超粗型改性乳化沥青稀浆混合料表面处治技术研究_李莉.pdf

第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：作者简介：李 莉（），女，河南漯河人，高级工程师，长期从事公路工程技术与管理工作。通信作者：王海有（），男，河南襄城人，硕士，教授级高级工程师，长期从事公路与桥梁工程材料、技术研究以及工程管理工作。文章编号：（）：超粗型改性乳化沥青稀浆混合料表面处治技术研究李 莉，王海有，白 哲，刘自强，张建勋，黄建辉，余 波，彭祖胜，郭延辉，张 珏（河南光大路建工程管理有限公司，河南 平顶山；平顶山市公路事业发展中心，河南 平顶山；河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山；河南中亚交建集团有限公司，河南 平顶山；平顶山龙泽公路工程有限公司，河南 平顶山；平顶山市瑞辉公路养护工程有限公司，河南 平顶山；漯河市召陵区公路事业发展中心，河南 漯河）摘 要：稀浆表处在道路工程中的应用越来越广泛，通过探讨应用过程中存在的问题，分析稀浆表处结构和抗剪强度构成等性能的特殊性，提出稀浆表处集料颗粒排列理论、反粒子干涉理论和最佳和易性级配曲线理论，分析稀浆表处使用结合料的特殊性，提出了超粗型稀浆表处设计方法。结果表明：稀浆表处与车辙深度存在匹配关系；单层稀浆表处更适宜使用 改性乳化沥青；研究成果丰富了沥青路面的理论体系，并对工程实践具有切实的指导作用。关键词：稀浆混合料；集料颗粒排列理论；粒子干涉理论；最佳和易性；级配曲线理论中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，；，；，；，；，；，；，）：，；，：；改性乳化沥青稀浆混合料是指采用专用机械设备（稀浆封层机）将（聚合物改性）乳化沥青、集料、填料、水和添加剂等按一定比例拌和所形成的浆状混合料，简称稀浆混合料，主要用于做表面处治，包括罩面和填补车辙，称为改性乳化沥青稀浆混合料表面处治（厚度不大于 ），简称稀浆表处，用 表示，单层厚度不大于 的稀浆表处称为微表处，用 表示，现行规范中只有 和 两个型号的微表处，其中 型微表处称为粗型微表处。目前，稀浆表处的应用量很大、应用面也很广，如道路养护、道路建设，并积累了很多经验，取得了良好的效果，但也发生不少惨痛的教训，并且存在不能满足工程实践需要的情况。因此，对稀浆表处进行深入研究十分必要。单层稀浆表处的特殊性单层稀浆表处是指集料最大粒径等于改性乳化沥青稀浆混合料的摊铺厚度的稀浆表处，具有特殊的结构，如图（）所示。稀浆表处中，最大粒径集料竖向只有一层，形成“顶天立地”的骨架，它不同于传统沥青路面（沥青碎石路面、沥青混凝土路面和沥青玛蹄脂碎石混合料路面）结构，在传统的沥青路面中，最大粒径集料竖向至少有两层，如图（）所示。（）单层稀浆表处受荷载作用前后 （）多层稀浆表处受荷载作用前后图 稀浆表处受荷载作用变化示意图（实线箭头为受力方向，虚线箭头为位移方向）单层稀浆表处具有特殊的性能，是由其特殊结构所决定的，相较于传统沥青路面，它的特殊性能主要表现在以下几个方面：（）单层稀浆表处的抗剪性能：传统沥青路面的抗剪强度由内摩擦力和黏聚力反映，可用摩尔 库仑定律表征；单层稀浆表处的抗剪强度由“顶天立地”的最大粒径集料提供，不符合摩尔 库仑定律。（）单层稀浆表处的竖向变形性能：传统沥青路面是各向同性体，各向具有相同的变形性能；单层稀浆表处在道路平面上是周向同性体，在周向具有相同的变形性能，但竖向与之异性，“顶天立地”的最大粒径集料导致竖向没有塑性变形性能。（）单层稀浆表处的应力应变性能：传统沥青路面是黏、弹、塑性体，高温表现为黏塑性，中温表现出黏弹性，低温表现出线弹性；“顶天立地”的最大粒径集料决定了单层稀浆表处高温、中温和低温都表现为接近线弹性。稀浆表处在应用中存在的问题使用多层稀浆表处很容易产生车辙。公路沥青路面施工技术规范（）规定，深度不超过 的车辙可以用改性乳化沥青稀浆混合料直接填补，车辙深度大于 的深车辙可以用多层稀浆表处（指摊铺厚度大于集料最大碎石粒径或者二层及以上稀浆表处时的稀浆表处）填补，结果 河南城建学院学报 年 月是填补体自身很容易产生车辙，导致车辙周而复始地出现。