无机填料对冷补沥青混合料强度的影响

（1.武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074；

2.重庆暄洁环保产业（集团）股份有限公司，重庆 400039）

无机填料对冷补沥青混合料强度的影响

（1.武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074；

2.重庆暄洁环保产业（集团）股份有限公司，重庆 400039）

以水泥作为填料添加到自制冷补沥青和集料中配制了冷补沥青混合料.通过测试其初始稳定度和成型稳定度研究不同水泥用量对冷补沥青混合料强度的影响；确定最佳水泥用量后，分别以粉煤灰、硅灰、混合填料（水泥－粉煤灰，水泥－硅灰）替代水泥，比较不同类型无机填料对冷补沥青混合料强度的影响.结果表明：水泥最佳用量为3%，硅灰对冷补沥青混合料强度的提高较为显著，混合填料对冷补沥青混合料强度的提高效果较差.不同类型无机填料对冷补沥青混合料初始强度的影响差别较小，最大相差为17.2%，对成型强度的影响差别较大，最大相差达67.9%.

冷补沥青混合料；无机填料；初始稳定度；成型稳定度

0 引 言

沥青路面修补的普遍方法是热拌热补.与之相对，冷补沥青混合料具有施工方便，能快速开放交通，可不受季节限制的优点［1－2］.早在20世纪30～40年代，前苏联和美国就开始了冷补沥青混合料的研究与应用，随后日本和欧洲各国也对冷补沥青混合料进行了大量研究，我国在20世纪90年代末才开始冷补沥青混合料的研究［3－9］.在应用过程中发现，采用冷补沥青混合料进行修补的路面损坏情况也比较严重，强度不高是导致路面损坏的一个重要原因.冷补沥青混合料的强度分为初始强度和成型强度，影响冷补沥青混合料初始强度和成型强度的因素有很多，其中填料在沥青混合料中的作用非常重要［10］，填料与沥青的相互作用形成的沥青胶浆，不仅填充粗细集料间的空隙，而且在粗细集料间产生粘结作用，将粗细集料结合成一个整体.本文通过选择合适的填料类型和用量来研究了提高冷补沥青混合料强度的途径.

1 实验部分

1.1 原材料

主要原材料有：冷补沥青（实验室自制），玄武岩（山东齐磊玄武岩石材有限公司），32.5复合硅酸盐水泥（华新水泥有限公司），硅灰（云南某铁合金厂），粉煤灰（武汉东湖高新热电厂）.经检验，原材料都符合规范要求.

1.2 配合比设计

采用的级配类型为 AC-13，根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的规定及贝雷法级配设计［11］，最终确定冷补沥青混合料合成级配如表1所示.

表1 冷补沥青混合料设计级配Table 1 The design grading of cold asphalt mixture

同济大学吕伟民［12］等曾对冷补沥青混合料中沥青最佳用量总结得到一经验公式：

式（1）中：P为冷补沥青质量分数，%；a为大于2.36 mm 颗粒质量分数，%；b为0.3 mm～2.36 mm颗粒质量分数，%；c为0.075 mm～0.3 mm颗粒质量分数，%；d为小于0.075 mm颗粒质量分数%.根据公式（1）确定本试验冷补沥青最佳用量为5.0%.

1.3 实验步骤

a.冷补沥青混合料的拌制.按照设计级配制石料，并配制好设计配比的填料，将二者混合放入沥青混合料拌和机（BH-20型）拌和5 min，沥青混合料拌和机拌合温度在30～40℃之间，然后加入5%的自制冷补沥青，再搅拌3～5 min，即得冷补沥青混合料.

b.冷补沥青混合料马歇尔试验.初始稳定度（Initial Marshall Stability，MS1）测试：将拌和好的冷补沥青混合料在常温下装入试模中，双面各击实75次，保持试件直径为（101.6±0.2）mm，高度为（63.5±1.3）mm，然后连同试模在常温（25℃）下竖立放置24 h，脱模后进行马歇尔试验［13-15］.

成型稳定度（Molding Marshall Stability，MS2）测试：将拌和好的冷补沥青混合料在常温下装入试模中，双面各击实50次，连同试模一起以侧面竖立方式置于烘箱在高温（110℃）下不脱模养生24 h，然后再双面各击实25次，保证马歇尔试件直径为（101.6±0.2）mm，高度为（63.5±1.3）mm，然后连同试模在常温（25℃）下竖立放置24 h，脱模后在60℃恒温水槽中养生30～40 min，进行马歇尔试验［13－15］.

c.车辙试验.将拌和好的冷补沥青混合料放入试模中，用轮碾成型法制作车辙试验试块，其尺寸为300 mm×300 mm×50 mm.然后采用成型稳定度的养生方法进行养生，最后根据JTJ052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中车辙试验方法进行试验.

