第九章微表处混合料的配合比设计
1.微表处混合料施工性能包括哪些内容？
2.什么叫可拌合时间和不可拌合时间？我国有哪些规范要求？
3.什么叫稠度值？稠度对微表处施工有什么影响？
4.初凝时间的试验方法是什么？
5.黏聚力试验的目的和试验方法是什么？在试验后四种破损状态是什么？
6.湿轮磨耗(WTAT)试验的目的和试验方法是什么？
7.负荷车轮试验的目的和试验方法是什么？
8.微表处混合料拌合时间不足，设计人员应从哪几个方面进行调整？
9.国际稀浆封层协会规定的黏聚力指标是多少？常见的稀浆混合料黏聚力随时间变化
趋势的四种情况是什么？
10.哪些因素对微表处混合料的施工性能有显著的影响？
11.如何确定微表处混合料最佳乳化沥青用量？
12.微表处混合料路用性能应满足哪些指标、技术要求？
13.微表处混合料各组成材料的用量范围是什么？
14.微表处混合料配合比设计流程图是什么？
15.微表处混合料的设计步骤是什么？
16.怎样做好微表处混合料的配合比设计？
第九章微表处混合料的配合比设计
1.微表处混合料施工性能包括哪些内容？
微表处混合料施工性能包括：①施工可操作性，包括混合料要有足够的可拌和时间，有良好的稀浆状态，有良好的环境条件适应性等，这些指标一般通过混合料的拌和试验来确定；②混合料的成型速度，为了满足快速开放交通的要求，微表处混合料在保证施工时间的同时，必须能够迅速固化成型，并有足够的初期强度，可通过初凝时间试验和黏聚力试验确定。
2.什么叫可拌合时间和不可拌合时间？我国有哪些规范要求？
在拌和锅内放入一定量的矿料(通常为100g)、填料，拌匀，再将水、添加剂等倒入锅中拌匀，然后倒入一定量的改性乳化沥青搅拌并记时。
在改性乳化沥青倒入后的最初5～10s内用力快速拌和，然后用拌和匙沿容器壁顺时针均匀拌和，一般每分钟60～70转，注意观察混合料的拌和状态。
当稀浆混合料变稠、手感到有力时，表明混合料开始有破乳的迹象，记录此刻的时间，称为可拌和时间；继续拌和，当混合料完全抱团，无法拌和时，记录此刻的时间，称为不可施工时间。
重新调整混合料的配方，重复进行上述试验步骤，并记录试验时的气温和湿度。
我国要求可拌合时间在25℃温度下不低于120s。
3.什么叫稠度值？稠度对微表处施工有什么影响？
稠度值表示稀浆混合料和易性与含水量的指标，通过稠度试验测定。
微表处混合料除了要有足够的可拌和时间，还需要有良好的施工状态，即有合适的稠度和良好的稠度可调节性。
混合料的稠度值太大，即混合料过稀，会造成稀浆混合料“跑浆”，影响纵向接缝的直线状态；同时会造成细料上浮，形成表面富油，摊铺厚度也很难保证。
如果混合料的稠度值太小，即混合料过稠，会造成混合料摊铺困难、表面不美观、与原路面黏结不够牢固等问题的出现。
混合
料的稠度在摊铺过程中是不断变化的，我们希望混合料在摊铺过程中始终保持在合适的稠度范围内(2～3cm)。
4.初凝时间的试验方法是什么？
初凝时间试验方法：取刚拌匀的微表处混合料立即摊在油毛毡上铺平，并开始计时。
把试件放在室温下，隔3min用一张滤纸或餐巾纸轻轻地压混合料表面，如果在纸上没有见到褐色的斑点，就认为稀浆已经初凝；如果有褐色斑点出现就再隔3min重复测试；如15min后仍未初凝，就每隔10 min测试，直至达到初凝为止。
记录初凝时间和试验时的气温和湿度。
5.黏聚力试验的目的和试验方法是什么？在试验后四种破损状态是什么？
黏聚力试验反映了混合料的成型时间和开放交通时间。
