瀝青冷補液的高低溫性能研究*

陳偉盛 秦靖閏 劉 剛 陳 昊 吳成浩

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1) 揭陽 515325) (武漢理工大學材料科學與工程學院2) 武漢 430070)

0 引 言

瀝青冷補料作為一種便捷高效的坑槽修補材料，適用于工期緊迫的瀝青路面的修補作業，同時在面對市政道路修補的復雜的施工環境時，利用瀝青冷補料進行坑槽修補同樣是優于熱拌瀝青混合料的修補[1-2].冷補料的工藝特點是修補迅速、不需加熱、開放交通快[3].王佳旭[4]對稀釋型冷補瀝青混合料進行了坑槽修補性能的研究，探究了瀝青混合料修補的可行性.Khan等[5]在微觀尺度下探究了的礦料與粘結劑的相互作用影響，通過表面能關系解釋冷補瀝青混合料的粘附性特征.Ferrotti等[6]對稀釋型冷補瀝青混合料修補強度隨時間的變化規律做了詳細的研究，其變化規律為隨著冷補料服役時間的增長，瀝青冷補混合料的強度會逐漸的發展較強，其強度變化程度與稀釋劑的揮發量有關.

冷補瀝青混合料在路面坑槽修補中有很高的應用價值，稀釋型瀝青冷補混合料修補性能與稀釋劑的揮發量有關.文中通過對瀝青冷補液進行蒸發實驗，模擬瀝青冷補液中的稀釋劑在自然環境中大部分揮發后的狀態.對揮發后的瀝青冷補液中進行高低溫性能研究，探究稀釋劑揮發后瀝青冷補液的性能變化，解釋說明瀝青冷補混合料強度隨著稀釋劑揮而增強的原因.

1 實 驗

1.1 原材料及其物理性質

選用AH-70瀝青，物理性質見表1.中石化0#柴油，自制冷補瀝青添加劑基本性質見表2.

表1 AH-70道路瀝青性能指標

表2 自制冷補瀝青添加劑性能指標

1.2 試驗方法

1.2.1瀝青冷補液的制備

實驗用瀝青冷補液，以70#基質瀝青為基礎，在115 ℃，200 r/min的條件下進行柴油稀釋劑以及冷補添加劑的配制，并攪拌30 min.其具體實驗摻量見表3.

表3 瀝青冷補液制備配比方案 %

1.2.2瀝青冷補液的揮發實驗

本文研究瀝青冷補液在稀釋劑大部分揮發后的性能.試驗準備，通過對瀝青冷補液進行加熱處理，使稀釋劑高效的揮發脫離瀝青冷補液，模擬實際應用中稀釋劑在自然環境中大部分揮發后的性狀.瀝青冷補液揮發模擬根據文獻[7]中瀝青蒸發損失試驗進行，1～3號瀝青冷補液試樣進行揮發處理，4號為70#基質瀝青揮發對照組，5號試樣為70#基質瀝青對照組，不做任何處理.

1.2.3瀝青冷補液的高溫DSR測試

稀釋型冷補瀝青混合料的性能特征為初期強度低，高溫穩定性差[8].隨著冷補料服役時間的增長，瀝青冷補液中的稀釋劑逐步揮發，冷補料的路用性能得到提高.高溫DSR測試，測定復合模量、相位角以及車轍因子隨溫度變化的關系.復合剪模量是指最大剪切應力和最大剪切應變的比值，可以度量材料重復剪切變形時的總阻力大小，包括粘性部分和彈性部分[9].通過研究上述幾種瀝青冷補液在稀釋劑大部分揮發后的幾種參量隨溫度的變化關系，探究冷補瀝青液的高溫流變性能，解釋瀝青冷補料隨服役年限增長強度加強原因.

1.2.4瀝青冷補液的BBR低溫蠕變試驗

BBR低溫蠕變試驗是通過低溫彎曲流變儀自帶軟件進行加載試驗，利用勁度模量S及蠕變速率m這兩個參數值來評價瀝青的低溫使用性能[10].通過測定揮發后瀝青冷補液的勁度模量和蠕變速率對其進行低溫性能研究，探究稀釋劑大部分揮發后瀝青冷補液的低溫性能.

