CN102773923A - 一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于公路与城市道路技术领域，具体涉及一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法，其关键在于试件的击实和养生技术、最佳总用水量和最佳乳化沥青用量的确定。本发明针对乳化沥青料特殊的强度形成过程，对于配合比设计的不同阶段采取了不同的、特殊的击实方法和养生条件，用以确定最佳总含水量和最佳乳化沥青用量。其中的击实方法和养生条件模拟了现场实际情况、考虑了沥青路面的早期损坏。最佳总含水量和最佳乳化沥青用量确定后，采用了特殊的击实方法和养生条件进行相关试验，评价了乳化沥青冷补液混合料在使用初期的水稳定性和抗剥落能力。本发明考虑周全、实用性强，按照本发明进行设计得到的乳化沥青冷补混合料可以获得良好的路用性能。
Description
技术领域
本发明属于公路与城市道路技术领域，具体涉及一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法。
背景技术
沥青路面在铺筑之后，为了保证其高水平的服务性能，必须对使用中的路面进行有计划的、及时的维修和养护。
目前，用于沥青路面修补的材料主要为热拌沥青混合料，其次是冷补沥青混合料和乳化沥青混合料。
热拌沥青混合料的生产、运输、施工都需要高温，受施工季节的影响较大，沥青混合料在气温较低时不易压实，这就导致寒冷地区冬季出现的沥青路面松散、坑槽等病害不能得到及时有效的处理；对于地段分散、工程量小的沥青路面修补以及偏远地区沥青路面修补，不仅因为数量太少而沥青混合料拌合厂难以生产，而且施工单位对于沥青混合料的保温和修补操作也会感到不便；热拌沥青混合料还会污染环境，影响施工技术人员的身心健康。
常用的冷补沥青混合料以稀释沥青为胶结料，其中多含有轻质油分（多数为柴油），虽然这种冷补材料具有良好的施工和易性、水稳定性，而且储存时间也比较长，但由于混合料中含有较多的轻质油分，挥发十分缓慢，会对混合料的强度和耐久性带来不利影响。
乳化沥青冷补混合料能克服上述的各种缺点，在沥青路面修补中优势明显：
（1）费用小。根据国内外实践，乳化沥青比热沥青养护可降低工程造价50%以上。
（2）节省能源，节约资源。根据国内外资料，乳化沥青可比热沥青节省热能70%以上，从而节约大量能源。
（3）改善施工条件，减少环境污染。乳化沥青为常温施工，避免加热，减少了环境污染，改善了施工技术人员的工作条件。
（4）修补及时，施工快捷方便，及时提高路面的服务性能。
（5）延长施工季节。在阴雨与低温季节，正是沥青路面发生病害较多的季节，乳化沥青混合料的施工可不受其限制，可及时进行修补。
因此，乳化沥青冷补混合料的应用具有重要的现实意义，同时国内外对于乳化沥青混合料配合比设计还没有形成一个较为系统和完整的体系，鉴于这种混合料在道路修补方面的优越性，有必要发明一种确定乳化沥青冷补混合料配合比的设计方法。
发明内容
为了使乳化沥青冷补混合料获得较好的路用性能，本发明的目的在于提供一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法。
由于乳化沥青混合料相对于热拌沥青混合料有着不同的强度形成过程，所以合理、可靠的乳化沥青混合料配合比设计方法是保证其使用耐久的重要环节之一。其中的关键在于试件的击实和养生、最佳乳化沥青用量和最佳总用水量的确定。
本发明提出的一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法，具体步骤如下：
（1）对乳化沥青、粗集料、细集料及矿粉等原材料进行性能检测，要求符合《公路沥青路施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关规定。
（2）根据不同的沥青混合料类型，结合实际工程所需以及按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的级配规定，确定出一组合适的粗集料、细集料和矿粉配比。
（3）将粗集料、细集料和矿粉置于105℃±5℃的烘箱中烘干至恒量，烘干时间为4~6h，并在干燥的环境中冷却至室温；按照步骤(2)所确定的粗集料、细集料和矿粉的配比，按每个试件的质量计算并称取各档矿质集料的用量。
