MOH材料最佳搅拌时间的试验研究

徐世林+焦生杰+闫玉奎+陈小雪

0 引言

MOH材料有着优良的路用性能，不仅能够满足高速公路建设和养护的需要，而且与热拌沥青混凝土路面施工相比，其常温施工特性可节约大量能源，减少环境污染，符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》对能源和环境保护主题的要求[1]。MOH材料与常规的沥青混合料不同，搅拌时间的长短直接影响性能：搅拌时间过短，会因为搅拌不均匀导致混合料空隙率变化很大，混合料的劲度、拉伸强度和疲劳寿命下降[2]；搅拌时间过长，会导致乳化沥青过早破乳，破乳过早的乳化沥青在混合料中将选择性地黏附集料中的细料，形成玛蹄脂胶团，最终使混合料产生离析，严重影响MOH材料的性能[3-6]。

目前，有很多学者对MOH材料进行了研究。长安大学的沙爱民教授对水泥乳化沥青混合料胶浆-集料界面微观结构进行了研究，探讨了水泥在MOH材料界面的功能，通过界面微观结构全面预测和改善MOH材料宏观路用性能[7]。同济大学的周海生等人对乳化沥青混合料过早破乳的现象进行了研究，从温度、搅拌强度、拌和水3个方面讨论了乳化沥青混合料过早破乳的现象，认为温度和拌和水是影响破乳的最主要因素[8]。学者疏学萍对有机水硬性复合材料处治桥头跳车的关键技术进行了研究，指出在实际应用时首先要了解材料的特性，并对工艺技术进行优化，以有效减少桥头跳车现象的发生[9]。本文着重分析搅拌时间对MOH材料特性的影响，通过试拌确定最佳的搅拌时间；并通过对MOH材料的性能试验研究，由试件的空隙率和抗压强度2个指标综合评价搅拌时间对MOH材料特性的影响，从而确定MOH材料的最佳搅拌时间，对新型MOH材料搅拌装置与摊铺设备的设计具有参考价值。

1 MOH材料形成机理与特性

MOH材料也称水泥乳化沥青复合水硬性材料，是由水泥、乳化沥青和水等材料组成的，在与集料结合后形成了一种新型路面材料。MOH材料中各成分的关系如图1所示，混合料中的水泥与沥青产生物理和化学的吸附作用形成凝结力，这种凝结力与混合料中沥青本身的黏聚力共同组成复合力，构成了混合料的强度[10-12]。水泥水化反应与乳化沥青破乳形成沥青膜黏附集料的2个过程同时进行，因而水化物与沥青膜既相互独立又相互渗透地交织在一起，水泥水化产物间的相互连接将沥青与矿粉完全包裹，增强了MOH材料的整体稳定性[13]。水化产物在矿粉与沥青薄膜间、沥青薄膜与沥青薄膜间、矿粉与矿粉间起到了“加筋”的作用；最终，水化产物与沥青膜、矿粉相互交织，形成了一种立体网状结构，并裹覆在集料周围，将集料紧密结合在一起。MOH材料的电镜扫描图如图2所示。乳化沥青在破乳后具有较强的黏结力，水泥在水化结晶后会释放大量的热量，加快了乳化沥青在吸热后破乳的速度，强度形成的时间大大缩短。水泥在混合料强度形成过程中除了发挥黏结作用，还能改善混合料的结构。水泥在MOH材料强度形成过程中的主要表现有以下2个方面。

（1）水泥水化反应能够吸收乳化沥青中的部分水分，加速乳化沥青破乳，水化反应放出的热量能加快破乳后水分的蒸发，水泥水化反应生成扩散的纤维状物质，能够填充混合料中水分蒸发后产生的空隙，从而促成MOH材料早期强度的形成，能起到增强MOH材料高温稳定性的作用。水化产物则能有效填充混合料中空隙，使其变得更加密实，从而增强MOH材料的水稳定性[14-15]。

（2）未能充分水化的水泥在MOH材料中充当活性矿粉的作用，由于水泥具有表面积大、吸附力强的特性，在混合料中能与沥青发生化学的吸附作用，形成一层能够提高集料与沥青黏结作用的力学薄膜，提高MOH材料的强度。

MOH材料具有刚柔并济的特性，既具有沥青混凝土的柔性，也具有水泥混凝土的刚性，在低温下抗裂性比较强，而在高温的环境下也不容易出现变形。MOH材料的优异性能主要是依靠有机材料和水硬性材料功能的复合（图3），全面提高了材料抗高温、抗低温、抗水损及抗疲劳性能，能较大程度地满足不同气候及地理条件的公路建设与养护工程[16]。