2 結果與分析

2.1 瀝青冷補液蒸發損失分析

將制備完成的1～4號瀝青冷補液試樣置于163 ℃瀝青薄膜烘箱中，存放5 h，使其進行揮發試驗，5號試樣為70#基質瀝青對比樣不進行蒸發實驗.試驗后的質量損失見表4.

由表4可知，通過文獻[7]中瀝青蒸發損失試驗，質量為49.84 g的70#基質瀝青揮發量僅為0.09 g，揮發百分比只有0.1%.而瀝青冷補液的揮發損失量與原稀釋劑添加量相比占80%以上，由此可知，瀝青冷補液的揮發試驗主要是對冷補瀝青液中的稀釋劑進行，原有基質瀝青干擾程度微小，可以忽略不計.同時，通過瀝青冷補液的揮發量與原有稀釋劑添加量對比可得，在瀝青冷補液經過蒸發損失試驗后，原有瀝青冷補液中的稀釋劑揮發率達80%，已達到大部分揮發的程度，說明瀝青蒸發損失試驗適合模擬在自然環境中稀釋劑大部分揮發后的冷補瀝青液性狀.

表4 瀝青冷補液經蒸發實驗后質量損失

2.2 瀝青冷補液高溫性能分析

以30～80 ℃的溫度梯度對經過揮發試驗后的冷補瀝青液進行高溫性能測試.通過對復合模量，相位角以及車轍因子的作圖比較分冷補瀝青液的高溫流變性能.圖1為瀝青冷補液隨溫度的變化，產生的相應復合模量和相位角的變化關系.

圖1 瀝青冷補液高溫溫度掃描曲線

由圖1可知，在相應的溫度掃描區間，復合模量隨著溫度的升高而減小，相位角隨著溫度的升高而加大.這是由于瀝青是粘彈性，瀝青冷補液會在溫度逐漸升高的情況下，自由體積增大，瀝青從低溫時的高彈性狀態向高溫時的粘流性狀態轉變[11]，導致瀝青在剪切試驗中所受的最大剪切應力變小，最大剪切應變卻增大，故復合模量出現降低，相位角出現增大的現象.

經過蒸發實驗后瀝青冷補液復合模量與未經蒸發試驗的70#基質瀝青相近，甚至當添加劑摻量為4%時瀝青冷補液的模量要高于基質瀝青，這為瀝青冷補料隨著服役時間的增長其高溫性能提高提供了依據.此外，圖1中復合模量最大的是同樣進行蒸發試驗的70#基質瀝青對照試樣，這說明在蒸發實驗的過程中原有的70#基質瀝青已經出現了老化現象，其復合模量增大.由此，也可以得出瀝青冷補料相較于基質瀝青具有延緩老化的優勢，由于稀釋劑的加入，對瀝青混合料起到了一定的抗老化功效.同時，通過不同摻量的稀釋劑、添加劑配比，其高溫性能在也不盡相同，特別是當添加劑的摻量為4%時，瀝青冷補液的性能出現了突變，從這可以看出當瀝青冷補液中應用的稀釋劑與添加劑配比合理時，會對原有的基質瀝青起到一定的改性作用.

瀝青混合料的高溫抗車轍性能可用瀝青的車轍因子(G*/sinδ)參數來進行評價，對瀝青冷補液進行車轍因子分析.圖2為瀝青冷補液的高溫轍因子曲線.

圖2 瀝青冷補液高溫轍因子曲線

在高溫區間，車轍因子越大，瀝青在高溫下抵抗車轍變形的能力越強.由圖2可知，所有曲線呈現出車轍因子隨溫度的升高而減小的趨勢，表明溫度越高，瀝青材料的抗車轍變形的能力越差.由于4號試樣為已經出現老化現象的70#基質瀝青，故在相同的溫度下，其車轍因子相較于基質瀝青增大.當冷補添加劑摻量為4%時，瀝青冷補液的車轍因子明顯高于未老化的70#基質瀝青，低于已老化的70#基質瀝青，說明在此摻量配比下，瀝青冷補液的高溫抗車轍性能優于70#基質瀝青.而當冷補添加劑摻量為2%，6%時，瀝青冷補液的車轍因子低于未老化的70#基質瀝青，從這也可以看出這兩種添加劑與稀釋劑配比摻量的瀝青冷補液性能相較于基質瀝青有所缺陷.綜合上述幾種情況分析，瀝青冷補液在經過稀釋劑蒸發試驗后，其高溫性能會得到改善.

