冷補瀝青的材料設計及其混合料性能研究*

徐 文 汪美慧 羅 蓉 郭秀林 王 肖

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

坑槽是瀝青路面常見的病害形式之一，主要產生于雨季或者冬季凍融后，若未及時修補，在車輛荷載的重復作用下會繼續惡化，嚴重影響行車舒適性與道路的服役壽命[1].坑槽的修補主要包括熱補和冷補兩種方法，而冷補法具有施工速度快、操作簡便，并且節能環保的優勢.冷補瀝青混合料主要包括稀釋瀝青混合料[2-3]、乳化瀝青混合料[4]和反應樹脂型混合料三種形式.乳化瀝青混合料可儲存性能差，一般在氣溫低于5 ℃以下或者雨天不能施工[5]，反應樹脂型混合料價格昂貴，而稀釋瀝青混合料能夠長時間儲存，且環境適應性強，是我國冷補料的主要類型.國內關于冷補料的設計方法和評價指標并不夠系統和完善，而且相關產品質量參差不齊，不能兼顧冷補料的施工和易性及強度形成時間，同時冷補料依舊存在抗水損害能力和耐久性不足等問題，造成修補后路面再次出現病害[6-10].本文通過對冷補材料的組成特點、強度形成機理、冷補液性能評價方法、技術指標以及混合料路用性指標要求進行研究，并通過對原材料的優選和配合比設計，研發一種高性能的冷補瀝青混合料.

1 原材料

1.1 瀝青

為獲得較好的施工及易性和疏松性能，冷補瀝青易采用低稠度瀝青合成.同時考慮到冷補瀝青合成溫度的控制，選用湖北國創90#石油瀝青，其基本技術指標見表1.

表1 90#瀝青基本指標

為保證冷補料常溫下的工作性能，基質瀝青中必須添加一定量的稀釋劑來降低其黏度.根據相似性相容原理，常用的瀝青稀釋劑包括汽油、柴油和煤油等.其中柴油閃點最高、揮發性適中[11]，為了兼顧冷補料的儲存性能和安全性，選擇當地加油站普遍使用的0號柴油作為稀釋劑.

1.3 添加劑

針對冷補液與集料黏附性不足的問題，選擇摻入抗剝落劑來提高兩者間的物理和化學吸附力，從而提高冷補料的抗水損害能力.稀釋劑最終會部分殘留在基質瀝青中，破壞了其性能[12]，為提高冷補料的強度，選擇摻入增黏樹脂來提高混合料強度和耐久性能.選取K1(胺類)和K2(非胺類)兩種抗剝落劑，N1(淺黃色固體)和N2(墨綠色固體)兩種樹脂作為添加劑，見圖1.

圖1 添加劑

1.4 集料與級配

集料選擇潔凈、干燥，具有良好顆粒形狀的石灰巖.冷補瀝青黏度不高，對粗集料的握裹力有限，因此，需要控制最大粒徑，見圖2.兩種類型級配的公稱最大粒徑為10 mm，并以前期大量試驗為基礎確定了兩種級配進行試驗.

表2 礦料級配

2 試驗方法

2.1 冷補瀝青及其混合料的制備

將90號基質瀝青在烘箱中預熱至125 ℃，然后放入加熱套中保持恒溫，并利用數顯恒速電動攪拌器低速攪拌，接著按比例加入增黏樹脂，并提高轉速攪拌10 min，然后按比例加入抗剝落劑，繼續高速攪拌10 min，停止加熱并按比例加入柴油，繼續攪拌15 min，接著低速攪拌5 min，以便排出氣泡使其均勻、穩定，其中高速攪拌速度控制基準為反應物產生旋渦但不飛濺.將按合成級配稱取的集料加熱至75 ℃，并稱取一定量的冷補瀝青液，通過小型攪拌桶將兩者混合均勻，即獲得冷補瀝青混合料.冷補瀝青液及其混合料制備工藝見圖2.

