基于PAV和RTFOT法的冷拌瀝青混合料性能研究

黃蓉斌

(廣西玉林城區公路管理局，廣西 玉林 537000)

0 引言

隨著公路事業的發展，瀝青路面的廣泛應用造成其在長期荷載作用下形成坑槽。目前，針對路面坑槽修補的方法主要是熱拌瀝青混合料，不僅浪費能源，而且還污染環境，過程復雜，若不能及時修復坑槽，會造成雨水慢慢地沿著裂縫浸入路基，導致道路受損情況越來越嚴重[1]。

冷拌瀝青可以密封保存的儲存性能是其最突出的優點之一，可以增加路面使用壽命，及時改善路面坑槽，降低維護費用。最常用的冷拌瀝青有兩種，一種是稀釋溶化基質瀝青，另外一種是乳化瀝青和改性乳化瀝青形成的冷混瀝青[2]。但這兩種冷拌瀝青混合物的耐久性評估導致其在市場上并不能充分發揮自身的優勢。因此，有必要開展冷拌瀝青混合料性能的研究，建立和完善評價指標，提高冷拌瀝青混合料的耐久性，延長其使用壽命。

1 冷拌瀝青混合料的分類

1.1 溶化型冷拌瀝青混合料

溶化型冷拌瀝青混合料作為應用最廣泛的瀝青混合料，主要由基質瀝青、冷補劑、冷料、混合骨料組成。采用溶化型冷拌瀝青混合料用來修復坑槽，由于加入了冷補劑，使溶化型冷拌瀝青混合料具有良好的加工性和儲存性，降低了對路面的溫度要求，冷補劑的加入也可以改善道路性能。

1.2 乳化型冷拌瀝青混合料

乳化型瀝青(或改性乳化瀝青)與骨料混合形成乳化冷拌瀝青混合料，它的使用材料成分簡單，其強度主要取決于乳化瀝青破乳后產生的強度。

2 冷拌瀝青混合料的特性及其要求

2.1 冷拌瀝青混合料的特性

(1)存儲比較簡單，施工便利。

(2)適用于雨天和溫度較低的環境，適應性較強。

(3)環境污染較低。

(4)不限制交通、方便運輸。

2.2 冷拌瀝青混合料的性能要求

冷拌瀝青混合料的性能目前尚無規范要求，但冷拌瀝青的施工和加工性能較好，優良的瀝青混合料必須滿足表1要求[3]：

表1 冷拌瀝青混合料的性能要求表

2.3 冷拌瀝青老化性能評價方法

研究瀝青的老化是研究冷拌瀝青混合料耐久性的關鍵問題。老化是指瀝青從拌合階段開始受陽光、水等環境影響發生一系列化學反應，導致瀝青的結構破壞、性能變得低劣。瀝青的老化從發生的階段可以劃分為短期老化和長期老化。針對于溶化型冷鋪瀝青采用壓力老化(PAV)來模擬自然老化，針對于乳化型冷鋪瀝青采用薄膜烘箱加速老化試驗(RTFOT)來模擬乳化瀝青的自然老化。

2.3.1 壓力老化試驗(PAV)

壓力老化試驗(PAV)模擬瀝青在高溫高壓下的化學反應，通過壓力老化試驗來加速冷拌瀝青混合料的老化，用來評價瀝青的抗老化能力。壓力老化試驗(PAV)所使用瀝青樣品為溶化型(包括柴油，白油、機油)冷拌瀝青，該方法包括以下步驟：

(1)采樣50 g±0.5 g，置于樣品盤中，設定老化溫度。

(2)當溫度接近老化溫度時，立即供應2.0 MPA±0.1 MPA的空氣壓力，并保持20 h±10 min。

(3)完成20 h±10 min的老化階段后，打開壓力釋放閥，使容器內的壓力與外部壓力相同。打開壓力容器，取出殘渣，測試殘留物的性能。

(4)殘留物的質量損失公式(減值為負，加值為正)如下計算：

(1)

式中：LT——試樣壓力老化加熱質量變化(%)；

m0——試樣瓶質量，單位g；

m1——實驗前樣品和容器總重，單位g；

m2——實驗后樣品和容器總重，單位g。

(5)經PAV試驗后，殘留物針入度KP變化按下式進行計算：

(2)

