关键词：沥青路面;冷拌冷铺;路用性能;SBS复合改性乳化沥青;
基金：广东省普通高校青年创新人才项目（自然科学），项目编号2018GkQNCX127;
无论是热拌还是温拌沥青混合料，在施工中都将消耗大量的燃料，排放的烟尘、废气及热量都严重影响环境。而冷拌冷铺沥青路面材料可在常温下施工，具有节能减排、环保低碳的特点。但在工程实践中常常将其用作微表处和稀浆封层，很少用于面层结构。究其原因是，早期的乳化沥青性能较差、黏结强度低导致混合料强度低、综合路用性能差。因此，如何提高乳化沥青混合料的高低温稳定性、抗水损害和抗变形能力，成为冷拌路面材料发展的方向，其中水泥乳化沥青和水性环氧乳化沥青混合料的研究成为热点[1,2,3,4]。乳化沥青混合料强度的形成实际是乳液破乳、水分蒸发的过程，而水泥的主要作用是促进乳液尽快破乳，通过水泥水化反应提高混合料早期强度并填充水分蒸发后形成的空隙，因此沥青的黏结力作用依然是混合料强度的主要组成部分。
本文从提高乳化沥青的性能入手，基于复合改性的方法，采用自制降黏剂降低SBS改性沥青乳化难度，配制固含量为70%的SBS改性乳化沥青[5];同时添加少剂量的水泥，以CAVF法设计级配，依据裹附试验和修正马歇尔试验确定最佳液体用量和最佳乳液用量，从而设计出一种性能优良的冷拌冷铺沥青路面材料。由于乳液中水含量的减少，填料可适度减少，从而减少了用水量，促进混合料早期强度的形成。乳化后SBS改性沥青的优良高低温性能和抗水损坏性能可为混合料的路用性能提供保证，最终减少对水泥剂量的依赖，保证其低温抗裂性能。
1 自制SBS复合改性乳化沥青
本文所用乳化沥青采用自制SBS复合改性乳化沥青。基于先改性后乳化的方法，因乳化沥青的固含量达70%(W/O型)乳化难度较大，使用自制有机降黏剂[6]降低SBS改性沥青黏度。具体制作过程详见文献[6]。
SBS复合改性乳化沥青的制备主要分为两个阶段：SBS改性阶段；乳化阶段。
(1)SBS改性阶段：
在基质沥青中依次加入LG051型SBS改性剂、自制有机降黏剂、HMD-2型改性沥青稳定剂，经专门搅拌设备机械搅拌、剪切、发育等过程后完成SBS复合改性沥青的制作。
(2)乳化阶段：
在水中添加某公司的PC系列乳化剂和PVA(稳定剂)、CaCl2(稳定剂)、HCl(调节pH值)制备皂液，皂液和SBS复合改性沥青经专门的乳化沥青机胶体磨分散乳化、加压冷却后形成SBS复合改性乳化沥青。
自制SBS复合改性乳化沥青基本性能见表1。表1中的常规SBS改性乳化沥青为在市面上购买的广东某公司生产的用于微表处的SBS改性乳化沥青。由表1的数据可知，SBS复合改性乳化沥青总体性能较常规的SBS改性乳化沥青优良，且符合现行路面施工技术规范要求。
表1 乳化沥青基本性能
乳化沥青性能 | 自制SBS复合改性乳化沥青 | 常规SBS改性乳化沥青 | BCR技术要求 | |
筛上剩余量(1.18 mm)/% | 0.05 | <0.1 | ≤0.1 | |
破乳速度 | 慢裂 | 慢裂 | 慢裂 | |
粒子电荷 | 阳离子(+) | 阳离子(+) | 阳离子(+) | |
标准黏度/s | 26 | 25 | 12～60 | |
蒸发残留物 | 含量/% | 70 | 60 | |
针入度(25℃)/0.1 mm | 62 | 55 | 40～100 | |
延度(5℃)/cm | 46 | 30 | ≥20 | |
软化点/℃ | 78 | 68 | ≥53 | |
溶解度/% | 99 | 98 | ≥97.5 | |
储存稳定性(5 d)/% | 3.1 | <5 | ≤5 | |
2 材料设计
本文的混合料结构采用骨架密实型结构，水分蒸发及参与水化反应后的孔隙将由水化产物填充，因此级配设计采用CAVF法[7]。级配见表2,其中填料用量为6%(水泥用量为1%)。
表2 混合料级配
项目 | 通过下列筛孔(mm)的质量百分率/% | |||||||||
16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
混合料级配 | 100 | 96.5 | 71.3 | 28.8 | 22.0 | 17.3 | 14.1 | 11.7 | 10 | 8.9 |
