無機填料對冷補瀝青混合料強度的影響

（1.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074；

2.重慶暄潔環保產業（集團）股份有限公司，重慶 400039）

無機填料對冷補瀝青混合料強度的影響

（1.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074；

2.重慶暄潔環保產業（集團）股份有限公司，重慶 400039）

以水泥作為填料添加到自制冷補瀝青和集料中配制了冷補瀝青混合料.通過測試其初始穩定度和成型穩定度研究不同水泥用量對冷補瀝青混合料強度的影響；確定最佳水泥用量后，分別以粉煤灰、硅灰、混合填料（水泥－粉煤灰，水泥－硅灰）替代水泥，比較不同類型無機填料對冷補瀝青混合料強度的影響.結果表明：水泥最佳用量為3%，硅灰對冷補瀝青混合料強度的提高較為顯著，混合填料對冷補瀝青混合料強度的提高效果較差.不同類型無機填料對冷補瀝青混合料初始強度的影響差別較小，最大相差為17.2%，對成型強度的影響差別較大，最大相差達67.9%.

冷補瀝青混合料；無機填料；初始穩定度；成型穩定度

0 引 言

瀝青路面修補的普遍方法是熱拌熱補.與之相對，冷補瀝青混合料具有施工方便，能快速開放交通，可不受季節限制的優點［1－2］.早在20世紀30～40年代，前蘇聯和美國就開始了冷補瀝青混合料的研究與應用，隨后日本和歐洲各國也對冷補瀝青混合料進行了大量研究，我國在20世紀90年代末才開始冷補瀝青混合料的研究［3－9］.在應用過程中發現，采用冷補瀝青混合料進行修補的路面損壞情況也比較嚴重，強度不高是導致路面損壞的一個重要原因.冷補瀝青混合料的強度分為初始強度和成型強度，影響冷補瀝青混合料初始強度和成型強度的因素有很多，其中填料在瀝青混合料中的作用非常重要［10］，填料與瀝青的相互作用形成的瀝青膠漿，不僅填充粗細集料間的空隙，而且在粗細集料間產生粘結作用，將粗細集料結合成一個整體.本文通過選擇合適的填料類型和用量來研究了提高冷補瀝青混合料強度的途徑.

1 實驗部分

1.1 原材料

主要原材料有：冷補瀝青（實驗室自制），玄武巖（山東齊磊玄武巖石材有限公司），32.5復合硅酸鹽水泥（華新水泥有限公司），硅灰（云南某鐵合金廠），粉煤灰（武漢東湖高新熱電廠）.經檢驗，原材料都符合規范要求.

1.2 配合比設計

采用的級配類型為 AC-13，根據JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》的規定及貝雷法級配設計［11］，最終確定冷補瀝青混合料合成級配如表1所示.

表1 冷補瀝青混合料設計級配Table 1 The design grading of cold asphalt mixture

同濟大學呂偉民［12］等曾對冷補瀝青混合料中瀝青最佳用量總結得到一經驗公式：

式（1）中：P為冷補瀝青質量分數，%；a為大于2.36 mm 顆粒質量分數，%；b為0.3 mm～2.36 mm顆粒質量分數，%；c為0.075 mm～0.3 mm顆粒質量分數，%；d為小于0.075 mm顆粒質量分數%.根據公式（1）確定本試驗冷補瀝青最佳用量為5.0%.

1.3 實驗步驟

a.冷補瀝青混合料的拌制.按照設計級配制石料，并配制好設計配比的填料，將二者混合放入瀝青混合料拌和機（BH-20型）拌和5 min，瀝青混合料拌和機拌合溫度在30～40℃之間，然后加入5%的自制冷補瀝青，再攪拌3～5 min，即得冷補瀝青混合料.

b.冷補瀝青混合料馬歇爾試驗.初始穩定度（Initial Marshall Stability，MS1）測試：將拌和好的冷補瀝青混合料在常溫下裝入試模中，雙面各擊實75次，保持試件直徑為（101.6±0.2）mm，高度為（63.5±1.3）mm，然后連同試模在常溫（25℃）下豎立放置24 h，脫模后進行馬歇爾試驗［13-15］.