在相同的时间内，混合料的黏聚力数值越大，说明混合料的成型速度越快，早期强度越高。
黏聚力试验方法：称取200g集料放入拌锅拌匀，然后加入适量的水拌匀，再加入定量的改性乳化沥青拌和均匀，时间不超过1min。
将环型试模放在油毛毡上，将达到要求配比的稀浆混合料拌匀后立即倒入试模并刮平，将脱模后的试样在25℃±6℃的环境中养生并计时。
30min后，将试件置于黏聚力试验仪的气动橡胶压头下面，当仪器压力表达到200kPa时，保持此压力，将测扭矩扳手测力表归零并套住气缸杆上端，在0.7～1.0 s内平稳、坚定、水平地扭转90°～120°并读取扭矩仪读数。
升起橡胶压头，并擦干净底部待下次测试。
60min时，重复上述步骤。
一般情况下，试样在试验后的破损状态有以下四种情况：
(1)高级成型。
试样没有任何破损或裂纹，没有集料散落情况出现，压头在试样表面打滑，表面沥青膜可能被磨掉而留下圆形痕迹(与黏聚力值2.6N·m等效)。
(2)中级成型。
试样表面没有裂纹出现，但压头下的集料会被碾落或粘起(与黏聚力值2.3N·m等效)。
(3)初级成型。
试样表面有一条裂纹出现(与黏聚力值2.0 N·m等效)。
(4)未成型。
多条裂纹出现，甚至整个试样被碾散(黏聚力低于1.2N·m)。
6.湿轮磨耗(WTAT)试验的目的和试验方法是什么？
湿轮磨耗试验的目的：①用于控制混合料的最小沥青用量。
混合料中沥青用量越少，试样的WTAT值就越大，当超过了规定的最大WTAT值时的沥青用量就是容许的最小沥青用量。
②用于评价混合料中各组分的配伍性。
微表处混合料各组分之间存在复杂的化学反应，如果配伍性不好，即便各组分材料质量优良，也无法得到高性能的混合料。
此时混合料的湿轮磨耗值往往无法满足要求，仅仅靠增大沥青用量也无法起到降低湿轮磨耗值的作用③评价混合料的抗水损害能力。
国际稀浆封层协会对微表处混合料提出了浸水1h湿轮磨耗不大于540g/㎡和浸水6d湿轮磨耗不大于806g/㎡的要求，其中浸水6d湿轮磨耗指标除反映混合料的抗磨耗性外，也反映了混合料的抗水损害能力。
湿轮磨耗试验方法：按照确定的混合料各组分的比例(集料过4.75mm筛后的剩余部分)制作成厚度6.4mm、内径280mm的湿轮磨耗试样，烘干至恒量并冷却至室温后称其质量m1，然后将试样放在25℃±3℃的水中养生1h后取出，在湿轮磨耗试验仪上磨5min，然后将试样取出、冲洗、烘干后称其质量m2。
试样磨耗前后的质量差与磨耗面积的比值称为磨耗值。
图7.6-1 湿轮磨耗试验
7.负荷车轮试验的目的和试验方法是什么？
负荷车轮黏附砂试验的目的，是为了确定混合料的最大沥青用量。
沥青用量越大，试样黏附的砂量也就越多。
黏附砂量达到要求的最大值时对应的沥青用量就是混合料的容许最大沥青用量。
负荷车轮黏附砂试验是按照确定的混合料配方，制作1.27cm×5.1cm×38cm 的试样，脱模并烘干至恒量，冷却至室温后在负荷车轮试验仪上碾压1 000次后
称质量m
1，然后在砂框中撒砂(80℃)后再碾压100次后称质量m
2
，计算单位面积
的黏附砂量(m
2-m
1
)／A。
图9.7-1 负荷车轮黏附砂试验
8.微表处混合料拌合时间不足，设计人员应从哪几个方面进行调整？
微表处混合料作为一种快凝型的混合料体系，经常会出现可拌和时间不足的问题时，设计人员可以从以下几个方面尝试延长可拌和时间。
(1)从改性乳化沥青配方上进行调整。
①增大乳化剂剂量。