单层稀浆表处中，最大粒径集料形成“顶天立地”的骨架，其抗剪强度远远超出实际需要，不会因为抗剪强度不足而产生车辙，如图（）所示；多层稀浆表处中，由于其（如 型微表处）与沥青混凝土（如 ）相比集料级配细得多，而且油石比也大得多，所以很容易产生车辙，如图（）所示。由此可见，只有改性乳化沥青稀浆混合料集料最大粒径等于车辙深度时，稀浆表处填补体才不会产生车辙，也就是说稀浆表处的型号与车辙深度存在匹配性。而在工程实践中，沥青路面车辙需要维修时，其深度均大于 ，所以需要开发超粗型稀浆表处。超粗型稀浆表处工程实践需要粗型稀浆表处，常用的集料最大粒径为 （型）、（型）、（型）、（型）和 （型），但公路沥青路面施工技术规范（）中只给出了 型和 型微表处的级配范围，所以亟须确定粗型稀浆表处的集料级配范围。代表性的集料级配范围设计理论有最大密实度集料级配曲线理论和粒子干涉理论，它们是针对热拌热铺沥青路面的结构特点和施工方法提出的设计集料级配范围的理论，然而热拌热铺沥青路面与稀浆表处有很多不同，主要表现在：热拌热铺沥青路面施工机械设备的拌和能力和摊铺能力比稀浆表处强得多，集料内摩擦力不影响施工能力，而稀浆表处则相反；热拌热铺沥青路面与稀浆表处内部结构差别巨大，在竖向，稀浆表处中最大粒径集料单层排列，而热拌热铺沥青路面中，最大粒径集料多层（层 层）排列。因此，粒子干涉理论及最大密实度集料级配曲线理论是否适用于设计稀浆混合料的集料级配范围是需要研究的问题。稀浆表处集料颗粒排列理论使用体积规则的球体替代最大粒径集料，对于排列方式和层数不同的结构状态的间隙率进行计算，结果发现：在沥青路面结构中，因最大粒径集料排列方式不同，骨架的间隙率和间隙体积将不相同；并且其只取决于最大粒径集料的排列方式，与所用集料粒径的大小并无关联；间隙率和间隙体积随最大粒径集料层数（即路面厚度）的减少而增大，且增大量是递增的；最大粒径集料单层排列并且相邻三球心的连线呈等边三角形时其间隙率最小。对于稀浆表处，在其内部结构中，最大粒径集料竖向是单层排列的，其连线并非呈等边三角形，而且最大粒径集料也不是紧密排列，间隙体积和间隙率进一步增大，需要更多的材料（细集料和沥青）填充，这就是稀浆表处集料颗粒排列理论。稀浆表处反粒子干涉理论粒子干涉理论适用于设计骨架密实型结构沥青路面集料级配范围，其理论是基于形成骨架并达到最大密度，要求前一级粒径集料之间的空隙应该由次一级粒径集料来填充，其余空隙又由再次一级的粒径集料所填充；但是，作为填充空隙的集料的粒径不得大于前一级粒径集料所形成的间隙之间的距离，否则次级粒径集料势必会发生干涉前一级粒径集料形成骨架的现象，导致前一级颗粒之间形不成骨架。为避免这种干涉，不同粒径集料的用量应该按最大用量进行数量分配，基于此，在临界干涉状态情况下，即可导出前一级粒径集料间距的计算公式：|（）当处于临界干涉状态时 ，则式（）可变化为：()（）式中：前级粒径集料的间隙距离（即等于次级集料粒径）；前级集料粒径；次级粒径集料的理论实积率，也就是堆积密度与表观密度之比；次级粒径集料的实际体积率。第 卷第 期 李 莉，等：超粗型改性乳化沥青稀浆混合料表面处治技术研究通过施工试拌以及大量室内试验发现，采用粒子干涉理论确定的稀浆混合料的级配范围，内摩擦力太大，超出了稀浆封层机的拌和与摊铺能力，稀浆混合料拌和、摊铺困难，经常导致施工失败，也就是说不能用粒子干涉理论确定稀浆混合料的集料级配范围。在沥青路面结构中，最大粒径集料的排列方式决定着各种粒径集料的极限用量，包括最大用量和最小用量。确定稀浆混合料的级配范围刚好与粒子干涉理论相反，其不只是要求粒子之间要干涉，而且要求干涉的程度足够充分，才能减小集料之间的内摩擦力，以满足稀浆表处施工工艺和施工机械设备的需要。也就是说，次级粒径集料的用量不但要求超过临界干涉用量，而且还要求超过临界干涉用量的量要足够充分，才能满足稀浆表处施工工艺中和易性最佳的要求以及稀浆表处结构密实度最大的需要。因此，最大粒径集料的次级粒径集料及其以下各级粒径集料存在一个最小用量的问题。相反，就单位面积的稀浆表处来讲，最大粒径集料的用量存在一个最大用量值。此即稀浆表处各粒径集料极限用量理论，或称为稀浆表处反粒子干涉理论。