圖2 冷補瀝青及其混合料制備工藝

2.2 冷補瀝青性能測試

根據文獻[9]測定冷補瀝青的旋轉黏度和(與集料)黏附性.為研究冷補瀝青的揮發性能，采用旋轉薄膜烘箱進行溫度的控制，使其獲得相對一樣的揮發速率，同時分別在25 ℃和110 ℃環境下固化，研究冷補瀝青早期和最終的揮發性能，圖3為揮發試驗用鐵盤和試驗過程.具體操作方法如下：使用同種圓盤，在圓盤中澆入一定量冷補液，使冷補液在盤底能夠形成一薄層，稱取其總質量；然后將裝有冷補液的圓盤放置在25 ℃和110 ℃烘箱中保溫3 d和7 d，取出分別稱取其質量；通過計算可以得到冷補液的質量損失率.考慮到冷補料減少的質量主要來自溶劑揮發的質量，為了驗證其正確性，本文將冷補料制成馬歇爾試件，然后分別放入25 ℃和110 ℃的烘箱中保溫3 d，計算其質量損失率.

圖3 揮發試驗用鐵盤和試驗過程

2.3 冷補瀝青混合料的性能檢測

參照文獻[5]測定冷補瀝青混合料的初始強度和成型強度.參照文獻[11]測定冷補瀝青混合料低溫和易性.

3 試驗結果與分析

3.1 旋轉黏度試驗

冷補瀝青黏度是影響冷補料施工和易性、壓實性和強度的重要因素，而冷補瀝青黏度與各組分摻量直接相關.本文通過控制柴油的摻量、樹脂種類與摻量、抗剝落劑種類與摻量，制備冷補瀝青并分別測其在50、60和70 ℃的旋轉黏度.圖4為不同柴油摻量稀釋瀝青的旋轉黏度變化，其中A為柴油與基質瀝青的質量比，η為旋轉黏度.由圖4可知，摻入柴油后基質瀝青的黏度急劇降低.柴油摻量每增加2%，三種遞增溫度下測試的黏度平均降低分別為31%，28.5%和26%，表明隨著柴油用量的增加，各溫度下黏度減小的速率一致，且溫度越低，變化越明顯.分別對η和A取對數進行擬合，R2均達到0.99以上，因此，可以通過該方法獲得的數學模型計算出冷補瀝青不同配比和溫度下的旋轉黏度,見圖5.由圖5可知，保持基質瀝青、柴油與K2質量比為100∶28∶0.4不變，由同質量比的樹脂N1和N2制備的冷補瀝青黏度相差不大，樹脂N1的增黏效果優于N2，三個遞增溫度下黏度差分別為345、130和47 mPa·s，因此，后續試驗將采用樹脂N1進行.抗剝落劑種類不同，對冷補瀝青黏度影響較小，同時對于抗剝落劑K2的用量增加0.1個百分點，在三個遞增溫度下黏度分別增大了4.3%、3.8%和4.9%，據研究非胺類抗剝落劑熱穩定性較好，后續采用抗剝落劑K2進行試驗.由上述分析可知，各因素對冷補瀝青黏度的影響程度為柴油>樹脂>抗剝落劑，因此，為了保證冷補瀝青的黏度，就必須控制好柴油和樹脂用量.分別以樹脂用量和柴油用量為控制指標，研究冷補瀝青的旋轉黏度，見圖6.對溫度和黏度取對數得到黏溫曲線，線性擬合R2均達到0.98，因此可以采用數學公式計算冷補瀝青的黏度.SHRP瀝青結合料性能規范中提出了對改性瀝青135 ℃黏度不得超過3 Pa·s的技術要求，夏冬[12]研究冷補液的60 ℃黏度不應超過2 Pa·s，考慮到冷補瀝青是在常溫下施工，因此本文建議60 ℃黏度不超過2 Pa·s.

圖4 不同柴油摻量稀釋瀝青的旋轉黏度變化

圖5 樹脂與抗剝落劑種類與摻量對冷補瀝青黏度的影響

圖6 柴油和樹脂用量對冷補瀝青旋轉黏度的影響

3.2 黏附性試驗

取粒徑13.2～19 mm形狀接近立方體的規則石灰石和礫石洗凈烘干，與不同配比的冷補瀝青進行黏附性試驗，見表3.由表3可知，冷補瀝青與石灰石的黏附性較好，未加樹脂和抗剝落劑時的黏附性等級達到4級，而與礫石黏附性較差，加入樹脂和抗剝落劑后冷補瀝青與石灰石黏附等級達到5級，與礫石黏附性等級逐漸提高并最終達到4級，同時試驗過程中發現兩種集料表面的瀝青膜厚度也逐漸增大，因此，樹脂和抗剝落劑對冷補液與集料的黏附性都具有重要影響.另外，礫石在水中浸煮過程中，從瀝青膜內部產生了氣泡，并將部分瀝青帶到水面，并有不規則的彩色漂浮物，可以斷定加熱使柴油揮發，部分瀝青膜為柴油所移動，并非全部為水所移動，因此，水煮法并不能嚴格有效的評價冷補瀝青與集料的黏附性.為了提高冷補瀝青混合料抵抗水損害的能力，建議冷補液黏附等級不小于5級.

