级配对MS3型微表处性能影响的研究

黄维蓉， 李怀龙， 王成， 黄峰

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院， 重庆市 400074； 2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆市 400074)

微表处作为一种常用的预防性养护技术，能起到恢复原路面抗滑性、修补车辙、封水等作用，自从引入中国之后就得到了大量的研究应用。国内外专家学者近年来对微表处的级配进行了大量研究。居浩[1]对MS3型微表处级配的上限、中值、下限进行了研究，发现在相同油石比下，上限的湿轮磨耗值最大，下限次之，中值最小；邝坚锋[2]对MS3型微表处级配的上限、中值、下限进行了加速加载试验，研究发现级配越粗，抗滑性能衰减越慢；下限级配的抗剥落性能最差，其次为上限级配，而中值级配抗剥落性能最好；王震[3]通过斜剪试验研究了级配对抗剪强度的影响，研究发现：在相同条件下，采用MS3型中值级配和较粗的级配有利于增强微表处混合料的层间抗剪强度。此外，有学者提出在4.75～9 mm档的级配之间添加一个7 mm筛孔来细化控制4.75～9 mm之间的集料，从而达到降低噪音的目的。李志栋[4]通过增加7 mm筛孔及其支撑点集料含量，建立了微表处多支点建造模型及其降噪判据，提出了低噪声微表处级配；马生顺[5]通过对噪声的调查及对噪声产生机理及原因的分析，提出增加7 mm筛孔，以及保证宏观构造波长不超过10 mm的基础上对传统MS-Ⅲ级配进行了改进，并进行了路用性能检验及施工验证；钟建超[6]通过加入7 mm筛孔，提出了低噪微表处级配和级配优化设计方法；张冉[7]通过加入7 mm筛孔进行了正交试验，得到了理想构造深度对应的低噪级配。

综上所述，微表处的MS3型中值级配综合性能优异，而目前国内外专家学者仅对7 mm筛孔的降噪性能进行了大量研究，未对7 mm筛孔通过率对微表处其他性能影响进行研究，因此该文在微表处MS3型中值级配的基础上对7 mm筛孔通过率对微表处的工作性能、路用性能和长期性能影响进行研究。

1 原材料技术指标

1.1 集料

集料由重庆某采石场提供，分别是0～3、3～5、5～10 mm玄武岩，用7 mm方孔筛将5～10 mm的集料筛分成5～7 mm和7～10 mm两档集料备用，集料检测结果及技术指标如表1所示。

表1 集料检测结果及技术指标

1.2 改性乳化沥青

试验使用重庆某公司生产的SBR改性乳化沥青，SBR改性剂掺量为乳化沥青质量的4%，改性乳化沥青的检测结果及技术指标如表2所示。

表2 改性乳化沥青检测结果及技术指标

1.3 水泥

水泥的加入可以改善微表处混合料的工作性能和路用性能，试验所用水泥为P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其相关技术指标符合要求。

1.4 水

试验所用的水为重庆地区的自来水。

2 微表处级配设计

相对于微表处MS2型级配，MS3型级配更适用于重交通和高等级公路，而且其耐磨耗性能比MS2型级配更好[2]。加上MS3型中值级配综合性能更加优异，因此此次试验在MS3型中值级配的基础上对7 mm筛孔通过率对微表处工作性能、路用性能和长期性能的影响进行研究。试验设计了4种不同7 mm筛孔通过率的级配，使用0～3、3～5、5～7和7～10 mm4挡集料进行了级配合成，从级配1到级配4越来越粗，并保持4种级配4.75 mm以下筛孔通过率一致，4种合成级配的通过率及合成级配配比，如表3所示。

表3 4种合成级配的筛孔通过率及集料配比

3 7 mm筛孔通过率对微表处性能的影响

目前国内外专家学者仅对7 mm筛孔的降噪性能进行了大量研究[8-9]，未对7 mm筛孔通过率对微表处其他性能影响进行研究，因此该文在微表处MS3型中值级配的基础上，对7 mm筛孔通过率对微表处的工作性能、路用性能和长期性能的影响进行研究，进一步细化研究微表处级配。