成型穩定度（Molding Marshall Stability，MS2）測試：將拌和好的冷補瀝青混合料在常溫下裝入試模中，雙面各擊實50次，連同試模一起以側面豎立方式置于烘箱在高溫（110℃）下不脫模養生24 h，然后再雙面各擊實25次，保證馬歇爾試件直徑為（101.6±0.2）mm，高度為（63.5±1.3）mm，然后連同試模在常溫（25℃）下豎立放置24 h，脫模后在60℃恒溫水槽中養生30～40 min，進行馬歇爾試驗［13－15］.

c.車轍試驗.將拌和好的冷補瀝青混合料放入試模中，用輪碾成型法制作車轍試驗試塊，其尺寸為300 mm×300 mm×50 mm.然后采用成型穩定度的養生方法進行養生，最后根據JTJ052-2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中車轍試驗方法進行試驗.

2 結果與討論

2.1 水泥的影響

冷補瀝青混合料的強度分為初始強度和成型強度.在冷補瀝青混合料的攤鋪初期，為了能夠快速開放交通，就必須具有一定的初期強度來承受行車荷載.初期馬歇爾穩定度測試的目的就是為路面的早期快速開放交通提供依據.日本［16］冷補瀝青混合料的初始強度要求大于2.5 k N，長安大學的延西利［13］提出初始強度應大于3.5 k N.而在鋪筑的后期，為了能夠達到路面修補的良好效果，需要有很好的成型強度，成型馬歇爾穩定度的測試的目的就是為路面修補效果提供依據.《公路瀝青路面施工技術規范》提出成型馬歇爾穩定度應不小于3 k N，而多數學者認為標準過低，同濟大學呂偉民［12］等提出應不小于4 k N，長安大學延西利［13］提出應大于5 k N.

圖1為不同水泥摻量對冷補瀝青混合料初始強度和成型強度的影響.

圖1 不同水泥用量對冷補瀝青混合料強度的影響Fig.1 Effects of the amount of cement on the strength of cold asphalt mixture

從圖1中可看出，冷補瀝青混合料的初始強度和成型強度都符合標準要求.且隨著水泥用量的增大，初始強度和成型強度也隨之增大，在水泥質量分數達到3%后，基本趨于平緩.其原因可從瀝青混合的形成機理［17］來分析：瀝青混合料的強度主要由兩部分組成：礦料間的嵌擠力、內摩阻力和瀝青膠漿對粗細集料的粘聚力.而瀝青只有吸附在填料的表面形成薄膜，才能對粗細集料產生粘結作用.并且，在薄膜以內的瀝青為結構瀝青，在薄膜以外的瀝青為自由瀝青.結構瀝青粘度較高，具有較高的粘聚力，自由瀝青粘度較低，使得粘聚力降低.在沒有加入填料時，瀝青混合料的強度主要由礦料間的嵌擠力組成.加入填料后，瀝青與填料相互作用形成的瀝青膠漿對粗細集料開始產生粘結作用，這時，瀝青混合料的強度增長主要依靠粘聚力的增長.當水泥用量較低時，瀝青在填料表面不足以形成較多的結構瀝青，更多的是自由瀝青，因而強度不高.隨著水泥用量的增加，結構瀝青就會越來越多，強度也隨之不斷增大，當水泥質量分數達3%時，結構瀝青已經基本達到飽和.再加入水泥時，結構瀝青的量也只是趨于飽和狀態，因而，初始強度和成型強度增長趨于平緩.綜述以上分析，選取3%的水泥用量為最佳值.

