冷補瀝青混合料的制備工藝研究及性能評價

李 強，劉非易，羅 宵，沈 凡*

1.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430023；2.武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205；3.武漢市市政建設科研有限公司，湖北 武漢 430024

瀝青路面因其平整、密實、少塵，且具有較好的耐老化性、耐磨性、溫度穩定性和抗行車損壞能力，在國內外得到了廣泛的應用［1-2］。但瀝青路面在長期的使用過程中出現的路面坑槽會嚴重影響行車舒適性與安全性［3-5］。針對該問題，國外學者們開發出了高效便捷的修補材料——冷補瀝青混合料［6］。不同于熱拌瀝青混合料，冷補瀝青混合料便于制備，施工簡單，隨取隨用，儲存性能好，且能應用于低溫及雨季路面坑槽修補［7-8］。因此國內越來越多的道路養護單位開始使用冷補瀝青混合料。

但目前國內有關冷補瀝青混合料的設計與性能研究，還未形成一個完善的系統體系［9-10］。我國有關冷補瀝青混合料級配設計的研究仍然表現出很大的差別。雖然目前國內冷補瀝青混合料的代表性級配是JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中提出的LB 型級配，但依然存在許多其它礦料級配，如北京安通科寧建筑材料有限責任公司采用的KN 型級配、吉林省公路局采用的AC型級配、山西公路局太原分局采用的AM 型級配［11］、同濟大學研究時采用的 LP 型級配［12］。同樣對于冷補瀝青混合料制備工藝的研究，研究人員也有不同的觀點：李峰等［13］提出應采用雙面擊實25 次，養護后再雙面擊實25 次的方法成型馬歇爾試件，規范中則采用50 次+25 次的擊實方式；在拌制瀝青冷補液時，部分國內廠家與學者選擇了加拿大寧楓公司采用的方法，即先將添加劑與稀釋劑混合均勻后再與基質瀝青混合制成冷補液［14-15］，而另一部分人則認為使用將稀釋劑、添加劑依次加入基質瀝青中攪拌制成冷補液的工藝即可［16］。冷補瀝青混合料作為道路坑槽修補材料，必須具有一定的強度與水穩定性，而國內大多數研究采用測定110 ℃下養護24 h 的冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度的方法評價混合料的馬歇爾性能與水穩定性［17］，但該方法忽視了少量柴油揮發時冷補瀝青混合料的強度與水穩定性。針對上述問題，本文選擇SMA-13 與LB-13 兩種骨架型級配，使用熱拌法制備不同級配類型的混合料，測定其體積參數與馬歇爾穩定度對冷補瀝青混合料的級配進行比選分析，在此基礎上制備冷補瀝青混合料，通過改變冷補瀝青混合料的馬歇爾試件成型方式與瀝青冷補液拌制工藝進行修正馬歇爾試驗，研究冷補瀝青混合料的不同工藝方式對其馬歇爾性能與水穩定性的影響。改變冷補瀝青混合料的養護條件模擬冷補瀝青混合料柴油揮發程度的不同階段，通過修正馬歇爾試驗，研究柴油揮發程度對冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定性與水穩定性的影響。最后，通過修正馬歇爾試驗、黏聚性試驗和貫入試驗對采用最優工藝方式制備的冷補瀝青混合料進行性能評價。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

1）基質瀝青：實驗采用A 級道路石油瀝青制備熱拌瀝青混合料與冷補瀝青混合料，根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》測試A 級道路石油瀝青的針入度、軟化點與延度等參數，結果見表1。