2 试验准备

2.1 试验用原材料

MOH材料级配类型采用AC-13，级配组成如图4所示，外加乳化瀝青、水泥、水和纤维。

2.2 试验设计

MOH材料搅拌时间的长短直接影响着MOH材料的性能，从而影响施工的作业质量[17-18]，另外，搅拌时间也影响着生产率，搅拌时间过长会降低施工效率，提高生产成本。因此，研究MOH材料的最佳搅拌时间具有重要意义。最佳的搅拌时间通过实验室试拌来确定。由于MOH材料的破乳情况受环境温度和搅拌转速的影响较大，因此，本次试验控制温度为常温25 ℃，转速定为350 r·min-1。将实验室温度设置为25 ℃，用测温枪测试试验材料温度，如果温度低于25 ℃，应将试验材料放入烘箱加热到25 ℃。乳化沥青与集料混和搅拌前，需要将干燥的集料加水拌和，如果将乳液与集料直接拌和，干燥的集料表面需要水的润湿，这样乳液中部分水分将被石料吸收，从而打破了乳液中水与乳之间的溶解平衡，促使乳液中沥青的凝聚析出，导致过早破乳。考虑MOH材料摊铺机的作业生产率，MOH材料的搅拌时间不宜过长，试验拌和顺序为[19]：先将集料和水泥干拌，然后加水拌和，再加入乳化沥青湿拌，湿拌时间设计为5、10、15、20 s。拌和后的混合料装入试模，采用旋转压实仪压实200次成型。每个搅拌时间下做3个平行试件，以减少误差，共12个试件。

2.3 试验仪器

试验用仪器如图5、6所示，设计了MOH材料摊铺机搅拌器的样机，采用旋转压实仪模拟摊铺后的压路机压实过程。

3 试验结果与分析

通过搅拌器样机拌和好的混合料如图7所示，采用旋转压实仪压实200次成型后，放入60 ℃烘箱，48 h后取芯，每个搅拌时间下做3个平行试件，试件如图8所示。将每个搅拌时间下3个试件的孔隙率和抗压强度取平均值，以减少试验误差。

3.1 抗压强度

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），采用单轴压缩试验[20]进行沥青混合料的力学性能评价。

将试件放入20 ℃的水养箱养护2 h后，采用压力机对每个搅拌时间下的3个平行试件进行试验，得到抗压强度结果，取平均值作为该搅拌时间下的抗压强度值，其与搅拌时间的关系如图9所示。

从图9可知，随着搅拌时间的增加，试件的抗压强度先增大后减小，原因在于：随着搅拌时间的增加，混合料搅拌愈加均匀，压实后的密实度越高，抗压强度会增大；但搅拌时间增加到一定值后，混合料已搅拌均匀，且乳化沥青破乳与水泥水化形成了一定的空间结构，此时再增加搅拌时间会打散并破坏这种结构，从而使压实后的密实度降低，抗压强度变小，而且搅拌时间过长会使得乳化沥青过早破乳，破乳过早的乳化沥青在混合料中选择性地黏附集料中的细料，形成玛蹄脂胶团，最终使混合料产生离析，从而使压实后的试件强度降低。当搅拌时间为15 s时，试件的抗压强度最大。

抗压强度的离散性分析结果如表1所示。由表1可知：抗压强度结果的方差较小，表明数据的离散性小，可靠程度高。

3.2 空隙率

空隙率是指在压实状态下沥青混合料内部空隙所占的体积与沥青混合料总体积的比值，是评价沥青混合料密实程度的指标，影响着混合料的稳定性和耐久性。空隙率过低会因塑性流动而引发路面车辙，空隙率过大则透水性增大，路面强度和稳定性下降，疲劳寿命降低[21-22]。

将试件放入25 ℃的水养箱中养护10 min后，通过水中重法和表干法测出试件的水中质量、表干质量，计算试件的毛体积密度，再除以MOH材料的最大理论密度，从而算出其空隙率[23-25]。将每个搅拌时间下的3个平行试件的空隙率结果取平均值，作为该搅拌时间下试件的空隙率，试件的空隙率与搅拌时间的关系如图10所示。

由图10可知：试件的空隙率在6%～7%，冷拌沥青混合料的空隙率最大不得超过11%，所得试件的空隙率满足冷拌沥青混合料的空隙率要求。且随着搅拌时间的增加，空隙率先减小再增大。原因在于随着搅拌时间的增加，混合料搅拌得越均匀，压实后的密实度越高，空隙率会降低，但搅拌时间增加到一定值后，混合料已搅拌均匀，且乳化沥青破乳与水泥水化后形成了一定的空间结构，此时再增加搅拌时间会打散并破坏这种结构，从而使压实后的密实度降低，空隙率变大。搅拌时间为15 s的时候，试件的空隙率最小。

空隙率的离散性分析结果如表2所示。由表2可知：空隙率结果的方差较小，表明数据的离散性小，可靠程度高。

由试验结果可知，试件的抗压强度与空隙率之间有一定联系，试件的抗压强度随着空隙率的降低而增大，随着空隙率的增大而减小。

4 结语

本文是在温度为25 ℃、搅拌转速为350 r·min-1时，通过改变搅拌时间来进行的MOH材料试验，得出以下结论。

（1）冷拌沥青混合料的空隙率要求不得超过11%，通过试验结果可知，MOH材料试件的空隙率在6%～7%， 满足冷拌沥青混合料的空隙率要求。

（2）通过分析试件空隙率和抗压强度的结果可知，随着搅拌时间的增加，试件的空隙率先减小后增大，试件的抗压强度先增大后减小，抗压强度均值为2.2125 MPa，空隙率均值为6.71%，搅拌时间为15 s时，试件的空隙率最小，抗压强度最大。