（4）根据实践经验或相关理论公式，估算出一个乳化沥青用量，即根据乳化沥青与粗集料、细集料和矿粉总质量的质量之比从1%~3%按0.5%的间隔变化，取五个不同的外加水量，拌制乳化沥青混合料，并击实成型试件。在一定条件下养生后，测定试件的毛体积密度、空隙率等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，由此参考《公路沥青路施工技术规范》（JTG F40-2004）中确定最佳油石比的方法确定出最佳外加水量，并计算出最佳总用水量（即最佳外加水量与乳化沥青中水含量之和，与矿质混合料质量之比）。
（5）根据步骤（4）中所估算的乳化沥青用量，按1%的间隔变化，取五个不同的乳化沥青用量，按步骤（4）中确定的最佳总用水量确定每个乳化沥青用量下的外加水量，拌制乳化沥青混合料，并击实成型试件。在两种不同的条件下养生后，测定试件的毛体积密度、空隙率的等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，并参考《公路沥青路施工技术规范》（JTG F40-2004）中确定最佳油石比的相关方法确定最佳乳化沥青用量。
（6）按照以上步骤设计的最佳总用水量和最佳乳化沥青用量，拌制乳化沥青混合料并成型试件，在一定的条件下养护后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中T0790-2011和70733-2011的方法进行浸水马歇尔试验和肯塔堡飞散试验，计算出残留稳定度和飞散损失，以验证乳化沥青混合料的水稳定性和集料与沥青的黏结强度。
本发明中，步骤（4）中所述击实方法和养生条件，具体为：乳化沥青混合料在常温下拌制并装进试件后，上、下面各击实50次，在室温下（15℃~25℃）于模内养生24h，然后脱模并测定试件的毛体积密度、20℃时的马歇尔稳定度和流值。
本发明中，步骤（4）中估算乳化沥青用量可采用以下方法：首先按下式估算油石比（沥青与矿质混合料质量之比），
Pb=设计沥青膜厚度h(μm)×(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/4.874
式中：Pb—初试油石比，%。
a、b、c、d、e、f、g—分别为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm筛孔的通过百分率，%。
沥青膜的厚度取值在6~8μm之间。估算出油石比后，再根据所使用的乳化沥青中沥青含量折算出所需的乳化沥青用量。例如，由上式得油石比为4.8%，乳化沥青中沥青含量为60%，则所需乳化沥青用量为（4.8/0.6）%=8%。
本发明中，步骤（5）中试件的击实方法与养生条件，具体为：将拌制好的乳化沥青混合料分成两组，即常温试件与高温试件；常温试件在制作时上、下两面各击实50次，在室温下（15℃~25℃）模内养生24h后，上、下两面再各击实25次，继续室温下模内养生24h，最后脱模并在20℃条件下测其马歇尔稳定度与流值，用来评价乳化沥青混合料的初期强度；高温试件在制作时上、下两面各击实50次，在110℃烘箱中模内养生24小时后，于110℃上、下面再各击实25次，置于室温下模内养生24h，脱模后在60℃条件下测其马歇尔稳定度和流值，用来评价乳化沥青混合料的后期强度。
本发明中，步骤（6）中的击实方法和养生条件，具体与步骤（5）中所述的常温试件击实方法和养生条件相同，评价了乳化沥青混合在初期的水稳定性和抗剥落能力，以防止早期破坏。
本发明中，试件的成型与养护考虑了乳化沥青混合特殊的强度形成过程，充分模拟了现场实际情况，使得室内试验结果具有指导现场施工的意义；对于最佳总用水量的确定步骤（步骤4）的试件、最佳乳化沥青用量的确定步骤中的常温试件（步骤5）和步骤（6）中配合比检验的试件，其击实方法和养护条件模拟了初期强度的形成，考虑到了路面的早期损坏，并从配合比设计中进行了预防。
本发明中，矿质粗集料、细集料和矿粉称为矿质集料。
本发明考虑周全，是一种实用性强的配合比设计方法。
具体实施方式
下面通过具体实例来进一步说明本发明，下述实例仅用于说明本发明而非对本发明的限制。
实施例1：
（1）配合比设计中所使用的乳化沥青为一种改性慢裂慢凝型阳离子乳化沥青，其各项技术符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中的要求，其沥青含量为60.1%；所使用的集料为石灰岩，符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对一级道路沥青混合料用集料要求。