2 结果与讨论

2.1 水泥的影响

冷补沥青混合料的强度分为初始强度和成型强度.在冷补沥青混合料的摊铺初期，为了能够快速开放交通，就必须具有一定的初期强度来承受行车荷载.初期马歇尔稳定度测试的目的就是为路面的早期快速开放交通提供依据.日本［16］冷补沥青混合料的初始强度要求大于2.5 k N，长安大学的延西利［13］提出初始强度应大于3.5 k N.而在铺筑的后期，为了能够达到路面修补的良好效果，需要有很好的成型强度，成型马歇尔稳定度的测试的目的就是为路面修补效果提供依据.《公路沥青路面施工技术规范》提出成型马歇尔稳定度应不小于3 k N，而多数学者认为标准过低，同济大学吕伟民［12］等提出应不小于4 k N，长安大学延西利［13］提出应大于5 k N.

图1为不同水泥掺量对冷补沥青混合料初始强度和成型强度的影响.

图1 不同水泥用量对冷补沥青混合料强度的影响Fig.1 Effects of the amount of cement on the strength of cold asphalt mixture

从图1中可看出，冷补沥青混合料的初始强度和成型强度都符合标准要求.且随着水泥用量的增大，初始强度和成型强度也随之增大，在水泥质量分数达到3%后，基本趋于平缓.其原因可从沥青混合的形成机理［17］来分析：沥青混合料的强度主要由两部分组成：矿料间的嵌挤力、内摩阻力和沥青胶浆对粗细集料的粘聚力.而沥青只有吸附在填料的表面形成薄膜，才能对粗细集料产生粘结作用.并且，在薄膜以内的沥青为结构沥青，在薄膜以外的沥青为自由沥青.结构沥青粘度较高，具有较高的粘聚力，自由沥青粘度较低，使得粘聚力降低.在没有加入填料时，沥青混合料的强度主要由矿料间的嵌挤力组成.加入填料后，沥青与填料相互作用形成的沥青胶浆对粗细集料开始产生粘结作用，这时，沥青混合料的强度增长主要依靠粘聚力的增长.当水泥用量较低时，沥青在填料表面不足以形成较多的结构沥青，更多的是自由沥青，因而强度不高.随着水泥用量的增加，结构沥青就会越来越多，强度也随之不断增大，当水泥质量分数达3%时，结构沥青已经基本达到饱和.再加入水泥时，结构沥青的量也只是趋于饱和状态，因而，初始强度和成型强度增长趋于平缓.综述以上分析，选取3%的水泥用量为最佳值.

2.2 硅灰、粉煤灰与水泥的对比

图2为水泥、粉煤灰、硅灰（用量均为3%，质量分数，下同）冷补沥青混合料强度的比较.图3为水泥、粉煤灰、硅灰冷补沥青混合料车辙试验的比较.

图2 不同类型填料的冷补沥青混合料强度的比较Fig.2 Comparations of different types of fillers on the strength of cold asphalt mixture

从图2中可以看出，在加入水泥、粉煤灰、硅灰后，冷补沥青混合料的初始强度相差很小（相差最大只有3.7%），成型强度的差别比较大（相差最大为49.3%）.这是因为在冷补沥青混合料初始强度形成时，因有溶剂的存在而使得冷补沥青的粘度较低，在加入足够量的填料后，虽然已经形成足够的结构沥青，但因冷补沥青的粘度较低，沥青胶浆对粗细集料的粘结作用不强，粘聚力也比较低，此时冷补沥青混合料的强度主要来源于矿料之间的嵌挤力［10］.虽然不同类型的填料因自身性质的不同与冷补沥青形成的沥青胶浆在结构沥青的量上有些差别，并有可能对冷补沥青的粘度有一定的影响，但因矿料之间的嵌挤力对冷补沥青混合料的初始强度起着主导作用，因而不同类型的填料对冷补沥青混合料的初始强度的影响差别不大.在冷补沥青混合料成型强度的形成过程中，随着冷补沥青中溶剂的挥发，冷补沥青的粘度随之增大，沥青胶浆对粗细集料的粘结作用也随之不断增强，与此同时，粘聚力也不断增强.冷补沥青混合料成型强度主要是在初始强度的基础上，依靠粘聚力的增长而不断形成的.硅灰因其比表面积远远大于水泥和粉煤灰的，能吸附更多的冷补沥青，冷补沥青在与硅灰相互作用时形成的沥青薄膜更薄，结构沥青所占的比例也就越大，因而对粗细集料的粘结作用更强，粘聚力也就越大.所以，加入硅灰的成型强度相对于加入水泥、粉煤灰的成型强度要高.