2.2 硅灰、粉煤灰與水泥的對比

圖2為水泥、粉煤灰、硅灰（用量均為3%，質量分數，下同）冷補瀝青混合料強度的比較.圖3為水泥、粉煤灰、硅灰冷補瀝青混合料車轍試驗的比較.

圖2 不同類型填料的冷補瀝青混合料強度的比較Fig.2 Comparations of different types of fillers on the strength of cold asphalt mixture

從圖2中可以看出，在加入水泥、粉煤灰、硅灰后，冷補瀝青混合料的初始強度相差很?。ㄏ嗖钭畲笾挥?.7%），成型強度的差別比較大（相差最大為49.3%）.這是因為在冷補瀝青混合料初始強度形成時，因有溶劑的存在而使得冷補瀝青的粘度較低，在加入足夠量的填料后，雖然已經形成足夠的結構瀝青，但因冷補瀝青的粘度較低，瀝青膠漿對粗細集料的粘結作用不強，粘聚力也比較低，此時冷補瀝青混合料的強度主要來源于礦料之間的嵌擠力［10］.雖然不同類型的填料因自身性質的不同與冷補瀝青形成的瀝青膠漿在結構瀝青的量上有些差別，并有可能對冷補瀝青的粘度有一定的影響，但因礦料之間的嵌擠力對冷補瀝青混合料的初始強度起著主導作用，因而不同類型的填料對冷補瀝青混合料的初始強度的影響差別不大.在冷補瀝青混合料成型強度的形成過程中，隨著冷補瀝青中溶劑的揮發，冷補瀝青的粘度隨之增大，瀝青膠漿對粗細集料的粘結作用也隨之不斷增強，與此同時，粘聚力也不斷增強.冷補瀝青混合料成型強度主要是在初始強度的基礎上，依靠粘聚力的增長而不斷形成的.硅灰因其比表面積遠遠大于水泥和粉煤灰的，能吸附更多的冷補瀝青，冷補瀝青在與硅灰相互作用時形成的瀝青薄膜更薄，結構瀝青所占的比例也就越大，因而對粗細集料的粘結作用更強，粘聚力也就越大.所以，加入硅灰的成型強度相對于加入水泥、粉煤灰的成型強度要高.

良好的抗車轍性能是瀝青混合料高溫穩定性能的保證，車轍試驗可很好的反映瀝青混合料的高溫穩定性能.在實驗中對未添加任何無機填料的冷補瀝青混合料進行了車轍試驗，其最大變形量超過了25 mm，也即是無法測出其動穩定度.圖3是添加不同無機填料的車轍試驗結果，從圖可以看出水泥、粉煤灰、硅灰的加入很明顯的改善了冷補瀝青混合料的抗車轍性能，其中，硅灰的加入效果最顯著（比水泥和粉煤灰分別高出41.4%、68.8%）.車轍試驗的結果與圖2中水泥、硅灰、粉煤灰高溫強度（成型穩定度）的試驗結果一致，可相互印證.