3.1 工作性能影响研究

3.1.1 可拌和时间试验

微表处混合料从摊铺到沥青路面上到形成强度需要一定时间。如果可拌和时间太短，微表处混合料内改性乳化沥青快速破乳，导致微表处无法施工；可拌和时间太长，微表处混合料也无法快速开放交通，因此需要通过调节外加用水量和水泥掺量来使微表处的可拌和时间控制在合适的范围内。此次试验结合以上4种级配，固定油石比为6%，水泥掺量为1.5%，在外加用水量分别为4%、5%、6%、7%时进行可拌和时间试验，研究不同外加用水量下7 mm筛孔通过率对微表处可拌和时间的影响。试验结果如表4所示。

表4 不同外加用水量下的可拌和时间

由表4可知：在相同级配下，可拌和时间随外加用水量的增加而增加；在相同外加用水量下，级配越粗，可拌和时间越长。分析认为：在相同级配下，可拌和时间随外加用水量的增加而增加，这是由于外加水量的增加稀释了乳化沥青，增大了混合料之间的距离，沥青微粒相互聚集的概率变小，乳化沥青破乳速度变慢，可拌和时间增加。在相同外加用水量下，随着7 mm筛孔通过率变小，级配逐渐增粗，可拌和时间也会增加，这是因为随着4.75～7 mm筛孔集料的减少,7～9.5 mm筛孔集料的增多，矿料的总比表面积减少，用于裹覆矿料表面的水和乳液减少，富余的自由水和乳液增多，可拌和时间增加。

3.1.2 黏聚力试验

黏聚力反映了微表处混合料的成型速度和开放交通的时间，在相同时间内，黏聚力越大说明混合料成型速度越快，能快速开放交通。此次试验结合以上4种级配，固定外加用水量为6%，水泥掺量为1.5%，在油石比分别为6%、6.5%、7%、7.5%、8.0%时进行可拌和时间试验，研究不同油石比下7 mm筛孔通过率对微表处黏聚力的影响，试验结果如图1所示。

图1 不同时间、不同油石比下4种级配的黏聚力

由试验结果可知：在相同级配下，黏聚力随油石比的增大而增大，当油石比大于7.5%时，黏聚力有微略下降；在相同油石比下，级配越粗，其黏聚力越小。

分析可知：在相同级配下，油石比越大，混合料内部沥青增多，矿料间连接更加紧密，强度变大，但油石比的增大会影响混合料的破乳，因此在油石比大于7.5%时，混合料的破乳时间延长，影响到混合料强度的成型，所以黏聚力有所下降。在相同油石比下，随7 mm筛孔通过率不断减小，4.75～7 mm筛孔集料不断减少,7～9.5 mm筛孔集料逐渐增多，级配的总比表面积减少，矿料与乳液的接触面积越少，富余乳液增多，破乳速度越慢，强度形成也就越慢，因此黏聚力随级配的变粗而变小。

3.2 路用性能的影响研究

微表处混合料在摊铺成型后需要保证其具有良好的路用性能，包括耐磨性、配伍性、抗水损害性能，用于填补车辙的微表处混合料要有较好的抵抗车辙的能力。该文对不同7 mm筛孔通过率的级配进行了湿轮磨耗试验、负荷轮黏砂试验、轮辙变形试验，研究不同7 mm筛孔通过率对微表处混合料路用性能的影响。

3.2.1 湿轮磨耗试验

湿轮磨耗试验可以模拟微表处路面在潮湿状态下的耐磨性能，其耐磨性可以反映出混合料的配伍性和抗水害能力。

湿轮磨耗值越小，说明微表处混合料的耐磨性越好，从而反映出混合料的配伍性和抗水损害能力越好。规范要求1 h湿轮磨耗值不应大于540 g/m2；另外6 d湿轮磨耗值可以检验微表处混合料的抗水损害能力，规范要求6 d湿轮磨耗值不应大于800 g/m2。因该文为了研究7 mm筛孔通过率对微表处耐磨性和抗水损害性能的影响，进行了1 h湿轮磨耗试验和6 d湿轮磨耗试验，在成型4种级配的湿轮磨耗试件时矿料不通过4.75 mm筛孔,同时固定外加用水量为6%，水泥掺量为1.5%，试验结果如图2所示。

