瀝青路面坑槽冷補材料的評價與應用

江陳龍 衛君毅 張辰辰

0 引言

坑槽作為瀝青路面最為常見和最難修復的病害之一，若得不到及時處理，將造成嚴重的經濟社會損失。采用熱拌瀝青混合料開槽修補是常見的坑槽維修方式，但由于熱拌瀝青混合料在低溫季節施工困難，無法在較短時間內開放交通，坑槽修復往往錯過最佳預防性養護時機。因此，能夠在常溫或低溫下快速修復坑槽的冷補瀝青混合料（Cold Patch Asphalt Mixture，CAM，簡稱冷補料），受到了各國道路養護工作者的重視。然而，在實際工程中，由于市場上的冷補料產品質量參差不齊，坑槽修復后路面二次破損頻發，給道路使用者和養護單位造成了極大的困擾。

為了提高冷補料的質量和坑槽修復的效果，國內外對冷補料的評價方法進行了探索[1-3]。國外冷補料的評價方法通常都是針對各自企業標準，難以推廣應用。國內《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40 -2004）[4]給出了冷補料低溫操作性、耐水性等的試驗檢測方法，但對于評價冷補料技術性能的指標及試驗方法仍不夠系統和完整。隨著冷補料被廣泛地應用于高等級路面坑槽修復中，毛緯云[5]、張濤[6]、張爭奇[7]等人一步提出了以強度、黏聚性、施工和易性、水穩定性和高溫穩定性為主的冷補料性能評價方法。至2015年末，交通運輸部相關工作組才提出并歸口《瀝青路面坑槽冷補成品料》（JT/T 972-2015）[8]，總結了冷補料施工性能、成型馬歇爾強度和水穩定性評價方法。這些研究一定程度上完善了國內的冷補料評價體系，然而，國內冷補料性能評價試驗方法普遍存在忽視冷補料實際使用條件，致使坑槽實際修復效果達不到預期。此外，目前國內鮮有明確的冷補料性能技術要求，難以對冷補料進行優選。因此，坑槽冷補材料的評價體系仍有待進一步完善。

現階段我國公路養護需求已進入周期性的高峰，而瀝青路面快速修復作為公路預防性養護的重要組成部分，尚未形成統一的試驗方法與標準體系。本文的研究目的在于通過坑槽二次破損現狀調研分析，并結合實際工程案例，對瀝青路面坑槽冷補材料性能評價方法、評價指標及其標準進行研究，完善冷補料的評價體系，探索坑槽快速冷補材料評價技術的應用，為養護單位進行冷補材料優選及坑槽修復決策提供參考。

1 冷補料性能評價內容

采用冷補料進行路面修復的主要目的，就是及時、快速地恢復由于坑槽而降低的路面使用性能。因此，為了延長修復壽命，對冷補料修復坑槽后路面發生頻率較高的二次破損類型進行了調研及成因分析，并以影響冷補料修復壽命的幾項關鍵性能作為評價內容。

為進一步了解國內坑槽修復的二次破損情況，對江蘇省若干公路與城市道路坑槽修復后的二次破損狀況進行了現場調研，共記錄了102 個冷補料修復后的路面坑槽二次破損情況，其中材料松散剝落、凹陷和裂縫是發生率最高的三種二次破損形式，分別高達48%、37.3%和30.4%。從病害情況來看，冷補材料本身的性能穩定性不足是引起二次破損的主要原因。

綜合上述調研結果，根據二次破損特征和發生率將瀝青路面坑槽修復常見的二次破損分為變形類、松散類、裂縫類共3種類型。根據這3 類病害的成因調研，應重點對冷補料的施工性能、初始強度、黏聚性、成型強度、水穩定性和高溫穩定性進行評價，如表1 所示。

2 冷補料性能評價技術要求

通過對若干種典型冷補料的室內試驗研究，并參考現有國內外相關規范和研究成果，綜合提出冷補料各項性能的技術要求建議值，為養護單位進行材料優選提供參考。

2.1 試驗材料

目前國內主流的坑槽冷補料主要以國產冷補料、美國冷補料及日本冷補料為代表。為使試驗材料更具有代表性，選取表3所示4 種冷補料，對不同冷補料的施工性能、初始強度、黏聚性、成型強度、水穩定性和高溫穩定性進行評價，為坑槽修復冷補料優選提供依據。

2.2 試驗評價及技術要求

2.2.1 施工性能

我國采用經驗法簡單評價冷補料施工性能，而國外一般使用坍落試驗、貫入試驗等量化評價方法，但普及率較低。試驗條件允許下，建議采用貫入試驗對冷補料施工性能進行評價，否則以經驗法代替，評價指標為貫入強度W 或施工性能等級G。對4 種冷補料依次進行經驗法和貫入實驗，結果如表4 所示。