这种方法是最根本的解决办法。
随着乳化剂用量的增加，改性乳化沥青与集料拌和时游离的乳化剂分子会吸附到集料表面，降低了集料的负电荷强度，从而达到延长可拌和时间的作用。
②适当提高皂液pH值。
皂液pH值升高，沥青微粒表面电荷强度相对降低，从而达到延长可拌和时间的目的。
③使用酸值较低的基质沥青。
若沥青的酸值高，其中的环烷酸会与乳化剂分子中的氨基反应生成盐，降低了乳化剂的效率。
(2)通过外加剂进行调整。
①添加无机盐类添加剂，如Al
2(SO
4
)
3
、CaCl
2
等。
无机盐的加入，其中的金
属阳离子可以选择吸附到集料表面，降低了集料的表面电势，从而起到延长可拌和时间的作用。
②添加水泥、消石灰等无机结合料。
它们的加入，可以增高混合料体系的pH值，降低沥青微粒的表面电势，其产生的金属阳离子又可以选择吸附到集料表面，降低了石料的表面电势，从而达到延缓破乳的目的，这是一种化学作用；同时，水泥和消石灰的加入，增加
的比表面积，有缩短可拌和时问的趋势，这是一种物理作用。
③添加增稠剂。
如果上述方法都不能达到可拌和时间要求，就只能考虑改变乳化剂种类了。
9.国际稀浆封层协会规定的黏聚力指标是多少？常见的稀浆混合料黏聚力随时间变化趋势的四种情况是什么？
微表处混合料的黏聚力是一项十分重要的指标，它反映了混合料的成型速度和开放交通时间。
在相同的时间内，混合料的黏聚力数值越大，说明混合料的成型速度越快，早期强度越高。
国际稀浆封层协会将黏聚力达到 1.2N·ｍ时定义为混合料的凝固时间，将其达到2.0N·ｍ时定义为开放交通时间。
稀浆混合料的黏聚力总是随着时间的延长呈增大趋势的，直至完全成型。
但混合料体系不同，其表现出的黏聚力随时间的变化曲线也是各不相同的。
常见的稀浆混合料的黏聚力力随时间的变化趋势如图9.9-1所示。
图9.9-1 不同微表处混合料的黏聚力变化图
图中的①号混合料，摊铺10min后即凝固，黏聚力值达到了1.2N·ｍ；然后黏聚力随时间呈直线增长趋势，0.5h的黏聚力即达到2.ON·ｍ，满足尽早开放交通的要求。
这种混合料体系是典型的快凝--快开放交通体系。
②号混合料的成型速度比①号混合料要慢，但1h的黏聚力也能满足2.ON·ｍ的要求，可以达到快速开放交通的目的。
我国目前已经完成的微表处试验工程中的成型类型多属于这一种。
③号混合料在0.5h的黏聚力超过了1.2N·ｍ，凝固速度还是比较快的；但此后混合料的强度增长速度相对缓慢，lh的黏聚力值仅有1.5N·ｍ，需要3h以上才能开放交通。
这种类型的混合料可以称为快凝--不急于开放交通型。
④号混合料的凝固时间在l h以上，开放交通时间在5h以上，属于慢凝--不急于开放交通型的混合料。
⑤号混合料比较特殊，其黏聚力在经过了初期增长后又呈下降趋势，离开放交通的时间很长。
该类型混合料成为假凝--不急于开放交通型。
国际稀浆封层协会(ISSA)微表处技术指南中规定，微表处混合料30min的黏聚力值不得低于1.2N·ｍ，60min的黏聚力值不得低于2.ON·ｍ；日本微表处技术指南中的规定与ISSA的规定相同；我国对稀浆封层的技术要求也与之相同。
因此，我国的微表处技术标准中直接引用这一指标和要求值，并要求将黏聚力试样的破损状态也作为一项技术要求提出，具体情况见表9.9-1。
表9.9-1 我国微表处混合料黏聚力要求值
10.哪些因素对微表处混合料的施工性能有显著的影响？
（1）温度的影响
