SBS改性瀝青用于路面坑槽快速修補(bǔ)的性能研究

錢 征

（唐山市地方道路管理處，河北 唐山 063000）

瀝青路面坑槽是日常養(yǎng)護(hù)中最常見又最難處理的病害之一，特別是在寒冷的冬季或者潮濕的雨季。常規(guī)的熱補(bǔ)料無法及時有效地對坑槽進(jìn)行修補(bǔ)，冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)冷拌冷鋪，可一次生產(chǎn)拌合，儲存?zhèn)溆茫S用隨取，無需二次加熱，適合北方低溫的冬季和南方多雨季節(jié)使用，使用方便，快捷環(huán)保[1]。

1 原材料性能

本著來源方便、價格經(jīng)濟(jì)，材料之間的相互配伍性和試驗(yàn)操作的可行性原則，礦料為與瀝青黏附性好的堿性集料——石灰?guī)r，礦粉是石灰?guī)r礦粉，瀝青采用SK90號（用于基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)混合料）和SBS改性瀝青（用于改性瀝青型冷補(bǔ)混合料），稀釋劑選擇0號柴油。

1.1 瀝青

研究選用的瀝青有SK90號基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1和表2。各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

表1 SK90號基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.2 礦料

考慮到冷補(bǔ)瀝青液中瀝青被柴油稀釋，會導(dǎo)致黏性降低，礦料采用與瀝青黏附性較好的堿性集料——石灰?guī)r，其技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 礦料技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 稀釋劑

稀釋劑的選用是冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料使用效果良好的關(guān)鍵因素，研究選用質(zhì)量符合要求的車用0號柴油為稀釋劑，柴油主要技術(shù)指標(biāo)表4所示。

表4 0號柴油技術(shù)指標(biāo)

2 配合比設(shè)計

2.1 冷補(bǔ)瀝青液各成分摻配比例

基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)瀝青液的基礎(chǔ)瀝青采用90號基質(zhì)瀝青，按照生產(chǎn)常用摻配比例，基質(zhì)瀝青、稀釋劑（柴油）和冷補(bǔ)添加劑3種材料的摻配比例為78%、20%和2%。

改性瀝青型冷補(bǔ)瀝青液采用SBS改性瀝青作為基質(zhì)瀝青，稀釋劑用量通過試驗(yàn)確定，擬定油石比為5.0%，稀釋劑用量分別為20%、25%、30%、35%進(jìn)行成型馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)得出，當(dāng)稀釋劑用量為26%時，馬歇爾穩(wěn)定度最高，故選用26%作為改性瀝青型冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的最佳稀釋劑用量。

2.2 礦料級配設(shè)計

采用細(xì)粒式瀝青混合料LB-13類型進(jìn)行試驗(yàn)，在規(guī)范要求的范圍內(nèi)初擬3種冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料級配，進(jìn)行馬歇爾體積指標(biāo)及穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果擇優(yōu)選取。3種冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的級配類型如表5所示。

表5 初擬的集料級配類型

3種不同級配的油石比初步擬定為4.5%，制作馬歇爾試件，試驗(yàn)結(jié)果表明：不同級配混合料的流值、空隙率、礦料間隙率大小不同，其值有相同的大小關(guān)系：合成級配1大于合成級配3大于合成級配2，而瀝青飽和度和穩(wěn)定度的大小關(guān)系表現(xiàn)為：合成級配2大于合成級配3大于合成級配1。冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性一般較差，而控制水穩(wěn)性能的關(guān)鍵指標(biāo)是空隙率，因此混合料的空隙率不宜過大，否則水分滲入會加劇水損壞的發(fā)生，但同時空隙率也不宜過小，過小的空隙率將不利于稀釋劑的揮發(fā)，影響后期成型強(qiáng)度的形成。參考上述因素，綜合考慮，選定合成級配3作為本文的最優(yōu)級配。

2.3 最佳油石比的確定

目前國內(nèi)沒有統(tǒng)一的關(guān)于冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）有相關(guān)規(guī)范，但是僅要求馬歇爾穩(wěn)定度不宜小于3 kN；為了保證稀釋劑柴油的揮發(fā)，加快形成強(qiáng)度，冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料要保證一定的空隙率；而空隙率過大又會影響其耐久性和水穩(wěn)性，故將空隙率指標(biāo)確定為6%～12%。參考熱拌瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA指標(biāo)：VMA的最小值為15%，VFA為45%～70%[2]。