圖3 車轍試驗結果Fig.3 Results of dynamic stability of cold asphalt mixture

2.3 混合填料的影響

圖4、圖5是不同配比的水泥－粉煤灰、水泥－硅灰（摻加總量均為3%）對冷補瀝青混合料強度的影響.從圖4、圖5中可以看出，水泥－粉煤灰、水泥－硅灰在不同配比時，冷補瀝青混合料的初始強度和成型強度相差都不大.這是因為在摻加總量相同的情況下，礦料間的嵌擠力在冷補瀝青混合料的初始強度的形成過程中起著主導作用，也因為在各配比的水泥－粉煤灰、水泥－硅灰之間的填料組成成分相差不大，對應的成型強度在形成過程中的差別也就不大.從圖中還可以看出，摻加水泥－粉煤灰的冷補瀝青混合料，在初始穩定度和成型穩定度上都稍稍小于摻加水泥－硅灰的冷補瀝青混合料.其原因可以從填料組成成分和其之間的不同理化性質來分析，雖然在水泥－硅灰中硅灰的用量比例較小，而水泥－粉煤灰中的粉煤灰用量較大，但因其比表面積遠大于粉煤灰，可以吸附更多的瀝青，形成更多的結構瀝青，在一定程度上可以彌補用量的不足；另外，水泥－硅灰中的水泥用量相對水泥－粉煤灰中要多，而水泥可能會吸收集料表面的少量水分而水化成網狀水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，再和瀝青接觸時，網狀結構可以更牢固地吸附瀝青，從而使“結構瀝青”更多.所以，摻加水泥－硅灰的冷補瀝青混合料強度稍高于摻加水泥－粉煤灰的冷補瀝青混合料.而相對于各種填料單獨使用的效果來看，水泥－粉煤灰和水泥－硅灰這種混合使用的填料效果不佳，不但沒有提高其強度，相反初始穩定度和成型穩定度都有一定程度的降低.究其原因，可能是水泥與粉煤灰、水泥與硅灰之間發生了某些化學作用而影響了瀝青的性質，降低了瀝青膠漿對礦料的粘聚作用.

圖4 不同配比的水泥－粉煤灰對冷補瀝青混合料強度的影響Fig.4 Effects of different promotions of cement-fly ash on the strength of cold asphalt mixture

圖5 不同配比的水泥－硅灰對冷補瀝青混合料強度的影響Fig.5 Effects of different promotions of cement-silicon ash on the strength of cold asphalt mixture

3 結 語

a.填料的用量對冷補瀝青混合料的強度有較大的影響，在加入水泥時，其最佳用量為3%，此時冷補瀝青混合料的初始強度和成型強度分別為5.57 k N和8.04 k N.

b.硅質對冷補瀝青混合料強度的影響效果最為顯著，混合填料對冷補瀝青混合料強度的影響效果較差.不同類型的填料對冷補瀝青混合料的初始強度的影響差別較?。ㄏ嗖钭畲?7.2%），對成型強度的影響差別較大（相差最大67.9%）.

c.相對于各種填料單獨使用，水泥－粉煤灰、水泥－硅灰混合填料的使用降低了冷補瀝青混合料的強度，可能是水泥與粉煤灰、水泥與硅灰之間發生了某些化學作用而影響了瀝青的性質，降低了瀝青膠漿對礦料的粘聚作用，其具體原因還待進一步研究.

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Inorganic fillers on strength of cold patching asphalt mixture

YANG Liang1，MENG Wen-zhuan1，WANG Xue-hua1，XIA Zhi1，WANG Xin-yi1，XUE Jun1，CAO Hong1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Chongqing Sage Environmental Industries Co.，Chongqing 400039，China）

Cold asphalt mixture was prepared by blending self-made cold patching asphalt with aggregates，and using cement as filler.We studied the different amount of cement on the strength of the cold asphalt mixture based on the initial Marshall stability experiment and molding Marshall stability experiment.When the optimum amount of cement was determined，fly ash，silicon ash and mixed filler were used to replace cement respectively，then the different fillers on the strength of the cold asphalt mixture were analyzed.The results show that the optimum amount of cement is 3%，silicon ash can enhance the strength of the cold asphalt mixture obviously，but the mixed filler can't.The different kinds of fillers have similar influence on the initial Marshall stability of the cold asphalt mixture，whose disparity is 17.2%，but have dissimilar influence on the molding Marshall stability of the cold asphalt mixture，whose disparity is 67.9%.

cold patching asphalt mixture；inorganic fillers；initial Marshall stability；molding Marshall stability

龔曉寧

U414

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.012

1674－2869（2011）11－0047－05

2011－10－10

楊 亮（1986－），男，湖北鄂州人，碩士研究生.研究方向：新型道路材料.

指導老師：曹 宏，男，博士，教授.研究方向：新型炭材料與膠凝材料.＊通信聯系人