稀浆混合料最佳和易性级配曲线理论最大密实度集料级配曲线理论适用于设计热拌热铺悬浮密实型结构沥青路面的级配范围，其理论实质是：各级粒径集料按粒径大小有规则地组合排列，粗细合理搭配，就能够得到密实度最大、空隙率最小的沥青路面结构；相同粒径的集料，特别是最大粒径的集料，由于排列方式的不同，导致路面的空隙率也不同；空隙率仅与相同粒径集料的排列情况有关，而与其粒径大小无关；当相同粒径集料按一定方式排列后，如果用适当尺寸的小粒径集料填充其空隙，能够使空隙率降低；空隙率降低的幅度主要取决于填充方式。热拌热铺悬浮密实型结构沥青路面最大密实度级配曲线解析式为：（）（）式中：需要确定通过率的分级集料的粒径（）；最大颗粒集料的粒径（）；需要确定的分级集料的通过率（）；试验指数，取值范围为 。由于稀浆表处施工工艺中稀浆混合料拌和摊铺机械设备的能力相对于热拌热铺施工工艺中沥青混合料拌和摊铺机械设备低得多，与热拌热铺施工工艺首先要解决的问题是最大密实度不同，在稀浆表处施工工艺中稀浆混合料的和易性是首先要保证的问题，否则常常会导致施工失败，其次还要保证稀浆表处具有最大密实度。为了保证稀浆混合料的和易性最佳，满足稀浆表处施工工艺的需要，主要从以下几方面着手：稠度达到最佳；尽量降低集料的内摩擦力；提高稀浆混合料的保水性、流动性、稳定性等性能。最佳和易性是衡量稀浆混合料工作性能的综合指标，指稀浆混合料的稠度最佳即在 ，可拌和时间充足（满足稀浆混合料拌和摊铺需要的时间），并且流动性、稳定性、保水性等均好的状态，也就是有利于施工顺利进行的最佳性能。基于悬浮密实型结构沥青路面，最大密实度集料级配曲线理论的粗型改性乳化沥青稀浆混合料的集料级配与和易性的对应情况试验及工程实践结果见表 。表 和易性试验记录汇总表总用水量 稠度值 （泌水）（泌水）注：施工及试验温度均在 ，湿度小于，含油量控制在 。由表 可知：用水量对粗型稀浆混合料和易性的影响非常敏感；总用水量（包括改性乳化沥青 河南城建学院学报 年 月破乳后产生的水和外加水）为 时，粗型稀浆混合料的和易性能够达到最佳；当 时，粗型稀浆混合料的和易性能够达到最佳，用式（）表征的图形称为稀浆混合料最佳和易性级配曲线，该理论即为稀浆混合料最佳和易性级配曲线理论。由此可见，最大密实度级配曲线与最佳和易性级配曲线区域并不完全重合，不能直接使用最大密实度级配曲线理论确定稀浆表处的集料级配范围。综上所述，稀浆表处集料颗粒排列理论，稀浆表处反粒子干涉理论和稀浆混合料最佳和易性级配曲线理论共同证明：型号相同时，稀浆表处集料级配比热拌热铺沥青路面集料级配细，或者说，稀浆表处比热拌热铺沥青路面需要更多的细集料。结论（）单层稀浆表处的抗车辙能力远远超出实际需要，不会因抗剪强度不足而产生车辙；多层稀浆表处很容易产生车辙。（）稀浆表处要与车辙深度匹配。单层稀浆表处抗车辙能力强，能够有效避免车辙重复出现，不能用微表处填补深车辙。在稀浆表处的特殊结构中，集料的粒径与车辙深度巧妙的匹配，能够把不同粒径的集料分布在需要的位置上，形成“顶天立地”的效果，起主支撑作用，它自身不会产生车辙。（）用超粗型稀浆表处填补深车辙，避免了采用多层微表处时导致的自身抗车辙性能差的缺点，以及需要多次封闭交通多次填补带来的不便，实现了快速修补深车辙，明显减少施工环节，降低给交通带来的不利影响。（）稀浆表处施工的关键是保证稀浆混合料的和易性最佳，稀浆表处集料级配中细料的含量比沥青混凝土路面多得多，它不仅是保证稀浆混合料施工性能的需要，也是保证稀浆表处结构密实平整的需要。（）单层稀浆表处彻底摆脱了沥青路面对高软化点沥青的依赖，它不需要沥青的黏结力提供强度，沥青只起填充、粘连和密封等作用，所以 改性乳化沥青比 改性乳化沥青更适宜用于单层稀浆表处。参考文献 交通部公路科学研究院 微表处和稀浆封层技术指南 北京：人民交通出版社，中华人民共和国交通部 公路工程名词术语：北京：人民交通出版社，中华人民共和国交通部 公路沥青路面施工技术规范：北京：人民交通出版社，王海有 微表处特殊性能分析及其合理应用 公路交通科技（应用技术版），（）：黄晓明，朱湘 沥青路面设计 北京：人民交通出版社，王海有，朱东辉，傅清亮，等 型微表处集料级配范围及最佳沥青用量范围 石油沥青，（）：银晓东 型超粗微表处施工技术 建筑科技与管理组委会 年 月建筑科技与管理学术交流会论文集 建筑科技与管理组委会：北京恒盛博雅国际文化交流中心，：赵辉，王海有，王健，等 微表处技术的应用研究 河南城建学院学报，（）：第 卷第 期 李 莉，等：超粗型改性乳化沥青稀浆混合料表面处治技术研究