式中：Kp——殘留物針入度(%)；

P1——實驗前的針入度，單位0.1 mm；

P2——實驗后的針入度，單位0.1 mm。

(6)完成壓力老化試驗(PAV)后，殘留物軟化點ΔT變化按下式進行計算：

ΔT=T2-T1

(3)

式中：ΔT——軟化點增值(%)；

T1——實驗前的軟化點，單位℃；

T2——實驗后的軟化點，單位℃。

針對溶化型冷拌瀝青的老化，由于物料混合溫度≤40 ℃，所以瀝青在攪拌過程中不會出現短期老化。因此，在氧化還原反應過程中，用壓力老化試驗制備的瀝青直接用于旋轉薄膜烘箱法測得的殘余樣品的壓縮。根據壓力老化試驗(PAV)來評價溶化型瀝青的老化性能，通過20 h壓力老化試驗，結果見表2：

表2 溶化型瀝青壓力老化試驗結果表

以上數據分析可得，柴油型、白油型、機油型三種質量百分比的增加均呈陽性，質量仍正在上升，說明這一結果是隨著老化時間的增加，有機物溶化揮發，可滲透性逐漸降低，耐老化性更強。從表2可以看出，白油型、機油型和柴油型三種材料軟化瀝青的軟化點相差不大，都具有較好的抗老化能力。柴油型老化指數為0.055 14，白油型老化指數為0.042 35，機油型老化指數為0.045 68。根據壓力老化試驗(PAV)得出結論，溶化型冷拌瀝青抗老化能力強弱順序為白油型<機油型<柴油型。

2.3.2 旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)

旋轉薄膜烘箱試驗法(RTFOT)是指瀝青樣品通過旋轉薄膜烘箱加熱，保留殘留物，再通過一系列的殘留物性能分析(如質量變化，滲透性，軟化點變化等)評價瀝青老化特性[4]，其步驟如下：

(1)洗瓶(數量應≥8)，干燥后稱重，計質量為M0。調整環形加熱爐，預熱160 ℃±0.5 ℃不低于16 h，調整氣流的流量為4 000 ml/min±200 ml/min。稱重兩種乳化瀝青(乳化瀝青W-5，改性瀝青1468型)35 g±0.5 g，放入試驗瓶，稱重，計質量為M。

(2)旋轉薄膜烘箱上面放置集流器，測定每個測試樣本的空氣流速。啟動儀器，使熱空氣進入旋轉薄膜烘箱超過75 min。

(3)在達到所需時間后，去除質量損失、冷卻至室溫、稱重。

(4)殘留物質量損失公式(減值為負，加值為正)與上述相同。

根據乳化瀝青的老化性能，主要采用質量損失、殘留針入度比和軟化點增量等評價方法。實驗組由W-5乳化瀝青和1468型改性乳化瀝青組成。旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)結果見表3：

表3 乳化型瀝青旋轉薄膜烘箱老化試驗結果表

從表3的數據分析可以得出結論：由于瀝青的老化，乳劑型瀝青殘留物的質量增加，同時，由于瀝青硬化，導致殘余物可滲透性降低，變相提高了瀝青抗老化性能。軟化點升高，瀝青的抗老化性能更好。從質量損失、針入度、軟化點等性質分析，1468型乳化型瀝青整體抗老化性能優于W-5型。

2.4 冷拌瀝青混合料的性能評價方法和指標

參考國內外評價體系，修正并綜合熱拌瀝青混合料評價方法，本文制定出對冷拌瀝青混合料性能的評價體系：采用馬歇爾試驗測定冷拌瀝青混合料的初始和成型強度；采用修正浸水馬歇爾實驗測定混合料的水穩定性；采用車轍試驗評價混合料高溫穩定性。

2.4.1 初始強度評價方法

在本文中，馬歇爾穩定性方法用于評估初始強度。測試程序如下：

(1)使用氣密袋，均勻混合約1 000 g冷拌瀝青，放置于室溫2 h。

(2)取出密封的冷拌瀝青，制成馬歇爾試驗標本。在室溫下，樣品正反面擊打達到75次。

(3)馬歇爾穩定性可以在壓力釋放后測量，測量值為初始強度。

通過上述步驟檢測冷拌瀝青的初始強度。結果如表4所示。

表4 初始強度試驗結果表

從表4可以看出，初始強度從大到小排序為柴油型>1486型>白油型>機油型>W-5型。

2.4.2 成型強度評價方法

影響冷拌瀝青強度的因素很多，由于成型過程時間長，試驗采用110 ℃旋轉薄膜烘箱加熱方式，加快樣品成型，步驟如下：

(1)取冷拌瀝青混合料約為1 000 g，室溫下進行馬歇爾試驗，壓實高度為63.5 mm±1.0 mm；然后取馬歇爾試驗樣品放置在烤箱中，溫度控制在110 ℃，加熱24 h。