图2 不同时长、不同油石比下4种级配的湿轮磨耗值

由试验结果可知：在相同级配下，湿轮磨耗值随油石比的增大而降低，耐磨性变好；当油石比大于7.5%后湿轮磨耗值的下降速度减慢；混合料级配越粗，湿轮磨耗值越小,微表处混合料6 d湿轮磨耗的规律与1 h湿轮磨耗的规律一致，但磨耗值增大。分析认为，在相同级配下，随油石比增大，用于裹覆矿料的沥青增多，混合料沥青膜厚度增加，矿料间的连接更加紧密，因此湿轮磨耗值逐渐降低；矿料级配随7 mm筛孔通过率的变小，4.75～7 mm筛孔集料的减少,7～9.5 mm筛孔集料的增多，矿料总的比表面积减小，用于裹覆矿料的沥青变多，混合料的沥青膜变厚，因此矿料间的黏结性更好，此外，级配4含有较多的7～9.5 mm集料，这种大的矿料嵌挤在混合料中，其坚硬的表面更能抵御磨耗管的磨耗，而含细集料较多的级配由于石料本身较小，在磨耗管作用下很容易被磨耗掉。试件在水浴中放置越久，水对混合料的损害越明显，因此6 d湿轮磨耗值远大于1 h湿轮磨耗值。

3.2.2 轮辙变形试验

单层微表处摊铺成型后厚度一般为10 mm左右，其本身不会形成车辙，但微表处混合料具有很好的填充效果，可以用来修补不同厚度的车辙，因此当微表处混合料用于填充车辙时，需要检验其抵抗车辙的能力。宽度变形率是微表处混合料在负载作用下横向变形的大小，它能够反映微表处混合料抵抗车辙能力的好坏，当PLD(宽度变形率)和PVD(车辙深度率)越小时，说明其抵抗车辙的能力越好。该文固定外加用水量为6%，水泥掺量为1.5%，在不同油石比下对4种级配进行了轮辙变形试验，结果如图3、4所示。

图3 不同油石比下4种级配的宽度变形率PLD

图4 不同油石比下4种级配的车辙深度率PVD

从结果可以看出：相同级配的宽度变形率和车辙深度率随油石比的增加而变大，4种级配在油石比大于6.5%后宽度变形率大于规范要求的5%，且在油石比大于7%之后宽度变形率和车辙深度率的变形速率加快；在相同油石比下，混合料级配越粗，其宽度变形率和车辙深度率越大，且这种规律在高油石比下更加明显。分析认为：当相同级配随油石比增大，混合料内部的自由沥青增多，混合料试件在重载作用下的抵抗横向变形和剪切变形的能力变弱，宽度变形率和车辙深度率变大；在同一油石比下，从级配1到级配4，由于7 mm筛孔通过率的变小，4.75～7 mm筛孔集料的减少,7～9.5 mm筛孔集料的增多，级配越粗，比表面面积越小，因此混合料内自由沥青越多，抵抗车辙变形的能力变弱。从级配上看，虽然级配1到级配3较细，但这3种级配都是连续级配，混合料成型后比较密实，有较好的抵抗车辙的能力；虽然级配4最粗，但是由于缺少4.75～7 mm筛孔的集料，是一种不连续级配，因此7～9.5 mm的粗集料悬浮在小颗粒和沥青胶浆之间，无法在混合料中形成嵌挤的结构，当较粗的集料受到应力后会推移周围较细的集料，使得宽度变形率和车辙深度率大于其他3种级配。

