冷拌冷铺混合料组成设计与强度关系研究

冷拌冷铺混合料能够降低能源消耗，减少环境污染，改善路面施工条件，但施工后需要较长时间才能使路面达到开放交通的要求，路面硬化慢是冷拌冷铺沥青混合料在路面应用中的瓶颈问题。目前，促进冷拌冷铺沥青混合料早期硬化的最有效途径是掺加水泥固化剂，如NIAZJ等[1]最早对水泥乳化沥青混凝土进行研究，发现与普通沥青混合料相比，其刚度得到了提高，同时疲劳性能有所下降；钟梦武等[2]通过研究发现，掺加水泥的乳化沥青冷再生混合料能够提高早强强度，减少沥青用量；周源[3]研究了水泥含量对乳化沥青冷再生混合料性能的影响，发现添加水泥虽然能提高混合料强度，但随着水泥掺量的増加，其疲劳性能却呈现下降的趋势，低温抗裂性能呈先增加后降低的特征；王振军等[4]认为“四步”成型工艺是密级配水泥乳化沥青混合料的最佳成型方式，即先将粗细集料和乳化沥青拌合，再加入水泥和矿粉，然后加入水并拌和均匀，最后双面各击实75次成型；肖晶晶等[5]研究了水泥乳化沥青混合料的空隙特征，发现水泥掺量过大时，空隙率增大，混合料的拌合性下降；杜少文[6]研究了水泥、消石灰和消石灰矿渣粉3种外加材料对乳化沥青再生混合料路用性能的影响，发现水泥的改善效果最佳。

乳化沥青在拌料、脱水、快速固化等方面亟待提高，故未能在工程中广泛应用。乳化沥青-水泥混合料硬化速度取决于混合料中水分的变化，当混合料中的水分蒸发、被多孔固相吸收或水化转变成固相后，混合料即产生硬化作用。本文以早期水化快、水化结合水多的含硫铝酸盐的快速固化剂为例，通过研究固化剂品种、掺量、沥青用量和含水率等对冷拌冷铺混合料性能的影响，探讨冷拌冷铺混合料的早期强度形成机理。

1 原材料

1.1 乳化沥青

乳化沥青由课题组实验室制备，各主要技术指标如表1所示。

表1 乳化沥青主要技术指标

试验项目技术要求实测结果粒子电荷阳离子阳离子赛波特黏度/s20～10053黏结强度(25 ℃)/MPa≥0.51.1沥青残留物含量/%≥6062针入度(100 g,25 ℃,5 s)/0.1 mm50～13063软化点/℃60～8076延度(5 cm/min, 5 ℃)/cm≥2026动力黏度(60 ℃)/Pa·s2 00014 000拉伸强度保持率/%≥80100断裂延伸率/%≥800920低温柔度/℃-10～-20,无裂纹满足要求1 d贮存稳定性/%≤10.45 d贮存稳定性/%≤51.2

1.2 固化剂

固化剂A：PO52.5水泥；固化剂B：含硫铝酸钙型固化剂，以硫铝酸盐熟料为主。固化剂各技术指标如表2所示。

中耕的目的是缓解土壤板结现象，减少水分蒸发、提高土壤温度，促进空气流通等。通过中耕还能加快有机物质的分解，提高植物根系对营养物质的吸收效率，从而改善植物的生长环境。在中耕过程中还能兼顾除草，通常将中耕的深度控制在3～5 cm。在没有杂草的情况下，也会根据浇水及雨水情况进行中耕，在除草的同时保存土壤中的养分和水分，促进植株的生长发育。

财政“分步分类”理论是该体系对政府补偿机制提出的建议。据介绍，在公立医院投入补偿机制研究过程中，为改变政府财政补偿未量化问题，张培林创新性提出政府财政分步分类补偿理论：首先是分步补偿，一是离退休人员经费，二是在职人员经费，三是药品补差，四是公卫公益任务和政策性亏损，五是基本建设、大型设备购置和维修维护，六是重点学科建设和学科深化；其次是分类补偿，一是“六项埋单”，二是在职人员经费，三是药品补差。该研究项目中标国家社会科学基金，多家国家级媒体进行了报道。

表2 固化剂的主要技术指标

固化剂凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3 d28 d3 d28 d比表面积/(m2·kg-1)安定性煮沸法结论A504004.17.22554320合格B28447.17.952.857360合格

1.3 集料和填料

本文所用的粗细集料均为石灰岩碎石，填料为石灰岩矿粉，经检测，各技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》要求。