貫入強度越大或施工性能等級越低，冷補料的施工性能越差，拌和與壓實難度越大。根據表4，LD 的的貫入強度為4.6 kg/cm2，相較其他三種冷補料，施工性能最差。但實際上冷補料的耐久性和施工性能通常是負相關的[9]，因此FHWA[1-10]認為，當貫入強度W≤3 kg/cm2時冷補料的施工性能是合格的，且貫入強度不宜超過4 kg/cm2。為平衡冷補料耐久性與施工和易性之間的矛盾，建議貫入強度1 kg/cm2≤W≤4 kg/cm2，采用經驗法評價時施工性能等級則不低于3 級。

2.2.2 初始強度

冷補料定位于應急修復，需在攤鋪、碾壓之后迅速形成一定的初始強度抵抗交通荷載下的推擠變形。冷補料初始強度主要由骨架嵌擠力構成，不宜采用測試瀝青粘結性能與骨架嵌擠共同作用的馬歇爾試驗。此外，在實際開槽修復中，冷補料在5個面上都有圍壓，這與馬歇爾試驗模擬的條件是不同的。因此本文從試件結構和加載方式兩方面考慮，設計了初始抗變形試驗來代替馬歇爾試驗，以車轍深度評價冷補料的初始強度。具體實驗步驟如下：1）將成型的車轍板割成4 等分，每一等分尺寸為300 mm×75 mm×50 mm；2）重新組合切割好的“1/4 車轍板”，形成尺寸為 300 mm×150 mm×50 mm 坑槽；3）將 20℃保溫后的冷補料填入坑槽，再次碾壓形成新的車轍板復合試件，以此模擬坑槽修復過程，如圖1 所示。

表1 冷補材料性能評價內容

表2 試驗用成品冷補料基本信息

表3 施工性能試驗結果

圖1 坑槽室內試驗模擬

根據上述試驗步驟對LD、RPT、DR 和RH 分別進行初始抗變形試驗，所得結果見圖2。由圖2 可知，DR 的初始強度最低，車轍深度達到了6.7 mm，而RPT、DR 和RH 車轍深度均小于5.5 mm。考慮到冷補料受到的車輛荷載碾壓作用低于新建路面，可適當放寬技術要求，建議初始抗變形試驗技術要求為車轍深度d≤7 mm。

2.2.3 黏聚性

按AASHTO 中的滾動篩試驗方法[1]，對4 種冷補料進行滾動篩試驗，以殘留率mr 評價冷補料的黏聚性，試驗結果圖3 所示。可以看出：LD 在試驗過程中脫落明顯，殘留率不足20%，遠遠低于其余三種冷補料，黏聚性最差。RPT、DR、RH 的殘留率均超過了75%，黏聚性較好。根據實際工程需求，推薦殘留率不小于70%。

2.2.4 成型強度

本文選取馬歇爾穩定度MS 評價冷補料的成型強度。冷補料試件在室溫下的強度增長很慢，須通過加速養生使其快速達到成型強度，故將冷補料試件置于110℃烘箱中養生24 h，來模擬冷補料試件成型。此外，考慮到60℃水浴30 min 條件下，冷補料易發生松散，本文將水浴溫度降至25℃，延長水浴時間至1 h。按照上述試驗要求分別測試LD、RPT、DR 和RH 的成型強度。結果表明，LD 的成型馬歇爾強度最低，僅為2.3 kN，而DR的成型馬歇爾強度最高，接近LD 的3 倍。此外，RPT、RH 的成型馬歇爾強度均超過4 kN。《公路瀝青路面施工技術規范》要求冷補料馬歇爾穩定度不低于3 kN，對各級公路密級配熱拌瀝青混合料馬歇爾穩定度最低要求為5 kN，考慮到冷補料馬歇爾試件在110℃烘箱內加速養生24 h 后，其穩定度仍能繼續增長，本文建議冷補料成型強度仍可以3 kN 為最低要求，則4 種冷補料中僅LD 不滿足這一標準。

2.2.5 水穩定性

考慮冷補料水損害發生成因和實際工程應用的可行性，選取修正后的凍融劈裂試驗評價冷補料的水穩定性，評價指標為凍融劈裂試驗強度比TSR。其中將凍融劈裂試驗水浴條件由60℃水浴30 min 調整為25℃水浴1 h。分別對4 種冷補料進行修正的凍融劈裂試驗，并計算凍融劈裂試驗強度比，結果如圖4所示。《公路瀝青路面施工技術規范》指出，年降雨量在500 mm以上的潮濕區和濕潤區的熱拌瀝青混合料TSR 值不低于75%，而眾多工程實踐表明，熱拌瀝青混合料的抗水損害性能遠優于冷補料，考慮到冷補料自身性能的局限性，且其定位于應急修復，其標準可略低于熱拌瀝青混合料，故建議冷補料TSR 不低于70%。