(2)加熱完成后，取出樣品進行馬歇爾試驗，正方面擊打25次后，室溫下養護24 h。

(3)取出樣品放入60℃水箱中養護30 min，再進行馬歇爾穩定性試驗，即成型強度值。

結果如表5所示。

表5 成型強度試驗結果表

表5冷拌瀝青混合料的成型強度值由大到小依次為柴油型>1486型>白油型>機油型>W-5型。

2.4.3 冷拌瀝青混合料水穩定性評價方法

本文采用改良浸水馬歇爾試驗對冷拌瀝青混合料進行水穩定性分析：

(1)測量冷拌瀝青混合料1 000 g，制成馬歇爾試驗標本，正反面擊打50次，溫度設定為110 ℃，養護24 h，然后取出，再進行正反面擊打25次，試驗標本高度控制在63.5±1.0 mm。

(2)取出后，將樣品分為兩組，保存在烘箱中(30 ℃，48 h)，測定水穩定性。另一組浸入恒溫水浴(30 ℃，48 h)。

(3)根據以下公式計算冷拌瀝青混合料的殘余物水穩定性：

(4)

式中：MS0——浸水殘留穩定度(%)；

MS1——浸水馬歇爾穩定度，單位kN；

MS——成型馬歇爾穩定度，單位kN。

修正浸水馬歇爾試驗結果見表6：

表6 浸水馬歇爾試驗結果表

結果表明，殘留物水穩定性都不高，維持在70%～85%。1468型乳化瀝青殘渣水穩定性最好，機油型水穩定性最差。

2.4.4 高溫性能評價方法

冷拌瀝青混合料高溫車轍試驗方法如下：

(1)冷拌瀝青混合料在車轍試驗前應達到成型強度。

(2)碾壓后車轍試樣放置在110 ℃烘箱中24 h，再次碾壓。

(3)車轍試件板冷卻之后，開始車轍試驗。

根據以上試驗方法測得的車轍試驗數據見表7：

表7 車轍試驗結果表

從上述數據可以看出，溶化型冷拌瀝青混合料的動態穩定性較低，但這并不意味著溶化型冷拌瀝青混合物不能應用于道路修復，因為冷拌瀝青混合料主要用于修補坑槽，由于坑槽一般都為小坑，承受的車輛荷載較小，所以單純的車轍試驗并不能反映實際路面修復效果。

2.5 冷拌冷鋪瀝青混合料評價體系的建立

本文參考國內外評價方法，配合改性瀝青混合料的熱拌混合評價方法，建立冷拌瀝青混合料道路性能評價指標體系。通過使用上述的試驗方法，開發了一種冷拌冷鋪瀝青混合料評價體系[5]，如表8所示。

表8 冷拌冷鋪瀝青混合料性能評價體系表

2.6 技術標準劃分

目前，無論是溶化型冷拌瀝青混合料還是乳化型冷拌瀝青混合料，其技術規范并不具體、完整。根據《公路瀝青路面施工技術規范》，結合國內外路面施工技術規范，主要依據材料性質，制定了冷拌瀝青混合料適用情況技術規范表(見表9)。

3 結語

本文主要研究了兩種冷拌混合瀝青料的耐久性性能分析。通過按順序增強冷拌期，提高瀝青混合料的耐久性；參考國內外評價方法，結合改性瀝青混合料的熱拌混合評價方法，建立冷拌瀝青混合料的道路性能評價體系；分別采用制備冷流體和冷拌瀝青混合料的應力老化試驗(PAV)和旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)，對冷瀝青混合料進行強度試驗、改良浸水馬歇爾試驗、車轍試驗，通過改性劑提高材料的耐久性；比較不同類型的冷拌瀝青混合料的老化性能、強度性能、路用性能，同時也對溶化型和乳化型冷拌瀝青混合料的耐久性進行了比較，根據材料性能的優劣，劃分其適用的道路等級。

表9 冷拌瀝青混合料適用情況技術規范表