微表处混合料各组分的温度以及环境温度对混合料的施工性能有着显著的影响。
一般情况下，混合料和环境温度越高，微表处的拌和时间越短，成型速度越快；混合料和环境温度越低，微表处的拌和时间越长，成型速度也就越慢。
（2）温度对混合料成型速度的影响
随着成型温度的升高，微表处混合料的初凝时间逐渐缩短，黏聚力数值逐渐
增大，成型速度明显加快。
（3）外加剂的影响
添加外加剂对微表处混合料的施工性能进行调节是必要的。
国内外常用的添加剂包括无机盐类、无机结合料类、乳化剂类等。
①无机盐类外加剂
在一定的剂量范围内，无机盐对混合料的可拌和时间起到了明显的延长作用，但并非剂量越大越有效，而是应根据情况采用合适剂量如果无机盐用量超过了一定剂量后可拌和时间仍然不足，那么再加大用量也将是徒劳的。
最常用的乳化沥青对应乳化剂的水溶液是硫酸铝水溶液。
因为硫酸铝便宜、易得且缓破效果明显，所以应用得比较广泛。
无机盐与无机结合料如石灰、水泥等配合使用的效果会更好。
②无机结合料类破乳调节剂
无机结合料(如水泥、消石灰等)也是一种常用的破乳调节剂。
一般认为，水泥和消石灰的作用是调整矿料的级配，改善稀浆混合料的和易性，加快稀浆固化成型，提高早期强度。
但无机结合料的作用是复杂的，它可以加快破乳速度，也可以以延缓破乳速度或基本不影响破乳速度；它可以增强混合料的黏结，也可能使混合料变硬、变脆。
水泥对微表处混合料性能的影响机理有以下几点：
a、增大比表面积，吸收水分。
水泥粒径很细，加入到混合料中会增加固体材料比表面积，并吸收一定的水分，从而有加快破乳的趋势。
b、金属阳离子的吸附作用。
水泥在有水的条件下发生反应，产生的Ca2+吸附到带负电荷的集料表面，降低了集料的表面电势，延缓了其与带正电荷的沥青微粒的作用，达到延缓破乳的目的。
c、增大混合料体系的pH值。
体系pH值的增大，使改性乳化沥青的表面电势降低，从而延缓了其与集料的作用速度。
可见，水泥的加入，既有加快破乳的趋势，也有延缓破乳的趋势，其对混合料可拌合时间的作用最终要看这两个矛盾的作用哪一个占主导地位。
需要指出的是，水泥添加量一般在0.5％～2.O％之间，水泥或消石灰剂量过大，会使混合料变硬、变脆，是不利的。
○1水泥对可拌和时间的影响
水泥在不同的情况下，既可以延长可拌和时间，又有可能会缩短可拌和时间；既可以改善混合料的成浆状态，也可能会影响沥青与集料的裹附。
现场施工中，水泥用量不可盲目增减，而是应严格按照试验结论，做出正确的选择。
○2水泥对成型速度的影响
增加水泥用量可加快成型速度，使混合料开放交通的时间提前。
（4）其他类型的外加剂
○1高聚物类破乳调节剂
高聚物类物质也可以用来调节混合料的可拌和时间，常用的如聚乙烯醇、羧甲基纤维素等。
这些物质都可以增加乳化沥青的稠度，增大沥青微粒与集料吸附作用的介质阻力，起到延缓破乳速度的作用。
需要注意的是，微表处用改性乳化沥青为阳离子类型，而很多高聚物在水中是带负电荷的，如改性淀粉、羧甲基纤维素钠等，这样的物质不能加入到阳离子乳化沥青中，而应该选择在水中呈中性的聚乙烯醇、羧甲基纤维素等。
高聚物类缓破剂在工程实际中很少应用，因为存在以下两个问题：一是这些物质一般都需要加热后才能溶于水中，使用不方便；二是这些材料的缓破效果不强。
○2乳化剂类破乳调节剂
改性乳化沥青的破乳速度会随着乳化剂的增加而变缓，这是由于乳化剂剂量增加后，乳化沥青中游离的乳化剂分子增多，当与集料混合后，游离的乳化剂分子会迅速吸附到带负电荷的集料表面，降低了集料的表面电势，从而延长了混合料的可拌和时间。