良好的抗车辙性能是沥青混合料高温稳定性能的保证，车辙试验可很好的反映沥青混合料的高温稳定性能.在实验中对未添加任何无机填料的冷补沥青混合料进行了车辙试验，其最大变形量超过了25 mm，也即是无法测出其动稳定度.图3是添加不同无机填料的车辙试验结果，从图可以看出水泥、粉煤灰、硅灰的加入很明显的改善了冷补沥青混合料的抗车辙性能，其中，硅灰的加入效果最显著（比水泥和粉煤灰分别高出41.4%、68.8%）.车辙试验的结果与图2中水泥、硅灰、粉煤灰高温强度（成型稳定度）的试验结果一致，可相互印证.

图3 车辙试验结果Fig.3 Results of dynamic stability of cold asphalt mixture

2.3 混合填料的影响

图4、图5是不同配比的水泥－粉煤灰、水泥－硅灰（掺加总量均为3%）对冷补沥青混合料强度的影响.从图4、图5中可以看出，水泥－粉煤灰、水泥－硅灰在不同配比时，冷补沥青混合料的初始强度和成型强度相差都不大.这是因为在掺加总量相同的情况下，矿料间的嵌挤力在冷补沥青混合料的初始强度的形成过程中起着主导作用，也因为在各配比的水泥－粉煤灰、水泥－硅灰之间的填料组成成分相差不大，对应的成型强度在形成过程中的差别也就不大.从图中还可以看出，掺加水泥－粉煤灰的冷补沥青混合料，在初始稳定度和成型稳定度上都稍稍小于掺加水泥－硅灰的冷补沥青混合料.其原因可以从填料组成成分和其之间的不同理化性质来分析，虽然在水泥－硅灰中硅灰的用量比例较小，而水泥－粉煤灰中的粉煤灰用量较大，但因其比表面积远大于粉煤灰，可以吸附更多的沥青，形成更多的结构沥青，在一定程度上可以弥补用量的不足；另外，水泥－硅灰中的水泥用量相对水泥－粉煤灰中要多，而水泥可能会吸收集料表面的少量水分而水化成网状水化硅酸钙和水化铝酸钙，再和沥青接触时，网状结构可以更牢固地吸附沥青，从而使“结构沥青”更多.所以，掺加水泥－硅灰的冷补沥青混合料强度稍高于掺加水泥－粉煤灰的冷补沥青混合料.而相对于各种填料单独使用的效果来看，水泥－粉煤灰和水泥－硅灰这种混合使用的填料效果不佳，不但没有提高其强度，相反初始稳定度和成型稳定度都有一定程度的降低.究其原因，可能是水泥与粉煤灰、水泥与硅灰之间发生了某些化学作用而影响了沥青的性质，降低了沥青胶浆对矿料的粘聚作用.

图4 不同配比的水泥－粉煤灰对冷补沥青混合料强度的影响Fig.4 Effects of different promotions of cement-fly ash on the strength of cold asphalt mixture

图5 不同配比的水泥－硅灰对冷补沥青混合料强度的影响Fig.5 Effects of different promotions of cement-silicon ash on the strength of cold asphalt mixture

3 结 语

a.填料的用量对冷补沥青混合料的强度有较大的影响，在加入水泥时，其最佳用量为3%，此时冷补沥青混合料的初始强度和成型强度分别为5.57 k N和8.04 k N.

b.硅质对冷补沥青混合料强度的影响效果最为显著，混合填料对冷补沥青混合料强度的影响效果较差.不同类型的填料对冷补沥青混合料的初始强度的影响差别较小（相差最大17.2%），对成型强度的影响差别较大（相差最大67.9%）.

c.相对于各种填料单独使用，水泥－粉煤灰、水泥－硅灰混合填料的使用降低了冷补沥青混合料的强度，可能是水泥与粉煤灰、水泥与硅灰之间发生了某些化学作用而影响了沥青的性质，降低了沥青胶浆对矿料的粘聚作用，其具体原因还待进一步研究.

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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

龚晓宁

U414

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.012

1674－2869（2011）11－0047－05

2011－10－10

杨 亮（1986－），男，湖北鄂州人，硕士研究生.研究方向：新型道路材料.

指导老师：曹 宏，男，博士，教授.研究方向：新型炭材料与胶凝材料.＊通信联系人