3.2.3 负荷轮黏砂试验

负荷车轮黏砂试验用于确定微表处混合料中沥青用量的上限，沥青用量越多，其黏砂量就越大，可与1 h湿轮磨耗试验一起确定微表处混合料的最佳沥青含量，该文保持其他条件不变，对4种微表处级配进行了负荷车轮黏砂试验，结果如图5所示。

图5 不同油石比下4种级配的黏附砂量

由试验结果可知:相同级配下，黏附砂量随油石比的增大而增大，且近似线性增长；在相同油石比下，黏附砂量随级配的变粗而变大。分析认为：在相同级配下，随油石比的增加，集料表面沥青膜变厚，因此黏砂量增大，在相同油石比下，由于级配随7 mm筛孔通过率变小，4.75～7 mm筛孔集料的减少,7～9.5 mm筛孔集料的增多，级配越粗，比表面积越小，混合料内的富余沥青越多，沥青膜越厚，黏砂量越大。

通过1 h湿轮磨耗值和负荷轮黏砂量可以使用“图解法”确定出级配1～4的微表处混合料的最佳油石比分别为7%、6.8%、6.6%、6.5%。

3.3 长期性能影响研究

加速加载型的磨耗试验能很好评价各种沥青混合料的抗滑和耐磨性能，为了在相对较短时间内对7 mm筛孔通过率对微表处长期性能的影响进行研究，并使试验具有操作性，该文使用重庆交通大学孔令云教授开发的小型加速加载试验装置(图6)对微表处的长期性能进行研究，该装置可用于对沥青混合料耐磨性能测试、功能性涂层材料的耐久性测试等，装置专利号为201120042515X，装置的运转速度为60次/min,可以调整铁片负重使轮胎对试件的压力为0.7 MPa[10]。

图6 小型加速加载装置

3.3.1 试验方法

(1) 试件成型

成型尺寸300 mm×300 mm×50 mm的AC-13车辙板，从模具中取出车辙板后在车辙板周围粘贴1 cm厚的泡沫胶，摊铺1 cm厚的混合均匀的微表处混合料在下车辙板上，用刮板刮平后放入60 ℃烘箱至少16 h后拿出，冷却至常温，相同配比的微表处每次成型3块相同的试件，按顺序编号后备用。

(2) 试验步骤

① 在成型AC-13车辙板后称取其重量记为m1；② 在摊铺微表处混合料烘干后，称取试件的总质量，记为m2，使用摆式仪和手工铺砂法分别测量微表处的摆值和构造深度；③ 将试件安放在加速加载试验仪上，开启仪器，当加速加载次数分别达到1 000、2 000、5 000、1万、2万、5万、10万次时关闭仪器，取下3块车辙板，分别称取试件的重量，测量微表处表面的摆值及构造深度，按式(1)计算微表处混合料的质量损失率：

(1)

式中：m1为车辙板质量(g)；m2为车辙板和微表处试件的总质量(g)；m3为加速加载试验时试件的总质量(g)；M为微表处混合料的质量损失(%)。

3.3.2 长期抗滑性能

为了研究4种级配的长期抗滑性能，该文在4种级配各自的最佳油石比下进行了加速加载试验，采集了不同加速加载次数后的微表处试件的摆值和构造深度数据，试验结果如图7、8所示。

由图7、8可知：同一级配的摆值随加速加载次数的增加而逐渐降低，在没有进行加速加载时，4种级配的摆值相差不大，当作用1 000次时，摆值下降得最多，但在作用10万次后，4种级配的摆值接近；同一级配的构造深度随加速加载次数的增加而逐渐降低，4种级配的构造深度的衰减在加速加载2 000次前较为规律，在加速加载2 000～2万次之间构造深度在较小范围内不断波动变化，2万次之后衰减速率开始变得稳定，在构造深度衰减较为规律时可以看出构造深度排序为：级配4>级配3>级配2>级配1。

