MOH材料碾壓時機的實驗室研究

齊彥秋+焦生杰+閆玉奎+陳小雪

0 引 言

中國路面的設計都是遵循嚴格的行業規范，但是由于實際情況復雜多變，并且隨著通車量和通車年限的增長，許多路面在短期內都出現了各種早期病害，柔性路面出現車轍、擁包、裂縫、坑槽、橋頭跳車等早期損壞，剛性路面出現斷板、錯臺、裂縫、板角斷裂等早期病害，除去設計、施工、管理等因素，更與路面材料本身的性能有直接關系，因此新型耐久路面材料的研發對于提升路面性能、延長路面使用壽命至關重要。本文研究的水泥乳化瀝青復合水硬性材料（簡稱MOH材料）是一種常溫拌和、常溫攤鋪、常溫碾壓的新型路面材料，能較大程度滿足不同氣候及地理條件的公路建設和養護工程的需要[1-3]。該材料是將有機結合料（試驗用乳化瀝青）和水硬性材料（試驗用水泥）2種黏結材料進行二元功能或結構復合，使復合材料的性能介于柔性和剛性之間，剛柔并濟，取兩者之長，棄兩者之短，提升材料的整體性能，達到減少路面早期破壞、降低路面養護費用的目的。相比于熱拌瀝青混凝土，MOH材料的生產制備不但不需要依賴控制復雜且耗能巨大的熱拌瀝青混凝土拌和站，也不會像傳統的熱拌瀝青混凝土那樣，在制備和施工過程中產生揚塵、多環芳香烴（多環芳烴）和其他污染物，對人體健康造成傷害。它的生產制備只需要滿足物料精準配送和均勻拌和條件，而且在生產過程中用水泥代替了一部分瀝青結合料，可以降低瀝青用量，節約能源，減少污染，具有顯著的社會、經濟效益。同時，MOH材料已經在公路路面養護工程中得到較為廣泛的應用，表現出良好的施工性能。MOH材料作為一種冷拌混合料，在特殊的水相物質條件下具有良好的施工和易性[4-6]。材料轉運過程無須保溫，可調節的初凝期與良好的和易性為路面攤鋪創造了寬松的施工條件和質量控制條件。MOH材料通過變換有機及水硬性材料的用量可以表現出不同的力學性能，用于不同的施工場合和層位，如橋頭跳車、坑槽修補、微表處罩面、車轍修復和稀漿封層等，尤其在處理橋頭跳車問題上技術成熟，該技術是一種高科技路面養護新工藝[7-9]。采用MOH材料處治橋頭跳車的具體工藝為：先測量原路面高程，結合測量數據確定橋頭沉陷段的具體位置，然后針對沉陷部位采用分層攤鋪的方法進行填充，直至與原設計路面找平為止，然后再對沉陷部位進行整體罩面。

由于MOH材料具有良好的施工性能和優良的社會、經濟效益，逐漸成為國內外路面材料研究的熱點。美國從20世紀60年代起對MOH材料進行研究，此后日本、英國、澳大利亞、南非等國家也對此進行了研究。Baomy從混凝土的成型工藝出發采用裹漿集料制備水泥乳化瀝青混凝土，以提高水泥乳化瀝青混凝土的剛度和強度；Ming-Feng Kuo[10]研究了新拌水泥瀝青膠漿的和易性；G. Li[11]和 Tyler Rutherford[12]分別通過試驗研究了新拌水泥瀝青膠漿的力學性能；Jun Fu[13]對水泥乳化瀝青膠漿進行了微觀結構研究。國內也有一些研究人員致力于MOH材料的研究，2000年張思源[14]研究了水泥乳化瀝青混凝土的配合比設計；同濟大學的高英[15]、長安大學的袁文豪[16]先后對水泥乳化瀝青混凝土的配比和路用性能做了研究，并對強度形成的機理做了解釋；葉青[17]從乳化瀝青破乳成膜機理出發，提出了水泥乳化瀝青漿體硬化空間結構理想模型，并基于瀝青膜厚度的性能設計理念，通過電阻率的測試結果對水化進程進行了描述；歐陽劍[18]對水泥瀝青混凝土膠漿的流變性能進行了研究；謝永江[19]探討了溫度對水泥乳化瀝青砂漿韌性的影響。但在已有的研究成果中除了許建兵[20]提出了關于水泥乳化瀝青混合料的施工技術外，基本都是對水泥乳化瀝青復合材料本身性能的研究，且該套施工技術并未涉及到對MOH材料碾壓時機的研究。因此本文通過實驗室研究確定在一定拌和時間、一定環境溫度、一定拌和轉速下合理的碾壓時機范圍，為工程實踐提供依據。

1 試驗準備

1.1 試驗級配與原材料

集料級配是影響混合料性質的重要因素，MOH材料級配類型采用AC-13，集料級配組成如表1所示，MOH材料的原材料為乳化瀝青、水泥、水、纖維、粗集料、細集料和礦粉。