按照普通的熱拌瀝青混合料最佳瀝青含量的控制指標(biāo)和步驟來確定瀝青冷補(bǔ)材料的瀝青用量。根據(jù)馬歇爾法，成品瀝青液型冷補(bǔ)混合料的最佳油石比為4.1%；基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)混合料的最佳油石比為4.2%；SBS改性瀝青型冷補(bǔ)混合料的最佳油石比為4.5%，其中SBS改性瀝青∶稀釋劑∶冷補(bǔ)添加劑為72%∶25%∶3%。

3 冷補(bǔ)瀝青液及混合料的性能測試

對3種不同的瀝青膠結(jié)料、瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，包括黏附性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能的測試。

3.1 黏附性試驗(yàn)

按照水煮法進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，選用9.5 mm粒徑的集料，按照試驗(yàn)規(guī)程拌制集料，取20顆集料攤鋪在玻璃板上，在室溫冷卻1 h。將集料裹附瀝青后置于玻璃板上，然后浸入80℃±1℃的恒溫水槽中，保溫30 min后，將剝離及浮于水面上瀝青用紙片撈出。取出玻璃板并置于冷水中，觀察瀝青薄膜的剝離情況，評定剝離面積百分率。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 3種冷補(bǔ)瀝青液與集料的黏附性試驗(yàn)

上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明成品瀝青液和基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)瀝青液與集料的黏附性等級均為5級，達(dá)到了熱拌瀝青混合料的指標(biāo)要求。而改性瀝青型冷補(bǔ)瀝青液水煮法試驗(yàn)剝離面積大于10%，不能滿足高等級公路熱拌瀝青混合料路用性能要求。當(dāng)瀝青與SBS混合時，由于結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，使得兩者不能完全相容從而降低了瀝青的黏附性。但是工程實(shí)踐表明SBS改性瀝青冷補(bǔ)料完全滿足路用要求，故冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料與集料的黏附性可參照規(guī)范要求，選用水煮法或水浸法，但是規(guī)范中給出的裹覆面積不得小于95%，不盡合理，可以改為黏附性等級不小于4級，瀝青裹覆面積不得小于85%。

3.2 水穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中相關(guān)規(guī)定，檢測3種瀝青冷補(bǔ)混合料的水穩(wěn)定性能，進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不添加其他添加劑的條件下，冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料在水浴時松散不能滿足規(guī)范要求。為了改善水穩(wěn)性，采用消石灰代替部分礦粉。

由于消石灰是強(qiáng)堿性材料，對瀝青有較強(qiáng)的吸附作用。使用消石灰代替1/3的礦粉，在混合料拌合時與礦粉一起加入到拌鍋內(nèi)。添加消石灰并重新制作馬歇爾試件，再次進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，得出三者幾乎都能滿足規(guī)范要求的70%，添加SBS后，瀝青混合料的水穩(wěn)定性提高20%左右。表明消石灰代替礦粉可以明顯改善冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性。

3.3 高溫性能

熱拌瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法成型試件后，將試件連同試模一起，置于110℃烘箱中保溫24 h，以加速稀釋劑的揮發(fā)。取出后，立即在車轍成型機(jī)上進(jìn)行二次碾壓，于常溫下放置24 h后即可進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在40℃和60℃試驗(yàn)溫度下，冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的動穩(wěn)定較低。但這并不能完全反映冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料真實(shí)的抗車轍性能。冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料在工程中主要用于初春和晚秋季節(jié)使用，而這時的路面溫度遠(yuǎn)不能達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的模擬溫度；由于冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料屬強(qiáng)度成長性材料，為了保證初期的施工和易性使用了稀釋劑，在本論文的試驗(yàn)條件下也只能揮發(fā)掉近30%的柴油稀釋劑，稀釋劑的存在導(dǎo)致瀝青的高溫黏度顯著降低，導(dǎo)致集料的黏附性差，進(jìn)而冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的抗高溫變形能力差。故推薦冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料高溫穩(wěn)定性采用上述試驗(yàn)方案，評價指標(biāo)為動穩(wěn)定度大于300次/mm[3]。