2 试验方法

冷拌冷铺沥青混合料强度受乳化沥青、固化剂、矿粉和水的共同作用。固化剂与乳化沥青破乳产生的水分及外加水发生水化反应，生成水化产物，可以改善冷拌冷铺混合料早期强度低等缺点[7-8]。为使路面实现刚柔并济的效果，固化剂掺量不宜过高，乳化沥青用量不能太低，含水率应适宜，故采用正交试验设计冷拌冷铺沥青混合料十分必要。试验考虑固化剂掺量、油石比(本文所述油石比为乳化沥青用量与固含量的乘积，即蒸发残留物与集料的质量百分比)和含水率三大因素，分别选用固化剂A和固化剂B进行正交试验，试验设计如表3所示。

表3 正交试验 (%)

编号A:固化剂掺量B:油石比C:含水率13.55323.55.53.533.56444.553.554.55.5464.56375.55485.55.5395.563.5

根据《公路沥青路面设计规范》，选用AC-13矿料级配，合成级配如表4所示。

表4 冷拌冷铺沥青混合料的矿料级配

通过下列筛孔尺寸的质量分数/%筛孔尺寸/mm1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配中限10095775337271914106合成级配1009679533830201396

试验过程中，先将粗细集料拌和均匀，然后倒入定量的乳化沥青，最后加入矿粉和固化剂及适量的水，拌和均匀。按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的T-0702试验方法配制混合料，双面击实50次，110 ℃温度条件下养护24 h，取出试件，再双面击实25次，室温养护24 h后，分别按T-0705、T-0709试验方法进行测试。

按照TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，对最佳配合比进行抗折、抗压强度试验，并做SEM分析；用两种固化剂分别和沥青拌合，拌合物养护3 d后，进行DTA/TG试验。

3 试验结果与讨论

3.1 固化剂、油石比和含水率的影响

通过3组正交试验，得出试验结果如表5所示。采用极差分析和方差分析综合研究冷拌冷铺混合料，结果如表6、表7所示。

表5 正交试验结果

编号PO52.5水泥含硫铝酸钙型固化剂稳定度/kN流值/0.1 mm密度/(g·cm-3)稳定度/kN流值/0.1 mm密度/(g·cm-3)16.6325.92.2367.6824.42.22227.8430.72.2288.8622.82.24636.4426.92.2367.3923.82.24249.4223.02.2559.5625.32.25758.9324.22.26110.5023.62.24768.4425.12.2148.2029.92.224711.7022.72.21914.2320.12.231811.1024.82.23912.4421.12.25699.8027.32.20911.5322.02.237

表6 极差分析结果

固化剂种类指标试验指标固化剂掺量/%油石比/%含水率/%PO52.5水泥稳定度K16.979.258.72K28.939.299.02K310.878.239.02极差R3.901.060.30因素主→次 固化剂掺量>油石比>含水率流值K127.83323.86725.267K224.10026.56727.000K324.93326.64324.600极差R3.7332.7332.400因素主→次 固化剂掺量>油石比>含水率毛体积密度K12.2332.2372.230K22.2432.2432.231K32.2222.2202.239极差R0.0210.0230.009因素主→次 油石比>固化剂掺量>含水率含硫铝酸钙型固化剂稳定度K17.9810.49 9.44 K29.4210.609.98K312.739.0410.71极差R4.751.451.27因素主→次 固化剂掺量>油石比>含水率流值K123.66723.200 25.133 K226.26722.50023.367K321.00025.23322.433极差R5.2672.7332.700因素主→次 固化剂掺量>油石比>含水率毛体积密度K12.2372.2372.234K22.2432.2502.247K32.2412.2342.240极差R0.0060.0160.013因素主→次 油石比>含水率>固化剂掺量

表7 方差分析结果

固化剂种类指标方差来源离差平方和自由度均方F值临界值显著性最优方案PO52.5水泥稳定度流值密度因子A22.777211.388 515.80因子B1.90020.950 01.32因子C0.18020.090 0<1误差1.44020.720 0因子A23.050211.525 09.08因子B13.90026.950 05.47因子C9.21024.605 03.63误差2.54021.270 0因子A0.000 6620.000 33<1因子B0.000 8620.000 431.06因子C0.000 1520.000 075<1误差0.000 8120.000 405F0.1=9F0.25=3F0.1=9F0.25=3F0.1=9F0.25=3显著A3不显著B2不显著C1显著A3显著B1显著C1不显著A1不显著B1不显著C1含硫铝酸钙型固化剂稳定度流值密度因子A35.687217.844 51因子B4.54822.2746.49因子C2.42321.2113.46误差0.69020.350因子A40.560220.28024.90因子B11.92725.963 57.34因子C10.80725.403 56.65误差1.62620.813 0因子A0.000 4220.000 2102.10因子B0.000 7720.000 3853.85因子C0.000 6120.000 3053.05误差0.000 220.000 100F0.025=39F0.1=9F0.25=3F0.05=19F0.1=9F0.25=3F0.1=9F0.25=3显著A3显著B2显著C1显著A2显著B1显著C1不显著A1显著B1显著C1