2.3 瀝青冷補液低溫性能分析

根據瀝青PG分級原理[12]，瀝青冷補液的低溫性能利用BBR彎曲流變梁實驗進行測試.試驗選用測定的溫度為-12 ℃.圖3為瀝青冷補液的蠕變勁度S與瀝青基勁度變化率m的關系圖.

圖3 瀝青冷補液-12 ℃蠕變勁度與瀝青基勁度變化率的關系圖

根據路面使用要求，評定瀝青低溫抗開裂性能的依據為蠕變勁度S<300 MPa.由圖3a)可知，本次測試的所有瀝青均滿足此要求，且經蒸發實驗后瀝青冷補液的低溫蠕變勁度遠小于70#基質瀝青的蠕變勁度，此數據為瀝青冷補液的有著優越的低溫抗開裂性能提供了有力的證實.

根據路面使用要求，評定瀝青低溫抗開裂性能的依據為蠕變勁度變化率m>0.3，由圖3 b)可知，瀝青冷補液的m值均符合使用要求規范，因此瀝青冷補液在其稀釋劑大部分揮發后，低溫使用性能良好，滿足規范使用要求.

3 結 論

1) 利用文獻[7]中瀝青蒸發損失試驗對瀝青冷補液進行稀釋劑的揮發，其稀釋劑揮發量可達80%以上，且通過對比基質瀝青揮發實驗發現，基質瀝青經過揮發試驗后質量損失量僅為0.2%，相較于冷補液中稀釋劑的揮發量其影響可忽略不計,因此，瀝青蒸發損失試驗可滿足模擬在自然環境中瀝青冷補液中的稀釋劑大部分揮發的條件.

2) 瀝青冷補液在稀釋劑大部分揮發以后，其高溫性能得到明顯的改善.特別是當瀝青冷補液中的稀釋劑與自制添加劑在配比合理的情況下，瀝青冷補液在稀釋劑揮發量達一定量時，其高溫性能相較于基質瀝青有明顯的提高.這說明瀝青冷補液后期強度的發展不僅與稀釋劑的揮發有關，同時添加劑的使用也在其中產生了至關重要的作用，為瀝青冷補料后期強度的提高作出了解釋說明.

3) 瀝青冷補液在稀釋劑大部分揮發后，滿足路面低溫使用性能要求，相較于基質瀝青具有更加優越的低溫性能.

4) 經過蒸發實驗的基質瀝青出現了老化現象，高溫掃描得到的復合模量有了明顯的提高，而瀝青冷補液的性能則與基質瀝青相仿，這說明，瀝青冷補料具有一定延緩瀝青混合料老化的性能.

[1] 孫祖望，任民.瀝青路面預防性養護實用技術[M].北京：中國建材工業出版社，2017.

[2] 童立.瀝青路面坑槽快速修補材料研究[D].西安：長安大學,2014.

[3] 謝遠新,王澤,羅忠賢,等.瀝青路面防水損害的儲存式冷補材料試驗與分析[J].攀枝花學院學報,2015(2):25-27.

[4] 王佳旭.冷補瀝青混合料設計及其耐久性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2016.

[5] KHAN A, REDELIUS P, KRINGOS N. Evaluation of adhesive properties of mineral-bitumen interfaces in cold asphalt mixtures[J]. Construction & Building Materials, 2016,125:1005-1021.

[6] FERROTTI G, PASQUINI E, CANESTRARI F. Experimental characterization of high-performance fiber-reinforced cold mix asphalt mixtures[J]. Construction & Building Materials,2014,57(1):117-125.

[7] 交通部公路科學研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程:JTG E20-2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[8] 童立.瀝青路面坑槽快速修補材料研究[D].西安：長安大學,2014.

[9] 秦哲煥,肖月,儀明偉,等.長期服役路面老化瀝青流變性能研究[J].武漢理工大學學報,2015,37(10):42-46.

[10] 王琨,郝培文.BBR試驗的瀝青低溫性能及粘彈性分析[J].遼寧工程技術大學學報,2016(10):1138-1143.

[11] TU L L, WU S P, LIU G, et al. Effect of the xanthan gum biopolymer on rheological and aging properties of bitumens[C].The Chinese-european Workshop on Functional Pavement Design,Cew,2016.

[12] 鄭雷.我省道路瀝青PG分級方法[J].黑龍江科技信息,2011(6):236-242.