以裹附试验确定混合料最佳液体用量(OTLC)。OTLC是乳化沥青含水量、集料含水量以及混合料外加用水之和，以完全裹附集料、无多余浆液流淌作为标准。如达不到该标准，即以0.2%～0.4%为变量酌情增减水量。以表2中的级配数据拌和，经试拌后，混合料的OTLC值为4.3%。外加用水量依据该值进行调整，如表3所示。
表3 修正马歇尔试验的OTLC值
乳液用量/% | 沥青用量/% | 外加水掺量/% | OTLC值/% |
6.0 | 4.20 | 2.50 | 4.3 |
7.5 | 5.25 | 2.05 | 4.3 |
8.0 | 5.60 | 1.90 | 4.3 |
8.5 | 5.95 | 1.75 | 4.3 |
9.0 | 6.30 | 1.60 | 4.3 |
以修正马歇尔试验法确定最佳乳液用量。本文参考交通运输部阳离子乳化沥青课题组的修正马歇尔试验法，试件击实分两次完成，试件成型时击实25下，养生完成后击实25下。养生分两组，一组(编号为L1)是在室内常温下养生48 h, 马歇尔试验温度为25℃,表征材料的前期强度；另外一组(编号L2)是在60℃(温度为100℃时不利于水泥水化反应的进行)的烘箱下养生48 h, 马歇尔试验温度是40℃,表征材料的后期强度。
以上述级配设计、OTLC值及成型方法通过马歇尔试验法确定最佳乳液用量为8.4%。
3 路用性能
3.1强度
依据上述级配、OTLC值及最佳乳液用量确定方法，成型水泥掺量为0～4%的相关试件，按现行规范[8]进行马歇尔试验和劈裂试验。其中：L1组表征前期强度，马歇尔试验温度为25℃;L2组表征后期强度，马歇尔试验温度为60℃。劈裂试验温度统一为15℃。试验结果见表4。
表4 马歇尔和劈裂试验强度
水泥掺量/% | 组别 | 马歇尔稳定度kN马歇尔稳定度kΝ | 劈裂强度MPa劈裂强度ΜΡa | 养护条件 |
0 | L1 | 8.4 | 0.32 | 室温 |
L2 | 7.6 | 0.64 | 烘箱 | |
1 | L1 | 14.7 | 0.43 | 室温 |
L2 | 11.8 | 0.76 | 烘箱 | |
2 | L1 | 15.3 | 0.56 | 室温 |
L2 | 12.4 | 0.87 | 烘箱 | |
3 | L1 | 16.2 | 0.63 | 室温 |
L2 | 13.5 | 0.92 | 烘箱 | |
4 | L1 | 17.6 | 0.71 | 室温 |
L2 | 14.3 | 1.3 | 烘箱 |
由表4可知，两组试件随着水泥用量的增加，马歇尔稳定度和劈裂强度都随之增加。水泥的掺入，无论是前期还是后期，水化产物的形成都增强了材料的强度。同时需要注意的是，如不掺加水泥，乳化沥青混合料的最终强度(L2数值)仍低于8 kN。这表明掺入水泥提高冷拌料强度的必要性。马歇尔试验L2的数据低于L1,主要是由于L1的试验温度较L2低所致。
3.2高温性能
以车辙试验评价其高温性能，试验温度为60℃,试件为L2组的养护条件，试验结果见表5。
表5 车辙试验结果
水泥掺量/% | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 规范要求 |
动稳定度/(次/mm) | 4 789 | 6 893 | 7 726 | 8 996 | 12 720 | ≥2 800 |
由表5可知，即使未掺入水泥，冷拌沥青混合料动稳定度值仍远大于规范要求。这表明本文所研制的SBS复合改性乳化沥青具有较佳的黏结能力和高温抗变形能力，由其拌和的冷拌沥青混合料具有较高的高温稳定性。随着水泥掺量的增加，动稳定度不断增加，这表明水泥的掺入提高了混合料的强度和刚度。
3.3低温性能
以小梁低温弯曲试验评价其低温性能，试件为L2组的养护条件，试验温度为-10℃,试验结果如表6所示。
表6 小梁低温弯曲试验结果
水泥掺量/% | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 规范要求 |
最大弯拉应变/με | 3 178 | 2 934 | 2 703 | 2 387 | 2 116 | ≥2 500 |