表3 冷補瀝青與集料的黏附性等級

3.3 揮發性試驗

溫度與時間是影響稀釋劑揮發的關鍵，隨著稀釋劑的揮發混合料的強度逐漸增大，見圖7.由圖7a)可知，在25 ℃條件下，冷補液質量在前3 d損失得比較快，1周之后冷補液質量基本趨于穩定，且柴油摻量越多，冷補液質量損失越大.由圖7b)可知，在110 ℃條件下，冷補液質量損失在前3 d非常快，到第6 d左右基本保持不變，揮發性趨于穩定，且柴油與瀝青比例越大，揮發質量越多.由圖7可知，溫度越高，稀釋瀝青揮發速度越快，并且揮發損失率越高.表4為冷補料質量變化，由表4可知，冷補料在110 ℃時質量損失要比在25 ℃時要大，這與冷補液的揮發性規律一致，由于瀝青在110 ℃下發生老化較慢，輕質組分揮發較少，因此，冷補瀝青混合料的質量損失主要來自于稀釋劑的揮發.另外，隨著樹脂用量的增多，冷補料質量損失率減小，分析原因可能是由于樹脂增多，樹脂與稀釋劑混合均勻時處于游離狀態稀釋劑較小，因此，揮發量較小.冷補液的揮發性試驗及其指標的控制，能夠代表冷補料的揮發性與強度形成規律.結合試驗結果和文獻[13]，本文建議冷補液3 d的質量損失率不超過0.8%.

圖7 不同溫度下稀釋瀝青揮發性試驗

表4 冷補料質量變化

3.4 冷補料強度試驗

3.4.1兩種級配的冷補料性能

冷補料普遍存在的一個問題就是初始強度低，為了保證冷補料在修補坑槽后的初期不致產生推移、擁包等現象，必須控制冷補瀝青混合料的初始強度，國內外對冷補瀝青初始強度控制約為2 kPa.同時為了保證混合料的最終強度，施工規范要求冷補料的成型強度不小于3 kN.采用表2中的兩種級配，分別在6%和6.5%用油量下制備馬歇爾試件，然后測其初始強度和成型強度，試驗結果見表 5.結果表明，兩種級配制備的混合料均能滿足要求，并且成型強度遠大于3 kN，因此本文建議冷補料的初始強度大于3 kN，成型強度大于5 kN，同時混合料級配選用LP-10型進行后續試驗.

表5 兩種級配的混合料性能

3.4.2礦粉用量對性能影響

礦粉用量越大，能使更多的瀝青成為結構瀝青，混合料的強度也就越大，但是其施工和易性變差，同時不利于儲存.為了確定礦粉用量，在保持冷補液種類和用油量不變的情況下，制備出不同礦粉含量的冷補料，然后進行強度試驗與施工和易性試驗，試驗結果見表6.結果表明，隨著礦粉用量的增加，冷補瀝青混合料的初期強度逐步提高，然而混合料的施工和易性在逐漸變差.檔礦粉含量為2%和4%時，混合料的施工和易性較好，但含量為6%時，和易性已經無法滿足施工要求.因此，根據實際拌和和試驗的基礎上，初擬礦粉含量為4%.

