道路用冬季冷補瀝青添加劑的制備開發

隋 欣 錄

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 研究目的

我國大量早期建成的瀝青路面已經或即將進入養護高峰期，冷補瀝青因其在路面坑槽修補方面的高效高強等性能優勢備受青睞。但由于其造價較昂貴，且其技術性能對于國內高寒區環境存在不適應，較大的限制了冷補材料的推廣。目前國內對于冷補添加劑的開發仍處于發展階段，尚無成熟的高性價比產品，所以研究一種高性能、經濟及環保的冷補添加劑是我們主要目的。冷補瀝青分為乳液型和溶劑型，溶劑型瀝青冷補添加劑對低溫環境施工的適應性更好，為主要研究方向。

路面坑槽的及時與快速修補對保證道路的安全順暢通行意義重大；同時，相對于受到施工環境嚴格限制的熱補，冷補可改善工人的勞動條件、減輕環境的污染壓力,因此推廣冷補瀝青混合料對社會、經濟效益成就顯著。

2 項目內容

基于前述的研究目的，提出如下三方面的主要研究內容：

1)通過分析冷補添加劑與瀝青之間的相容性和其與瀝青、礦料之間的催化作用這兩種不同機理的冷補添加劑技術原理與性能特征，有針對性地選擇技術方案。

2)選擇冷補添加劑原材料，對冷補添加劑進行技術經濟比選，確定合適的合成單體成分和劑量并針對主要成分的技術特點，考慮工程應用便利性等條件研究其合成技術。

3)冷補添加劑的應用性能驗證。由前述所確定的幾種有代表性的合成材料通過大量的冷補瀝青混合料路用性能的室內試驗方法及評價指標，最終確定一種工作性能良好、硬化速度較快、耐高溫、無明顯老化現象且適于我國高寒環境的冷補添加劑。

本項目將通過三大指標試驗、馬歇爾穩定度試驗以及車轍試驗，驗證不同成分不同劑量的冷補添加劑對于實際工程中成品冷補瀝青需具備的多項基礎性能，如工作性、硬化速度、高溫穩定性、低溫抗裂性為考核指標。同時本項目將在原材料選擇上進行創新，用廢舊輪胎橡膠粉(40目以下)代替常用SBR或SBS，環保、再生，節約能源，最終成品于寒區冬季施工使用(-20 ℃)，也能適應寒區冬寒冷夏炎熱的服役使用。

3 冷補瀝青混合料技術機理

針對已有冷補瀝青混合料進行性能檢測。瀝青是一種黏彈塑性材料，溫度升高時其黏度降低，此時可進行瀝青混合料的拌和、攤鋪、壓實等操作。溫度越低，瀝青黏度越大，此時混合料顆粒間相互黏結，混合料快速成型，達到能夠滿足實際工程需要的強度。

摩爾—庫侖理論可以用來分析一般熱拌瀝青混合料的強度，通過對混合料試件進行三軸剪切試驗，得到材料的黏聚力c、內摩擦角φ和正應力σ，可知瀝青混合料的抗剪強度:τ=c+σtanφ，其中,τ為瀝青混合料的抗剪強度，MPa;c為瀝青混合料的黏聚力，MPa;σ為瀝青混合料的正應力，MPa。

冷補瀝青混合料是由幾種主要成分構成的混合體系，主要包括瀝青、礦料、添加劑和稀釋劑，因此其強度形成機理也可以通過摩爾—庫侖理論進行分析。在此理論基礎上，對已有冷補瀝青混合料進行浸水馬歇爾穩定度試驗，得到基礎數據：最大強度2.02 kN，最大流值3.92 mm。

4 冷補瀝青添加劑原材料的選擇

利用熱拌瀝青混合料進行瀝青路面修補時，需將其加熱到150 ℃以上，然后在140 ℃左右下進行攤鋪和壓實，在這個過程中瀝青將會老化，消耗許多能量，同時也對環境產生一定的污染。因此，能夠在常溫下拌和攤鋪壓實的冷補瀝青混合料的制備開發就顯得尤為重要。