（3）分析试验结果可知，试件的抗压强度与空隙率之间有一定内在联系，试件的抗压强度随着空隙率的降低而增大，随着空隙率的增大而减小。

（4）结合抗压强度和空隙率2个评价指标， MOH材料在搅拌时间为15 s时，试件的力学性能最好，所以选定MOH材料的最佳搅拌时间为15 s，对新型MOH材料搅拌装置与摊铺设备的设计具有参考价值。

（5）这只是在一定拌和转速（拌和均匀）、一定环境温度条件下得出的结论，转速和温度对最佳搅拌时间的影响另文报告。

空隙率随着搅拌时间的增加先减小后增大，抗压强度随着搅拌时间的增加先增大后减小，这一试验结果经多次验证的确如此，具體原因与机理需进一步研究。

参考文献：

[1] 张晋奇.MOH材料摊铺机螺旋分料器参数设计与仿真[D].西安：长安大学，2016.

[2] 吴文亮，李 智，王端宜，等.基于不同成型方法的沥青混合料均匀性评价[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（4）：47-49.

[3] 姜 舒，孙剑波，张志宏.乳化沥青混合料破乳条件的浅析[J].石油沥青，2007，21（3）：28-31.

[4] 张良奇，冯忠绪，王卫中.振动搅拌水泥乳化沥青砂浆的试验研究[J].广西大学学报：自然科学版，2011，36（5）：751-757.

[5] 刘永东.沥青水泥砂浆振动搅拌的试验研究[D].西安：长安大学，2011.

[6] 李云良，欧阳剑，王山山，等.水泥沥青复合砂浆拌合物乳化沥青破乳过程研究[J].哈尔滨工程大学学报，2015，36（7）：997-1000.

[7] 沙爱民，王振军.水泥乳化沥青混凝土胶浆-集料界面微观结构[J].长安大学学报：自然科学版，2008，28（4）：1-6.

[8] 姚德利，周海生.乳化沥青混合料应用过程中过早破乳的原因探讨[J].新型建筑材料，2008，25（4）：80-82.

[9] 赵 静.有机水硬性复合材料处治桥头跳车关键技术[J].黑龙江科技信息，2015（32）：211.

[10] 肖 燕.乳化沥青冷再生机理分析研究[J].四川水泥，2016（4）：299.

[11] 谢友均，曾晓辉，邓德华，等.铁路无砟轨道水泥乳化沥青砂浆力学性能[J].建筑材料学报，2010，13（4）：483-486.

[12] 王学信，沙爱民，胡力群，等.水泥乳化沥青混凝土力学性能研究[J].公路交通科技，2005，22（11）：57-60.

[13] ZHANG Y， KONG X， HOU S etal. Study on the Rheological Properties Of Fresh Cement Asphalt Paste[J].Construction and Building Materials，2012，27（1）：534-544.

[14] 傅 強，郑克仁，谢友均，等.水泥乳化沥青砂浆孔体积的分形特征[J]. 硅酸盐学报，2013，41（11）：1551-1557.

[15] 王振军，李顺勇.水泥乳化沥青砂浆（CAM）的微观结构特征[J].武汉理工大学学报，2009，31（6）：23-26.

[16] 刘元德.水泥乳化沥青砂浆的原料设计及性能研究[J].交通标准化， 2013（19）：139-141.

[17] 向再励.搅拌机设计和使用中主要参数的选取[D].西安：长安大学，2008.

[18] 王晓勇，夏 龙.水泥乳化沥青砂浆质量问题的原因分析及预防[J]. 铁道工程学报，2012，29（7）：57-61.

[19] 殷 川，曹 磊，赵 跃.水泥乳化沥青稳定基层应用研究[J].国防交通与工程技术，2007，5（1）：19-22.

[20] RUTHERFORD T， WANG Z， SHU X， etal. Laboratory Investigation into Mechanical Properties of Cement Emulsified Asphalt Mortar[J]. Construction and Building Materials，2014，65（13）：76-83.

[21] 付向东，李爱民，狄升贯.基于空隙率的透水性沥青路面配合比设计[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（8）：53-56.

[22] 张晋奇.MOH材料摊铺机螺旋布料器参数设计与仿真[D].西安：长安大学，2016.

[23] 何红霞.河南省高速公路MOH材料处理桥头跳车施工方法探讨[J]. 公路交通科技：应用技术版，2010（11）：99-102.

[24] 吕应臣，朱清国，张红春.MOH处治桥头跳车施工技术研究[J].建设机械技术与管理，2011，24（1）：98-100.

[25] 涂晓莹.浅谈桥头跳车的预防及处理措施[J].中国高新技术企业， 2013（3）：75-76.