图7 不同加速加载次数下4种微表处的摆值

图8 不同加速加载次数下4种微表处的构造深度

分析认为：该文在成型加速加载试件时，摊铺微表处混合料后用刮板将微表处混合料的表面进行了刮平处理，使得混合料表面集料的分布较为平整，加上4种级配只有占整体质量20%的4.75 mm筛孔以上的集料不相同，因此4种级配成型后的摆值和构造深度相差不大；在车轮加速加载作用下，混合料初次成型时粗糙的表面纹理被迅速破坏，因此在作用1 000次时，4种级配的摆值下降得最多，下降速率最快；当继续进行加速加载试验时，微表处混合料表面的细集料由于黏附性不够被磨耗掉，表面逐渐变得光滑，粗集料在车轮作用下不断移位，棱角位置发生改变，因此摆值和构造深度发生较小范围的波动，当混合料被不断揉捻、压密后，整体结构变得稳定，摆值和构造深度的衰减也变得稳定；随7 mm筛孔通过率的减小，4.75～7 mm筛孔集料用量变少，7～9.5 mm筛孔集料用量增多，级配不断变粗，其中混合料中较小的集料由于黏附性不足容易在车轮加速加载作用下被磨耗掉，而粗的集料周围有较多细集料填充，不容易被磨耗掉，而粗集料的棱角又较为突出，因此较粗的级配在加速加载作用下摆值和构造深度大于较细的级配，在试验中由于试验精度不够出现了摆值和构造深度不断摆动的问题，但摆值和构造深度变化的趋势较好地反映了4种级配长期抗滑性能的好坏。

3.3.3 长期耐磨性能

为了研究4种级配的长期耐磨性能，该文在4种级配各自的最佳油石比下进行了加速加载试验，采集了不同加速加载次数后试件的重量，计算得到了质量损失的变化情况，试验结果如图9所示。

图9 不同加速加载次数下4种微表处的磨耗损失

由图9可知：4种级配的质量损失随作用次数的增加而变大，且磨耗损失由高到低依次为：级配1、级配2、级配3、级配4，微表处混合料在作用1 000次时磨耗损失的增长速率最快，之后增长速率逐渐变得稳定。分析认为：4种级配在最初成型时其表面纹理最为丰富，轮胎与微表处混合料的表面接触时，对其表面的相对摩擦力最大，表面的细集料在摩擦力的作用下会迅速脱落，因此在最初的1 000次作用时磨耗损失的增长速率最快，当轮胎继续作用时，其表面的细集料被磨损后，粗集料逐渐显露出来，粗集料坚硬的表面更能有效地抵抗轮胎的摩擦作用，因此含粗集料多的级配的磨耗损失小于含粗集料少的级配，另外由于级配越粗，其混合料内部的沥青膜越厚，矿料间黏结更加紧密，因此在加速加载作用下的质量损失也越小。

4 结论

(1) 通过对4种不同7 mm通过率的级配进行了可拌和时间试验和黏聚力试验，结果表明在相同油石比下，随7 mm筛孔通过率的降低，级配逐渐增粗，微表处混合料的可拌和时间变大，黏聚力变小，说明在其他条件不变时，增大合成级配7 mm筛孔的通过率可以提高微表处混合料的可拌和时间，但会减缓其形成速度。

(2) 通过对4种不同7 mm通过率的级配进行了湿轮磨耗试验、轮辙变形试验和负荷轮黏砂试验，结果表明：在相同油石比下，随7 mm筛孔通过率的降低，级配逐渐增粗，微表处混合料的湿轮磨耗值变小，宽度变形率和车辙深度率变大，黏附砂量变大，说明在其他条件不变时，增大合成级配7 mm筛孔的通过率可以提高微表处混合料的耐磨性，但是会降低其抗车辙性能。

(3) 在4种不同7 mm通过率的级配的最佳油石比下进行了加速加载试验，结果表明：在其他条件不变时，随7 mm筛孔通过率的降低，级配逐渐增粗，微表处混合料的摆值和构造深度下降得越慢，质量损失增长越慢，说明增大合成级配7 mm筛孔的通过率可以提高微表处混合料的长期抗滑性能和长期耐磨性能。