(1) 稳定度。稳定度反映冷拌冷铺混合料的强度，各因素按影响程度大小排序为：固化剂掺量>油石比>含水率，各因素的F值也佐证了这一结论。固化剂对稳定度的影响显著，随着固化剂的添加，稳定度逐步提高，这是由于固化剂发生水化反应，生成强度高的水化产物，同时消耗了乳化沥青乳液中的水相，推动乳液破乳及沥青微粒聚结，有助于沥青性能的恢复，从而提高混合料的黏结性能和力学强度。

(2) 流值。各因素按影响程度大小排序为：固化剂掺量>油石比>含水率，由表4可知，各组的流值均处于2～4 mm，符合设计要求。

水介质旋流器又称自生介质旋流器，其结构如图2所示，由一段圆柱体和一段圆锥体及切向给料口组成。它的锥体夹角为钝角，达到80°～140°，锥体粗短，旋涡溢流管粗长，几乎穿过整个圆柱体。

(3) 毛体积密度。对于掺PO52.5水泥的混合料而言，其各相关因素按影响程度大小排序为：油石比>固化剂掺量>含水率，油石比和固化剂掺量的R值相近。由表7各因素的F值可知，各因素对掺PO52.5水泥的混合料的影响不显著；而沥青用量和含水率对掺含硫铝酸钙型固化剂的混合料的密度有显著影响，各因素按影响程度大小排序为：油石比>含水率>固化剂掺量，沥青用量不足或者过大，都会降低混合料的密度。沥青用量较低时，沥青不能均匀裹覆在集料表面，拌合和易性较差，凝聚性不强，导致空隙较多，密实度不好，密度低。随着沥青用量的增加，沥青裹覆集料，润滑的乳液能够提高击实效果，同时填充部分空隙。沥青用量过大时，混合料的流动性过高，可能导致击实过程中出现泌油现象。与掺PO52.5水泥的混合料不同，等量的含硫铝酸钙型固化剂在进行水化反应时，比PO52.5水泥消耗掉更多的水，转化成固体结晶水，使混合料的后期稳定度更高。与其他两个因素相比，含水率的影响程度最小，但也不容忽视，含水率低，则水泥水化不完全；含水率过高，水分的蒸发导致空隙率变大，从而影响混合料的强度和水稳性。

3.2 固化剂对混合料抗折强度和抗压性能的影响

经综合考虑，选用PO52.5水泥或含硫铝酸钙型固化剂时，冷拌冷铺混合料配合比的合理方案均为A3B2C3，即固化剂掺量为5.5%，油石比5.5%，含水率4%，含硫铝酸钙型固化剂的混合料稳定度为14.5 kN，掺PO52.5水泥的混合料稳定度为12.3 kN。针对以上两组最佳方案，进行抗折、抗压强度试验，结果如图1所示。

根据电位传感器中固体接触层的转导机理，金属纳米颗粒和碳材料属于双电层电容型固体接触层[7]，一方面借助金属纳米颗粒优异的导电性，另一方面纳米颗粒较大的比表面积，增大了有效的离子-电子转导。

图1 力学强度对比

由图1可知，掺含硫铝酸钙型固化剂的混合料4 h抗压强度比掺PO52.5水泥的混合料高1倍，4 h抗折强度是其1.6倍。由此可知，自制固化剂比PO52.5水泥的早强速凝效果更好。掺含硫铝酸钙型固化剂的混合料在3 d、28 d的抗折强度和抗压强度也高于掺PO52.5水泥的一组，其在28 d时的抗压强度达7 MPa，抗折强度为1.9 MPa。

3.3 固化剂对混合料微观结构的影响

图2为冷拌冷铺混合料的SEM图片及能谱分析。由图2可知，掺PO52.5水泥的混合料，其水化产物主要是水化硅酸钙，呈皱铂状大颗粒，有极少量的纤维状或针棒状的水化产物，起连接作用；而掺含硫铝酸钙型固化剂的混合料，则有大量的针状水化产物，主要为钙矾石。钙矾石一端裸露在外，另一端插入浆体内部，使水化产物相互连接，水化产物与沥青薄膜交织成空间网络结构，众多裸露在外的针状水化产物黏结到相邻的浆体表面，使水化产物及骨料之间相互胶接，增加浆体对集料的黏结能力，从而提高沥青混合料的稳定度，形成以沥青-固化剂复合材料为黏结剂的半刚性混合料。同时，由于乳化沥青及其聚合物和固化剂之间存在化学键合，强化了界面结合，提高了界面断裂能，故乳化沥青能够形成坚韧高强、具有连贯性的整体胶凝结构。