冷補瀝青分為乳液型和溶劑型，溶劑型瀝青冷補添加劑對低溫環境施工的適應性更好，為主要研究方向。本項目冷補添加劑的制備預選用航空煤油、廢舊橡膠粉、C5或C9石油樹脂、RC-10礦物油。

航空煤油可稀釋瀝青，增強瀝青低溫流動性；廢舊橡膠粉可以使瀝青的高低溫性能得到改善，也可以減少瀝青路面的病害，同時廢舊橡膠粉可回收利用，利于環境保護；C5或C9石油樹脂具有一定的延展性和硬度，可增強瀝青的粘結性；RC-10礦物油作穩定劑，使本冷補添加劑具有較長的貯存時間。

5 冷補瀝青混合料的制備流程

冷補瀝青混合料的制備流程與熱拌瀝青混合料相比要簡單的多，施工也更加簡單，工序不繁瑣，便于運輸和儲存。采用冷補瀝青混合料進行路面修補，可避免加重坑槽的損害，使得路面使用壽命延長。其生產工藝主要有下面幾步。

5.1 瀝青的改性

冷補改性瀝青指標試驗選擇90號基質瀝青，加入添加劑拌和后制備成冷補瀝青液。冷補瀝青液的制備實質就是將基質瀝青改性，所需添加劑分為預聚體A和預聚體B，其具體操作為:

首先加熱適量基質瀝青，控制溫度在115 ℃～125 ℃之間，然后根據瀝青的質量按比例15∶1添加預聚體B，邊加邊攪拌均勻，用剪切機剪切30 min。然后再根據瀝青的質量按比例15∶7添加預聚體A，用剪切機剪切20 min。拌制混合料時溫度不能太高，防止稀釋劑揮發，溫度控制在110 ℃左右。

5.2 預聚體A和預聚體B的生產工藝

1)制備預聚體A：取適量礦物油加入高速剪切機中，升溫至60 ℃～80 ℃時，加入預先稱量好的C5石油樹脂，繼續升溫至80 ℃～90 ℃時，啟動高速剪切機剪切30 min～40 min，制得預聚體A，其中礦物油∶C5石油樹脂=5∶1。

2)制備預聚體B：取適量煤油加入高速剪切機中，升溫至30 ℃～40 ℃時，加入廢舊橡膠粉，恒溫加熱20 min～30 min后，啟動高速剪切機剪切的同時繼續升溫，溫度達到90 ℃～100 ℃時加入預先稱量好的C9石油樹脂，恒溫剪切30 min～40 min，制得預聚體B，其中煤油∶廢舊橡膠粉∶C9石油樹脂=4∶1∶1。

5.3 冷補瀝青混合料的拌制

1)按照已經確定好的集料級配配置好集料，然后將其倒入拌和機械中，拌和溫度為30 ℃，拌和時間為1 min。

2)根據試驗確定的最佳瀝青用量制備冷補瀝青混合料，將改性瀝青倒入拌和機械中，拌和時間為10 min。

3)按照礦粉的計算用量添加礦粉，拌和時間為5 min。

4)將冷補瀝青混合料裝入袋中密封，使用時可直接進行攤鋪，壓實。

6 研究結論

本冷補添加劑的開發與現有技術相比較，具有如下優點。

1)本冷補添加劑制造容易，用現有設備在加熱條件下進行高速剪切和膠體研磨工藝即可制備。

2)使用本冷補添加劑配制成的道路路面材料具有優良的水穩定性、低溫抗裂性和高溫穩定性，既適于修補北方高寒區，也適于修補其他氣候條件地區的道路路面，適用范圍廣。

3)使用本冷補添加劑配制成的道路路面材料，可存放較長時間，根據不同道路施工要求配制的各種路面材料貯存時間最低可放置半年。

4)使用本冷補添加劑配制成的道路路面材料，在施工時多取的量可以經儲存后再用，不會浪費材料，節能環保。

5)使用本冷補添加劑配制成的道路路面材料，可在低溫環境下直接進行路面施工，摒棄傳統的熱拌施工方法，施工方便快捷，對環境污染較小，不需封閉交通。