因此，当混合料可拌和时间不足时，可以通过外加乳化剂水溶液的办法缓解破乳速度。
使用时存在有以下问题：
a、这种方法一般不会显著影响混合料成型后的路用性能。
其他缓破剂，往往在缓解破乳速度的同时，影响沥青与集料的裹附，影响混合料的耐磨耗能力等；但采用与乳化沥青相同的乳化剂水溶液作为外加剂一般不会出现这种情况。
b、该办法起到的缓破作用要比制作乳化沥青时增加乳化剂剂量起到的作用小得多。
一般情况下，生产乳化沥青时增加0.1％的乳化剂剂量所起到的缓破作用，大致需要用0.49～0.5％剂量的乳化剂水溶液才能起到相同的效果。
因此，
这种方法是很不经济的，只能用作
临时性措施。
c、只能采用与制作乳化沥青时相同或相近的乳化剂，而不能采用其他类型的乳化剂。
（5）水量对可拌和时间的影响
水量对混合料的拌合状态的调节作用是有限的，如果改性乳化沥青中乳化剂剂量过大，即便不加水，混合料的可拌合时间也会很长，拌合状态很稀；而如果乳化剂剂量不足，即便是加入很多的水，拌合初期混合料特别稀，混合料也会很快破乳；有时会出现假稀浆，即混合料实际上已经破乳，但是由于水量过大，使得仍能够拌合，但这样的混合料的性能是很差的。
11.如何确定微表处混合料最佳乳化沥青用量？
（1）进行湿轮磨耗试验，根据试验结果绘出沥青用量与磨耗量关系曲线，确定沥青用量最小值；
（2）行负荷车轮黏附砂试验，根据试验结果绘出沥青用量与黏附砂量关系曲线，确定沥青用量最大值；
（3）确定沥青用量范围，并以最大值为准，以3个百分点的范围定为容许范围；
（4）按图9.11-1所示的图解法确定沥青用量范围、容许范围和容许范围中值。
图9.11-1图解法确定最佳沥青含量
12.微表处混合料路用性能应满足哪些指标、技术要求？
我国微表处混合料技术要求如表9.12-1
表9.12-1 我国微表处混合料路用性能评价指标
注：该指标仅针对用作车辙填充的微表处混合料。
13.微表处混合料各组成材料的用量范围是什么？
（1）油石比范围
我国的有关规范中规定，细封层(I型)的油石比范围为10％～16％，中封层(II型)的油石比范围为7.5％～13.5％，粗封层(Ⅲ型)的油石比范围为6．5％～
12％，这与国际稀浆封层协会对稀浆封层混合料的规定是相同的。
我国很多单位在进行微表处混合料设计时也多参照这一规定，但在实际应用中的油石比一般在6.0％～8.0％之间(Ⅲ型)。
微表处混合料的油石比要比普通稀浆封层混合料的小一些。
这是因为：①微表处集料砂当量高，吸收沥青的量较少；②采用的改性乳化沥青与集料有更好的黏结，在较小的油石比情况下就能够满足性能要求；③微表处与普通稀浆封层相比，其应用场合交通量大、重载车多，沥青用量需要适当减少。
（2）水泥、消石灰用量范围
水泥、消石灰的作用主要是改善混合料的拌和性能和成型速度，并在一定程度上调整集料的级配，但剂量不宜过多。
剂量过大，不仅会使混合料的拌和性能和混合料稠度受到影响，而且也会使成型后的混合料变脆。
国际稀浆封层协会和日本微表处技术指南中对水泥或其他填料的用量均规定为0％～3％，我国普通稀浆封层的填料用量范围也是0％～3％。
调查发现，国内微表处混合料中水泥、消石灰的用量一般不超过1.5％，多数在O.5％～1.0％之间，考虑到在特殊情况下的需要，剂量选在0％～3％的范围。
（3）水量范围
国际稀浆封层协会认为应根据混合料稠度选择合适的用水量，没有提出用量范围。
