對裂縫粘結的同時可有效填充裂縫，阻止水的進一步下滲，大大減緩路面的水損壞進程，玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿封縫防水效果相對較好。

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

3.4 劈裂強度

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

圖4 不同巖性礦粉-乳化瀝青膠漿愈合指數隨養護時間的變化Fig.4 Healing indexes of mineral powder emulsified asphalt mortar with different lithology varying with curing time

由圖4可知，愈合指數均隨養護時間的延長不斷增大，即裂縫界面的粘結強度逐漸增強，說明試件的愈合能力在不斷增強。在養護時間7 d后愈合指數幾乎不再變化，這是由于乳化瀝青中的輕質組分不斷揮發，在第7 d時達到穩定狀態，而在養護初始輕質組分易軟化裂縫周圍的瀝青成分，自愈合能力提高較快。從對比性上講未加礦粉的乳化瀝青灌縫的愈合指數始終較低，最大僅為34.9%，而加礦粉后在相同養護時間內愈合指數均較大，養護9 d后摻加石灰巖和玄武巖的礦粉-乳化瀝青膠漿的愈合指數A可分別達到62.9%和76.1%，具有較強的愈合能力，礦粉的加入有助于乳化瀝青促進裂縫的自愈合。整體而言，玄武巖的愈合指數始終略高于石灰巖，其差異特性與布氏旋轉黏度表現一致，在促進裂縫自愈合上玄武巖優勢明顯。

4 機理分析

添加礦粉后乳化瀝青中膠漿成分不斷增多，這是布氏旋轉黏度不斷增加的直接原因，同時粉膠比越大礦粉-乳化瀝青膠漿完全破乳就越快，布氏旋轉黏度達到穩定的時間點就越提前，也是礦粉-乳化瀝青膠漿車轍因子增大的關鍵因素；礦粉-乳化瀝青膠漿在對裂縫粘結的同時可有效填充裂縫，阻止水的進一步下滲，大大減緩路面的水損壞進程；由于礦粉-乳化瀝青膠漿黏度較大，在不影響輕質組分對裂縫周圍瀝青軟化效果的同時，顯著提升其自愈合能力；由于玄武巖礦粉屬于中性集料，相對于堿性集料的石灰巖礦粉其比表面積較大，而電位較低，這是玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿表現出優異特性的關鍵內因。

5 結論

(1)乳化瀝青在加入礦粉后旋轉布氏黏度顯著增大，在相同時間點，布氏黏度均隨著粉膠比的增加呈正比例關系，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，根據實時布氏黏度變化規律建立的龔帕斯模型可準確預測礦粉-乳化瀝青膠漿的完全破乳時間，為準確確定通車時間建立基礎。

(2)玄武巖礦粉-乳化瀝青膠漿蒸發殘留物與單純乳化瀝青相比60 ℃的車轍因子可超過632 Pa，同時裂縫浸水量隨時間的變化不斷增加，摻加石灰巖和玄武巖的浸水量僅分別為25.3 mL和19.0 mL，浸水量很小，礦粉-乳化瀝青膠漿在對裂縫粘結的同時可有效填充裂縫，阻止水的進一步下滲，大大減緩路面的水損壞進程。

(3)愈合指數均隨養護時間的延長不斷增大，從對比性上講摻加石灰巖和玄武巖的礦粉-乳化瀝青膠漿的愈合指數A可分別達到62.9%和76.1%，具有較強的愈合能力，礦粉的加入有助于乳化瀝青促進裂縫的自愈合。

(4)在各項性能上，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出較為優異的特性，此研究可為公路瀝青路面日常養護提供材料基礎。