3.4 低溫性能

為了評價3種冷補(bǔ)材料低溫抗裂性能，分別進(jìn)行小梁彎曲破壞試驗(yàn)。在SANS萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行小梁，中點(diǎn)加載，試驗(yàn)溫度為0℃和-10℃；試驗(yàn)試件尺寸：30 mm×35 mm×250 mm，跨徑200 mm；通過計算機(jī)系統(tǒng)可自動獲取最大破壞荷載、撓度、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量和斷裂能等數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青膠結(jié)料對冷補(bǔ)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響較顯著，成品瀝青液型與SBS改性瀝青冷補(bǔ)混合料均表現(xiàn)為優(yōu)良的低溫抗裂性能，在-10℃和0℃時，兩種混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本接近，未添加SBS的基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)混合料的抗裂性能指標(biāo)與前兩者均存在較大差距，試驗(yàn)結(jié)果有力證明在混合料中添加SBS可以有效增強(qiáng)冷補(bǔ)料的低溫抗裂性能。

4 基于摩爾-庫倫理論的冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料強(qiáng)度分析

冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料為強(qiáng)度成長性材料，坑槽修補(bǔ)初期強(qiáng)度較小，隨著稀釋劑的逐漸揮發(fā)和交通荷載的碾壓，強(qiáng)度緩慢增加，在添加劑的作用下，冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料最后達(dá)到甚至超過熱拌瀝青混合料的強(qiáng)度。冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的強(qiáng)度主要來源于兩個方面：內(nèi)摩阻力和黏結(jié)力。內(nèi)摩阻力主要由集料形成的骨架結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生，是坑槽修補(bǔ)初期冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的強(qiáng)度主要組成部分；黏聚力由結(jié)合料冷補(bǔ)瀝青液決定，攤鋪后修補(bǔ)料中的稀釋劑揮發(fā)，其值逐漸增大[4]。

冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料拌存儲時，未經(jīng)壓實(shí)可以近似認(rèn)為摩阻角Φ=0。且冷補(bǔ)瀝青液呈液態(tài)，還沒有產(chǎn)生黏結(jié)力，故可近似認(rèn)為黏結(jié)力C=0。瀝青修補(bǔ)料修補(bǔ)坑槽經(jīng)壓實(shí)成型后，結(jié)構(gòu)基本形成，礦料嵌擠、摩擦，Φ值達(dá)到一定值，瀝青液黏結(jié)礦料，黏聚力C值逐漸增長，使得修補(bǔ)料有了初始強(qiáng)度，基本上能夠滿足行車要求。隨著稀釋劑逐漸揮發(fā)，混合料中瀝青的黏度逐漸增大，即黏結(jié)力C逐漸增大，加之行車荷載使得礦料進(jìn)一步壓實(shí)，摩阻角Φ也有所增長，混合料的強(qiáng)度逐漸增大，最終冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的強(qiáng)度達(dá)到與熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)某潭萚5]。

5 結(jié)論

本文根據(jù)冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的使用環(huán)境，確定冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的礦料級配、稀釋劑、冷補(bǔ)添加劑及瀝青的最佳用量，并從理論上闡述了瀝青冷補(bǔ)料用于坑槽修補(bǔ)的可行性。比較了成品瀝青液、基質(zhì)瀝青型和改性瀝青型冷補(bǔ)混合料的路用性能，對瀝青路面坑槽修補(bǔ)料的使用推廣能起到一定的指導(dǎo)作用。

a）通過試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法選取了冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的級配和最佳瀝青用量，3種冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的油石比均在4%～4.5%之間。

b）馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)表明了冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性不能滿足路用性能的要求，建議采用消石灰代替礦粉的方法提高冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性。

c）對冷補(bǔ)瀝青液和冷補(bǔ)混合料進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果均表明SBS可有效改善冷補(bǔ)瀝青混合料的路用性能，即SBS改性瀝青用于瀝青路面坑槽快速修補(bǔ)是可行的。

d）推薦瀝青冷補(bǔ)混合料的高溫穩(wěn)定性評價指標(biāo)動穩(wěn)定度大于300次/mm，瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)性能指標(biāo)黏附性等級設(shè)定為不小于4級。