我国普通稀浆封层的外加水量范围规定为6％～11％。
外加水的目的主要是为了满足拌和时间和拌和状态的要求，在满足要求的情况下应尽量减少水的用量。
一般情况下，如果微表处混合料中外加水剂量低于5％后仍然能够满足拌和时间的要求，那么混合料的成型速度就很有可能满足不了要求；如果混合料中外加水量超过了15％才能满足拌和时间的要求，一般情况下混合料的拌和状态会比较差，可施工时间较短。
没有必要对水量提出用量范围。
（4）摊铺厚度与单位面积摊铺量
对国内微表处应用情况的调查发现，Ⅲ型级配摊铺厚度一般在8～10㎜之间；Ⅱ型微表处因国内的工程实例较少，建议厚度范围为4～6mm。
综上所述，我国微表处混合料各组成材料的用量范围，如表9.13-1所示。
表9.13-1 微表处混合料各组成材料的通常用量范围
注：①改性剂剂量(固胶占沥青的质量百分比)不宜低于3％。
②外加水量一般在6％～12％之间。
14.微表处混合料配合比设计流程图是什么？
根据微表处混合料设计经验，结合国外的相关规定，提出了如图9.14-1所示的微表处混合料设计流程图。
15.微表处混合料的设计步骤是什么？
（1）原材料的选择
1）改性乳化沥青配方的选择：①根据气候条件、应用场合、使用要求、材
有
料供应等情况选择基质沥青品牌与标号、乳化剂种类以及改性剂的种类与剂量；
②根据所选乳化剂的使用说明，在通常用量范围内选定2～4个乳化剂用量，分别制作改性乳化沥青试样，用于混合料设计。
2)矿料的品质是微表处与普通稀浆封层最重要的差别之一。
我国的普通稀浆封层技术之所以使用效果不理想，甚至有的地方出现了稀浆封层“当年修、当年坏”的情况，很重要的一个原因就是原材料质量太差。
用于稀浆封层的石料基本上都是石屑，而石屑质量是我国公路工程材料中质量最差的材料之一，里面含有大量的山皮土、软弱片和针片状颗粒，有的颗粒甚至用手就能够掰断，用这样的材料得到的混合料自然不会好。
如果用于微表处的集料仍然采用以往的这种石屑，路用性能和使用寿命肯定不会让人满意。
为了确保微表处质量，矿料的选择应遵循以下原则：①为提供经久耐磨的抗滑表面，微表处用集料特别是粗集料部分必须是硬质石料。
②砂当量指标是微表处矿料质量的最重要指标之一，应尽量选择砂当量高的集料。
③在当地缺少成功经验的情况下，矿料级配宜接近级配范围中值。
其中4.75mm通过率显著影响微表处的表观效果和抗滑性能，0.075mm；筛孔通过率显著影响稀浆混合料的成浆状态和沥青与石料的裹附，是最重要的参数。
(2)微表处混合料配方初试
微表处混合料配方初试按照下列步骤进行。
1)选取级配合格的矿料并测定其含水率。
2)称取若干份一定质量的级配矿料(一般为lOOg)，选择其中一个乳化沥青配方，按照已有经验，在通常的油石比范围内，以0.5％的沥青用量间隔变化改性乳化沥青用量，不断调整添加剂种类与用量、用水量后，进行拌和试验，试验方法参照《微表处和稀浆封层技术指南》。
Ⅲ型级配的油石比一般在 6.O％～8.O％之间，Ⅱ型级配的油石比一般在7.0％～9.0％之间。
3)如果尝试了多种添加剂种类与剂量以及用水量后，混合料的可拌和时间仍不能满足要求，可选择另外的改性乳化沥青配方或者调整矿料组成后重新进行试验；仍然无法满足要求的，应重新选择原材料后再作设计。
4)对可拌和时间满足要求的试样，待成型后观察试样油石比大小和沥青与石料的裹附情况，试验方法参照《微表处和稀浆封层技术指南》。
当发现初试的油。