（2）为使本次实施例具有代表性，采用沥青路面设计常用的AC-13级配，级配组成如表1：
表1 矿料级配组成
| 粒径（mm） | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率（%） | 100 | 96.7 | 76.5 | 60.3 | 43.4 | 33.6 | 23.2 | 14.7 | 10.5 | 7.2 |
（3）按照发明内容中所述公式，根据矿料级配组成估算出油石比为4.73%，折合成乳化沥青用量为（4.73/0.601）%=7.87%，为方便可取为8%。用1%、1.5%、2%、2.5%、3%的外加水量，按发明内容中的步骤（4）所述成型与养护试件，并进行相关试验，结果如表2：
表2 最佳总用水量试验结果
| 外加水量（%） | 乳化沥青用量（%） | 总用水量（%） | 毛体积相对密度（g/ mm3） | 空隙率(%) | 稳定度(kN) | 流值(0.1mm) |
| 1.0 | 8 | 4.19 | 2.239 | 12.1 | 8.2 | 43.1 |
| 1.5 | 8 | 4.69 | 2.328 | 8.6 | 8.9 | 38.5 |
| 2.0 | 8 | 5.19 | 2.357 | 7.5 | 9.7 | 36.3 |
| 2.5 | 8 | 5.69 | 2.359 | 7.4 | 9.5 | 35.4 |
| 3.0 | 8 | 6.19 | 2.356 | 7.5 | 9.4 | 36.2 |
依据试验结果，参考《公路沥青路施工技术规范》（JTG F40-2004）中确定最佳油石比的相关方法，确定出最佳总用水量为：OWC=5.4%。
（4）确定出最佳总用水量后，取6%、7%、8%、9%、10%五个乳化沥青用量，按发明内容中的步骤（5）成型与养护试件，并进行相关试验，结果如表3和表4：
表3 常温养护试件试验结果
| 乳化沥青用量% | 毛体积相对密度（g/ mm3） | 空隙率% | 稳定度kN | 流值（0.1mm） | 饱和度% | 矿料间隙率% |
| 6 | 2.341 | 9.5 | 7.9 | 23.3 | 43.6 | 16.9 |
| 7 | 2.382 | 7.2 | 8.9 | 28.7 | 54.7 | 15.9 |
| 8 | 2.397 | 5.9 | 10.2 | 31.2 | 62.9 | 15.9 |
| 9 | 2.394 | 5.3 | 9.5 | 35.9 | 67.7 | 16.4 |
| 10 | 2.387 | 4.9 | 8.6 | 40.4 | 71.6 | 17.1 |
表4 高温养护试件试验结果
| 乳化沥青用量% | 毛体积相对密度（g/ mm3） | 空隙率% | 稳定度kN | 流值（0.1mm） | 饱和度% | 矿料间隙率% |
| 6 | 2.386 | 7.8 | 8.3 | 21.1 | 49.1 | 15.3 |
| 7 | 2.411 | 6.1 | 9.8 | 25.4 | 59.1 | 14.9 |
| 8 | 2.429 | 4.6 | 11.1 | 27.9 | 68.6 | 14.7 |
| 9 | 2.422 | 4.2 | 10.2 | 31.9 | 72.9 | 15.5 |
| 10 | 2.416 | 3.7 | 8.8 | 38.4 | 77.0 | 16.1 |
依据试验结果，参考《公路沥青路施工技术规范》（JTG F40-2004）中确定最佳油石比的相关方法，确定出常温试件的最佳乳化沥青用量为OAC1=8 %，高温试件的最佳乳化沥青用量为OAC2=8.1%。综合两个结果，最佳乳化沥青用量定为OAC=8%。
（5）采用以上步骤确定的最佳总用水量和最佳乳化沥青用量，按本发明内容中的步骤（6）所述成型与养护试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中T0790-2011和T0733-2011的方法进行浸水马歇尔试验和肯塔堡飞散试验。试验结果如表5：
表5 验证试验结果
| 浸水残留稳定度% | 肯塔堡飞散损失% |
| 82.7% | 13.7% |