表6 不同礦粉用量的冷補料性能 (級配：LP-10)

3.4.3稀釋劑摻量對性能影響

在前文的研究基礎上，采用表2中LP-10的級配類型，礦粉用量為4%，稀釋劑柴油的摻量分別為20%,22%,24%和28%，進行混合料的制備，并對其常溫和易性、強度以及低溫和易性進行研究.表7為不同柴油用量下混合料的常溫施工和易性與低溫施工和易性結果，隨著柴油摻量的增加，混合料的可操作性能越好，表面也越光亮.常溫下，當摻量為20%時，混合料干燥并且結團，較難打開.低溫和易性試驗方法為：制備不同柴油產量的冷補料然后用塑料袋將其密封好，放進-5 ℃的冰箱中24 h，再取出，看是否能用鐵鏟方便地拌和操作.結果表明，混合料的低溫和易性與常溫和易性變化趨勢一致，柴油摻量在22%～28%之間時，冷補料具有較好的低溫施工和易性.圖8為不同柴油用量下冷補料的強度變化規律，結果表明，混合料的初始強度很接近，因為混合料的初始強度主要是由集料間的內摩阻力提供，黏聚力對初始強度的影響較小.隨著柴油摻量的增大，混合料的初始強度和成型強度都呈現減小的趨勢，當摻有摻量從24%增加至28%時，強度減小幅度變大.同時，柴油摻量在20%～24%時，混合料的初始強度和成型強度分別大于3和5 kN.為兼顧冷補料的強度與較好的施工和易性，本文最終確定柴油摻量為24%.

表7 不同柴油用量施工和易性

圖8 不同柴油用量冷補料的強度

3.5 最佳有效瀝青用量

添加劑的使用，能有效的增強瀝青與集料的黏附性，以及瀝青膜厚度，綜合前文的研究基礎，本文確定樹脂N1和抗剝落劑K2的摻量分別為5%和0.5%.瀝青膜厚度直接影響到混合料的各種性能，用油量過大，會造成混合料結塊以及析漏現象；用油量過少，集料不能被完全裹附，容易產生弱界面層，耐久性較差.因此，控制瀝青膜厚度顯得尤為重要.本文首先根據經驗公式法估測最佳瀝青用量，按照式(1)計算出的最佳油石比P=5.721%.需注意的是，混合料中起黏結作用的是冷補瀝青中的有效瀝青，稀釋劑不起黏結作用，所以按照瀝青膜厚度理論計算所得的P應為有效瀝青用量.對P取整，擬定有效瀝青用量為6%，然后控制其他條件不變，以 5.5%,6%,6.5%的有效瀝青用量進行馬歇爾穩定度試驗，試驗結果見圖9.試驗結果表明，隨著瀝青用量的增加，混合料的強度先增加后減小，可以確定最佳有效瀝青用量約為6%，同時證明了式(1)在初步估算冷補瀝青用量的有效性.

P=0.021A+0.056B+

0.099C+0.12D+1.2

(1)

式中：P為冷補瀝青混合料結合料用量，%；A為大于2.36 mm顆粒質量分數，%；B為0.3～2.36 mm顆粒質量分數，%；C為0.075～0.3 mm顆粒質量分數，%；D為小于0.75 mm顆粒質量分數，%.

圖9 不同油石比下冷補料的強度

4 結 論

1) 由旋轉黏度試驗可知，各因素對冷補瀝青黏度的影響程度為柴油>樹脂>抗剝落劑，為保證冷補瀝青的黏度，就必須控制好柴油和樹脂用量；數據擬合表明黏度與各組分摻量具有良好的數學關系，可通過數學模型計算出不同摻量下的冷補液粘度；本文建議冷補液60 ℃旋轉粘度不大于2 Pa·s.

2) 由黏附性試驗表明，樹脂與抗剝落劑能夠有效提高冷補液與集料的黏附性以及瀝青膜厚度； 由于稀釋劑的影響，水煮法評價冷補液與集料的黏附性具有局限性；本文建議冷補液與集料的黏附等級不小于5級.

3) 由揮發性試驗表明，無論是25 ℃還是110 ℃，冷補液質量在前3 d損失較快，7 d基本穩定，且柴油摻量越多，冷補液質量損失越大；本文建議冷補液3 d的質量損失率不超過0.8%.

4) 通過正交試驗，確定了新型冷補液的各組分質量比，基質瀝青：柴油：N1∶K2=100∶24∶5∶0.5，冷補料的級配采用LP-10，有效瀝青用量為6%，礦粉用量為4%，以此制備的冷補料具有優良的初始強度、成型強度以及低溫施工和易性.

5)由于時間與文章篇幅有限，本文主要對冷補料的強度與施工和易性進行了研究，后續將進一步研究冷補料在抗車轍和抗水損害方面的性能.