(a) 掺自制固化剂

(b) 掺PO52.5水泥
图2 冷拌冷铺混合料的SEM图片及能谱分析

(a)

(b)

(c)

(d)
图3 硫铝酸盐固化剂沥青混合料

由图3可知，用硫铝酸盐水泥做固化剂时，乳化沥青混合料的内部结构发生变化，刚开始水泥颗粒被沥青裹覆在其中，集料表面看起来完全被包裹住。随着水泥水化，钙矾石逐渐生成，如触角一般从沥青中冒出，它们不断发展，一端扎根于沥青中，另一端直线长大，会穿过空隙，长到其他集料的表面沥青中。当水化产物穿过沥青膜抵达集料表面后，如同水泥混凝土一样，两者会产生较强的黏结力。水化产物与破乳后的沥青形成一种空间网络结构，将集料紧密地连接为一体，如钢筋混凝土中钢筋的作用一般，而且在空隙较大的地方，水化产物会充分发展，填充空隙，提高密实度，从而提高混合料的强度。

由图4、图5可知，温度在80 ℃时，掺含硫铝酸钙型固化剂和PO52.5水泥的沥青拌合物，均有一个吸热峰，AFt发生分解，吸附水脱离，转化成低硫型水化硫铝酸钙(AFm)。图4中的吸热峰更明显，且失重更大，说明掺含硫铝酸钙型固化剂的沥青拌合物含有更多的钙矾石。图4中，220 ℃时有一个吸热峰，为AFm脱水时的特征吸热峰，自此，水化硫铝酸钙中以分子形式存在的水分全部脱除(所有的配位水和沟槽紧密结晶水)。由于掺PO52.5水泥的沥青拌合物中钙矾石含量较低，故未能显示。当温度升至450 ℃，两者都存在一个Ca(OH)2脱水的特征吸热峰，并伴随较大失重。由SEM的形貌、能谱元素和差热分析可知，掺自制固化剂更利于冷拌冷铺混合料的早期强度形成。

图4 自制固化剂沥青拌合物的差热分析

图5 PO52.5水泥沥青拌合物的差热分析

4 结语

(1) 本文通过正交试验，运用极差分析和方差分析的方法，研究了冷拌冷铺混合料的配合比设计，主要考虑了固化剂掺量、油石比和含水率三个因素。经综合考虑，掺两种固化剂的AC-13冷拌冷铺混合料的优化配合比均为: 固化剂掺量取5.5%，油石比5.5%，含水率4%。掺含硫铝酸钙型固化剂的混合料4 h抗压强度和抗折强度分别是掺PO52.5水泥的2倍和1.6倍，其稳定度为14.5 kN，高于掺PO52.5水泥混合料的12.3 kN。故含硫铝酸钙型固化剂更适于冷拌冷铺混合料早期强度的形成。

(2) 通过SEM及DTA/TG试验，研究了固化剂对冷拌冷铺混合料的作用机理，结果表明，含硫铝酸钙型固化剂发生水化反应后生成大量钙矾石，水化产物与沥青薄膜交织成空间网络结构，提高了沥青与集料之间的黏结力。每个钙矾石的形成需吸收32个水分子，含硫铝酸钙型固化剂与PO52.5水泥相比，可吸收更多的水，加速了乳化沥青破乳，使乳化沥青的黏结能力变好，进一步提高混合料的力学性能。

（2）质谱条件：ESI离子源，正离子模式，ESI喷雾电压4 500 V；雾化气（Gas1）：60 psi（1 psi＝6.895 kPa）；辅助气（Gas2）：50 psi；气帘气（CUR）：30 psi；离子源温度（TEM）450 ℃；去簇电压（DP）60 V；干燥氮气体积流量10 L/min，扫描范围m/z 200～800。

将式(4)中的投影点代入方程(8)，进而得到空间圆的圆心坐标和l值，将圆心坐标代入即可解出空间圆的半径R。

本文仅对冷拌冷铺混合料的组成设计和强度关系进行了初步研究，后期仍需对乳化沥青混合料的路用性能进行评价，尤其是乳化沥青混合料的疲劳性能及耐盐蚀性能。

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