我国乳化沥青混合料没有相应的技术标准，以上结果和热拌沥青混合料技术标准对比可以发现，在所确定的最佳含水量和最佳乳化沥青用量下，乳化沥青的大部分性能指标都已达到改性沥青热拌混合料的技术标准。在最佳含水量和最佳乳化沥青用量下常温试件和高温试件的空隙率分别为5.9%、4.6%，在98%的压实度下均能保证水分不会渗入面层；其稳定度均高于规范对于改性沥青热拌混合料大于8kN的要求，所以按本发明设计的乳化沥青冷补混合料具有较好的路用性能。
浸水残留稳定度略小于改性沥青热拌混合料的85%要求，但其飞散损失小于改性沥青SMA混合料的15%要求，且空隙率能满足要求，所以按此方法设计的乳化沥青冷补混合料具有较好的水稳定性和抗剥落能力。
Claims (4)
1.一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）对乳化沥青、粗集料、细集料和矿粉原材料进行性能检测，要求符合《公路沥青路施工技术规范》JTG F40-2004的相关规定；
（2）根据不同的沥青混合料类型，结合实际工程所需以及按照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004的级配规定，确定出一组合适的粗集料、细集料和矿粉配比；
（3）将粗集料、细集料和矿粉置于105℃±5℃的烘箱中烘干至恒量，时间为4~6h，并在干燥的环境中冷却至室温；按照步骤（2）所设计的矿质混合料配合比，按每个试件的质量计算并称取各档规格集料的用量；
（4）估算出一个乳化沥青用量，即乳化沥青与粗集料、细集料和矿粉总质量的质量之比从1%~3%按0.5%的间隔变化，取五个不同的外加水量，拌制乳化沥青混合料，并击实成型试件；在一定条件下养生后，测定试件的毛体积密度、空隙率物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，由此参考《公路沥青路施工技术规范》JTG F40-2004中确定最佳油石比的方法确定出最佳外加水量，并计算出最佳总用水量，即最佳外加水量和乳化沥青中水含量之和，与最佳外加水量和粗集料、细集料和矿粉总质量之比；
（5）根据步骤（4）中所估算的乳化沥青用量，按1%的间隔变化，取五个不同的乳化沥青用量，按步骤（4）中确定的最佳总用水量确定每个乳化沥青用量下的外加水量，拌制乳化沥青混合料，并击实成型试件；在两种不同的条件下养生后，测定试件的毛体积密度、空隙率标，以及马歇尔稳定度、流值力学指标，并参考《公路沥青路施工技术规范》JTG F40-2004中确定最佳油石比的相关方法确定最佳乳化沥青用量；
（6）按照以上步骤设计的最佳总用水量和最佳乳化沥青用量，拌制乳化沥青混合料并成型试件，在一定的条件下养护后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中T0790-2011和70733-2011的方法进行浸水马歇尔试验和肯塔堡飞散试验，计算出残留稳定度和飞散损失，以验证乳化沥青混合料的水稳定性和集料与沥青的黏结强度。
2.根据权利要求1所述的一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法，其特征在于所述的步骤（4）中的击实方法和养生条件，具体为：乳化沥青混合料在常温下拌制并装进试件后，上、下面各击实50次，在15℃~25℃于模内养生24h，然后脱模并测定试件的毛体积密度、20℃时的马歇尔稳定度和流值。
3.根据权利要求1所述的一种乳化沥青冷补混合料配合比设计方法，其特征在于所述的步骤（5）中试件的击实方法与养生条件，具体为：将拌制好的乳化沥青混合料分成两组，即常温试件与高温试件；常温试件在制作时上、下两面各击实50次，在15℃~25℃模内养生24h后，上、下两面再各击实25次，继续室温下模内养生24h，最后脱模并在20℃条件下测其马歇尔稳定度与流值，用来评价乳化沥青混合料的初期强度；高温试件在制作时上、下两面各击实50次，在110℃烘箱中模内养生24小时后，于110℃上、下面再各击实25次，置于室温下模内养生24h，脱模后在60℃条件下测其马歇尔稳定度和流值，用来评价乳化沥青混合料的后期强度。
4.根据权利要求1所述的一种乳化沥青冷补混合料配件比设计方法，其特征在于所述的步骤（6）中的击实方法和养生条件，具体与所述的步骤（5）中的击实方法和养生条件相同。
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