2.2.6 高溫穩定性

坑槽修復容易發生變形類二次破損，主要原因之一就是高溫條件下冷補料缺乏足夠的抗變形能力。高溫穩定性作為瀝青混合料性能檢驗中最重要的指標，本文仍采取工程中廣泛應用車轍試驗對其進行評價，但為了模擬冷補料在溶劑揮發和車輛碾壓下空隙率減小和強度形成的過程，對試驗進行了以下修正：先碾壓車轍板16 次，再置于110℃烘箱內加速養生24 h，取出后再立即碾壓8 次。按上述試驗方法對4 種冷補料進行車轍試驗，結果如圖5 所示。可以發現，RH 的動穩定度最高，達到了1 500次/mm，高溫下抗變形能力最強，而LD 的高溫穩定性明顯低于其余三種冷補料，動穩定度不足300 次/mm，而RPT、DR 的動穩定度處于中等水平，且均超過600 次/mm。事實上由于采用110℃養生24 h 的方法進行加速養生后，冷補料中的冷補添加劑不能完全揮發，冷補料中殘留的冷補添加劑影響了其混合料性能，導致冷補料動穩定度往往低于熱拌瀝青混合料。因此，冷補料的高溫抗變形性能技術要求應在熱拌瀝青混合料技術要求的基礎上適當降低，建議冷補料動穩定度不低于600 次/mm。

3 工程實例

圖2 不同冷補料初始抗變形試驗車轍深度

圖3 不同冷補料滾動篩試驗殘留率

江蘇省內某公路重載車輛所占比例較高，交通量大，且由于所處區域夏季氣溫高，降水量大，建成通車不久便出現了大量的路面破壞，而市場上的冷補料質量良莠不齊，坑槽修復效果不理想，使得養護單位被坑槽問題長期困擾。因此養護單位希望選用性能優良的冷補料，延長坑槽修復壽命。

總結各冷補料的性能評價試驗結果可知：DR 的施工性能和使用性能整體最好，但價格較為昂貴；RH 在使用期間抵抗變形的能力最突出，水穩定性也僅次于DR；LD 的殘留率、成型馬歇爾穩定度、動穩定度均達不到技術要求，使用性能最差；除高溫穩定性外，RPT 與RH 的使用性能相近，滿足各項性能技術要求。由于該地年降雨量較大，且夏季高溫，綜合考慮冷補料使用性能和經濟成本，推薦RH 作為坑槽快速修復材料。在此基礎上，統一采用標準的切槽修補工藝，對4 種冷補料進行圖6所示的坑槽修復現場試驗，并對修復的坑槽進行觀測記錄。

觀測結果表明，4 種冷補料中，LD 修復效果最差，其修復的坑槽在18 周后已全部失效；RPT 與DR 修復的坑槽在第42 周時全部發生二次破壞，其中，RPT 修復的坑槽早期破壞嚴重，18周時失效率達到80%；RH 坑槽修復后壽命最長，52 周后仍有20%存活。由實例可知，所提出的冷補瀝青混合料評價試驗方法和技術要求能較好地反映冷補料的路用性能，便于養護單位優選材料，且滿足技術要求的冷補料具有較好的坑槽修復效果。

圖6 冷補料坑槽修復施工

4 結論

（1）在對冷補料坑槽修復后路面二次破損調研的基礎上，分析了冷補料性能需求并確定了冷補料評價內容，包括施工性能、初始強度、黏聚性、成型強度、水穩定性及高溫穩定性。

（2）設計了初始抗變形試驗，用于評價修復材料的初始強度，采用貫入試驗或經驗法、滾動篩試驗、修正的馬歇爾試驗、修正的凍融劈裂試驗和車轍試驗評價冷補料的施工性能、黏聚性、成型強度、水穩定性和高溫穩定性。

（3）通過對典型冷補料的室內試驗研究，結合國內外相關規范和研究成果，確定了冷補料各項性能的技術要求：施工性能應滿足貫入強度1 kg/cm2≤W≤4 kg/cm2或施工性能等級G≥3 級，使用性能應滿足初始抗變形試驗車轍深度d≤7 mm，滾動篩試驗殘留率mr≥70%，成型馬歇爾穩定度MS≥3 kN，動穩定度DS≥600 次/mm，凍融劈裂試驗強度比TSR≥70%。

（4）通過工程實例檢驗，所提出的冷補瀝青混合料評價試驗方法和技術要求能較好地反映冷補料的路用性能，且滿足技術要求的冷補料具有較好的坑槽修復效果，可以為養護單位決策提供參考。

圖4 不同冷補料的TSR

圖5 不同冷補料的動穩定度