1.2 試驗設計

道路施工過程中，碾壓效果直接影響著道路質量的好壞，而碾壓時機是碾壓效果的重要影響因素，本文通過在實驗室試拌MOH 材料的研究方法來確定碾壓時機。因為MOH 材料的結果受試驗環境溫度、拌和時間及拌和轉速等多種因素影響[21-22]，所以參照課題組成員大量的實驗室研究結果，本次試驗的條件選定為：試驗溫度為25 ℃、攪拌時間為15 s、攪拌轉速為350 r·min-1。結合實際工程需要，試驗中配料5份，分別對應時間0、10、20、30、40 min，每份材料可制備3個試件，共15個試件，但由于試驗過程中受旋轉壓實儀的限制，實際得到的等待時間為0、10、16、20、22、26、30、32、36、40、42、46、52 min共13種。試驗中采用的拌和順序為：先將集料和水泥干拌，然后加水攪拌，最后加入乳化瀝青拌和。拌和完成后，將MOH 材料裝模，先模擬攤鋪機壓實20次，使MOH材料達到一定的壓實度；再模擬壓路機壓實180次。不同組間的變量為等待時間。利用實驗室攪拌器模擬攤鋪機攪拌器，實現MOH材料的制備，利用旋轉壓實儀模擬攤鋪機和壓路機的整個壓實過程。

2 試驗結果與分析

攪拌器拌和好的混合料如圖1所示。裝模后經過旋轉壓實儀壓實成型后放入60 ℃的烘箱，烘干48 h后取出降溫，降溫后經過取芯處理成型試件如圖2所示。成型試件在25 ℃水養箱中水養10 min后進行水中表干處理，通過計算可得試件的毛體積密度；再在20 ℃水養箱中水養2 h后對試件進行單軸壓縮試驗，可得到試件的抗壓強度峰值。

2.1 空隙率

空隙率是指塊狀材料中空隙體積占材料在自然狀態下總體積的百分比。

式中：VV為試件的空隙率（%）；γf為試件的毛體積密度，通常采用表干法測定； γt為MOH材料的理論最大相對密度。

空隙率是混合料最重要的體積特征參數，影響混合料的穩定性和耐久性，空隙率過低，塑性流動會引發路面車轍；但空隙率過大，可能增加瀝青的氧化速率和老化程度，并使水分進入量增加，導致瀝青剝落，從而降低混合料的耐久性[23-24]。試驗過程中求得的試件空隙率結果如圖3所示。

由圖3可知：在溫度為25 ℃、攪拌時間為15 s，攪拌轉速為350 r·min-1的條件下，MOH材料的空隙率在6%～8%，滿足冷拌瀝青混合料“空隙率不超過11%”的要求；隨著等待時間的增加，空隙率近似呈現先增大再減小、之后保持不變、最后再增大的趨勢。原因在于：隨著等待時間的增加，乳化瀝青破乳和水泥水化的程度較好，復合材料形成一定的空間結構，使得瀝青混合料的空隙率達到較低的值；但是當等待時間過長時，乳化瀝青破乳和水泥水化的復合材料結構已經形成，此時再進行壓實，多余的水分無法排出，水泥乳化瀝青混合料硬化，無法達到壓實效果，導致空隙率增大。

表2為空隙率試驗的離散性分析。由表2可知：等待時間選為16～36 min時，空隙率較總體均值小；且根據方差和離差系數可得空隙率值在該等待時間范圍內波動較小，其中，等待時間為16 min時MOH材料的空隙率最小。

2.2 抗壓強度峰值

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），采用單軸壓縮試驗進行MOH材料的力學性能測試[25-26]，通過試驗得到試件的抗壓強度峰值，如圖4所示。

由圖4可知，隨著等待時間的增加，試件的抗壓強度近似呈現先增后減的趨勢。原因是：當等待時間過長時，壓實中瀝青混合料中的水分無法排出，乳化瀝青破乳和水泥水化形成的空間結構被破壞，無法承受過高的壓力。

表3為抗壓強度離散性分析。由表3可得：當等待時間選為20～30 min時，試件的抗壓強度峰值均值較總體均值大，并且通過方差和離差系數分析可知在該范圍內抗壓強度峰值的波動較小，其中當等待時間選為26 min時，抗壓強度最高。

3 結語

（1）MOH材料的空隙率在6%～8%，滿足冷拌瀝青混合料“空隙率不超過11%”的要求，等待時間選為16～36 min時，空隙率比較小，且空隙率值變化不大，等待時間為16 min時MOH材料的空隙率最小。

（2）隨著等待時間的增加，試件的抗壓強度近似呈先增后減的趨勢，當等待時間選為20～30 min時，試件的抗壓強度峰值比較大，且在26 min時，試件的抗壓強度峰值最大。

（3）綜合考慮2種指標選定MOH材料在常溫下的碾壓時機范圍為20～30 min；當等待時間為26 min時，為最佳碾壓時機點。

（4）合理碾壓時機范圍在20～30 min內，MOH材料空隙率的均值為7.23%，方差為0.171 112 098，離散系數為0.019 357 522；抗壓強度的均值為2.526 725 MPa，方差為0.001 722 157，離散系數為0.016 423 979。由這些數據可知，在該范圍內MOH材料空隙率和抗壓強度的波動均很小，離散程度不高。

（5）本文只是在一定拌和時間（拌和均勻）、一定環境溫度條件和一定拌和轉速下得出的結論，環境溫度等其他因素對碾壓時機的影響還需要進一步研究。

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