由表6数据可知，随着水泥掺量的增加，最大弯拉应变值不断降低，低温性能下降，当掺量为3%时已不能满足规范要求。这表明水泥的掺入会降低材料的低温变形能力，使得材料变脆。从低温稳定性的角度考虑，应控制水泥用量。
3.4抗水损害性能
以浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价其抗水损害性能，试件为L2组的养护条件，试验结果见表7。
表7 浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果
水泥掺量/% | 稳定度/kN | 浸水残留 | 劈裂抗拉强度/MPa | 冻融劈裂 | ||
未浸水 | 浸水48 h | 未冻 | 冻融 | |||
0 | 7.8 | 5.9 | 75.6 | 0.67 | 0.42 | 62.7 |
1 | 11.6 | 10.4 | 89.7 | 0.81 | 0.69 | 85.2 |
2 | 12.7 | 11.6 | 91.3 | 0.93 | 0.81 | 87.1 |
3 | 13.2 | 12.3 | 93.2 | 1.05 | 0.93 | 88.6 |
4 | 14.7 | 13.9 | 94.6 | 1.18 | 1.07 | 90.7 |
规范要求 | ≥85 | ≥80 | ||||
由表7数据可知，在未掺入水泥的情况下，冷拌乳化沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均较低，无法满足技术规范要求。在掺入水泥后，材料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比不断增大，说明水泥的掺入有助于冷拌乳化沥青混合料抗水损害能力的提高。
3.5强度形成时间
乳化沥青混合料往往早期强度较低，强度形成时间较长，而本文旨在通过增加沥青固含量和掺入水泥以便较快形成强度。为此以强度形成率QD评价强度形成时间，见公式(1)。
QDi=PiP0×100% (1)QDi=ΡiΡ0×100% (1)
式中：将室温养生若干天的试件进行劈裂试验，其强度为Pi(i为养生天数);L2组养护条件下试件的劈裂强度值视为最终强度P0。
本文选购了市面常见的广东某公司生产的微表处用SBS改性乳化沥青(沥青含量60%,性能见表1),与自制SBS复合改性乳化沥青对比，将室温养生2 d、7 d、14 d、21 d、28 d的试件进行劈裂试验，按公式(1)计算强度形成率，结果见图1。
由图1可见，由于固含量较高，即使未掺入水泥，由自制SBS复合改性乳化沥青所拌制的冷拌乳化沥青混合料强度形成速度仍较快，在21 d已达到97%左右，基本接近最终强度。而市面常见的微表处用SBS改性乳化沥青混合料在28 d才接近最终强度。另外，水泥掺量为1%的试件，相同龄期下其强度形成率为3者中最高，说明水泥的掺入，材料的强度形成速度也较快。
图1 强度形成率变化曲线
4 结语
采用高固含量、高性能的自制SBS复合改性乳化沥青，掺入少量水泥，制备冷拌冷铺沥青路面材料。以CAVF法设计级配，依据裹附试验和修正马歇尔试验确定最佳液体用量和最佳乳液用量，通过马歇尔、车辙、浸水马歇尔、冻融劈裂等系列室内试验取得以下结论。
(1)由自制SBS复合改性乳化沥青掺入少量水泥拌制的冷拌冷铺沥青路面材料，早期强度形成较快，强度较高，21 d时接近最终强度。其高温性能较好，水泥掺入量越高强度越大。掺入水泥后的材料水稳定性较好，其性能与水泥掺入量成正比。
(2)水泥的掺入降低了材料的低温变形能力，在水泥掺入量为3%时，其低温性能已不能满足规范要求。综合各项路用性能，水泥掺量应控制在3%以内。综合考虑经济性与路用性能，最佳水泥掺量为1%。
(3)所提出的冷拌冷铺沥青路面材料各项路用性能均符合现行路面施工技术规范要求，后期将持续改良SBS复合改性乳化沥青的配比及工艺，进一步降低材料成本，为其推广应用奠定基础。
参考文献
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