表1 A 級道路石油瀝青性能指標Tab.1 Performance indices of grade-A paving asphalt

2）稀釋劑：瀝青中加入稀釋劑可以降低瀝青的黏度，使瀝青在常溫下能夠保持一定的流動性。常用的稀釋劑有柴油、煤油、植物油和汽油等。本實驗選取0#柴油作為稀釋劑。

3）添加劑：采用樹脂類增黏劑來提高冷補瀝青混合料強度與冷補液黏度；使用胺類抗剝落劑來增加瀝青與集料之間的黏附性，提高混合料的水穩定性。

4）集料：實驗所用的集料為潔凈、干燥、表面粗糙且有棱角的天然石灰石。其表觀密度為2.62 g/cm3、吸水率為1.08%、壓碎值為9.7%。

1.2 實驗方案

級配設計研究參考JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中的SMA-13 型級配與LB-13 型級配，混合料合成級配見表2，油石比選用5.0。使用2 種級配設計制備熱拌瀝青混合料，通過網籃法與馬歇爾試驗測定SMA-13 型熱拌瀝青混合料的體積參數與馬歇爾穩定度，通過體積法與馬歇爾試驗測定LB-13 型熱拌瀝青混合料的體積參數與馬歇爾穩定度。在研究冷補瀝青混合料制備工藝時，實驗采用LB-13 型級配設計，其合成級配見表2，通過紙跡試驗確定最佳油石比為5.0。采用該級配設計制備冷補瀝青混合料，使用雙面擊實 25 次+養護后再雙面擊實 25 次（25 次+25 次）與雙面擊實50 次+養護后再雙面擊實25 次（50 次+25 次）2 種不同擊實方式成型馬歇爾試件，通過修正馬歇爾試驗［11］測定冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度；采用將稀釋劑、添加劑依次加入基質瀝青中攪拌（工藝1），以及將添加劑和稀釋劑混合均勻后再與基質瀝青混合（工藝2）2 種不同瀝青冷補液拌制工藝制備冷補瀝青混合料，使用25 次+25 次的擊實方式成型馬歇爾試件，通過修正馬歇爾試驗測定冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度。在研究柴油揮發程度對冷補瀝青混合料馬歇爾性能及水穩定性的影響時，采用將試件在25、40、110 ℃溫度條件下養護24 h 分別模擬柴油幾乎不揮發、部分揮發、幾乎完全揮發下的冷補瀝青混合料強度形成的狀態，通過修正馬歇爾試驗測定冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度。采用最優工藝方式制備冷補瀝青混合料，通過修正馬歇爾試驗、黏聚性試驗和貫入試驗分別測定瀝青混合料的馬歇爾穩定度、浸水殘留穩定度、破損率與貫入強度。

表2 SMA-13 型與LB-13 型瀝青混合料級配Tab.2 Gradations of SMA-13 and LB-13 asphalt mixtures

1.3 實驗方法

1）冷補瀝青混合料的制備。將基質瀝青加熱至（130±10）℃后，將適量的0 #柴油、冷補劑、抗剝落劑加入基質瀝青中攪拌均勻，降溫直到冷補液溫度為（90±10）℃。將加熱到（75±5）℃的集料放入溫度為（75±5）℃的攪拌鍋內攪拌5～10 s。將冷補液與集料均勻拌合35～40 s 制備得到冷補瀝青混合料。

2）修正馬歇爾試驗。參考李峰等［13］的修正馬歇爾試驗，將定量的冷補瀝青混合料在常溫下裝入馬歇爾試模中，雙面擊實使瀝青混合料初步成型。再將模具與混合料一起側面豎立方式置于110 ℃烘箱中養護24 h，取出后再雙面擊實25 次，成型馬歇爾試件。將試件脫模后在25 ℃的恒溫水槽中養護30 min，進行馬歇爾試驗。將試件脫模后在25 ℃恒溫水槽中養護48 h，進行馬歇爾試驗，計算浸水殘留穩定度。

3）黏聚性試驗。黏聚性試驗參照JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中的試驗方法進行。

4）貫入試驗。參考李峰等［13］開發的貫入試驗，將冷補料松散裝滿測試盒，將測試盒放入4 ℃冰箱中保溫超過3 h。將強度儀的貫入頭以恒定的速度完全插入測試盒側壁的小孔中，維持4 s 左右，記錄讀數，取至少3 個試件的平均值記為貫入強度。

2 結果與討論

2.1 級配設計研究

SMA-13 屬于骨架密實型結構，LB-13 屬于骨架空隙型結構，對這2 種瀝青混合料的體積參數與馬歇爾穩定度進行研究可以有效評價出適用于冷補瀝青混合料的級配類型，因此實驗制備了SMA-13 與 LB-13 兩種熱拌瀝青混合料，測得 SMA-13 與LB-13 兩種級配類型瀝青混合料的體積參數與馬歇爾穩定度，如表3 所示。

由表3 可知，SMA-13 型瀝青混合料和LB-13型瀝青混合料的馬歇爾穩定度差異不大，分別為8.92 和7.37 kN。這說明骨架型結構中集料的嵌擠作用可以為瀝青混合料提供很高的強度，所以冷補瀝青混合料選用骨架型結構是合適的。而SMA-13 瀝青混合料空隙率為3.54%，礦料間隙率為14.89%，瀝青飽和度為76.2%；LB-13 瀝青混合料空隙率為13.42%，礦料間隙率為23.73%，瀝青飽和度為43.4%。SMA-13 瀝青混合料的空隙率與礦料間隙率明顯低于LB-13 瀝青混合料。由于冷補瀝青混合料強度形成與柴油揮發量有關，若采用骨架密實型結構的SMA 制備冷補瀝青混合料，柴油難以揮發導致混合料強度無法形成，所以采用LB 骨架空隙型結構更有利于柴油揮發，使得瀝青混合料強度形成。

表3 不同級配熱拌瀝青混合料的體積參數與馬歇爾穩定度Tab.3 Volume parameters and Marshall stability of different gradations of hot mix asphalt mixtures

2.2 成型工藝及柴油揮發量對冷補瀝青混合料性能的影響

改變冷補瀝青混合料馬歇爾試件擊實方式分別 為 25 次+25 次 與 50 次+25 次 ，采 用 修 正 馬 歇 爾試驗研究擊實方式對冷補瀝青混合料馬歇爾性能與水穩定性的影響，結果如如圖1（a）所示。由圖1（a）可知，當冷補瀝青混合料馬歇爾試件的擊實方式由 25 次 +25 次 變 為 50 次+25 次 后 ，混 合 料 的 馬 歇爾穩定度由5.89 kN 增加到7.12 kN，浸水殘留穩定度由80.6%增加到84.4%，冷補瀝青混合料的馬歇爾性能與水穩定性均上升。這是由于擊實次數的增加，使得冷補料結構更加密實，集料間的內摩擦阻力增強，混合料強度上升；且隨著瀝青混合料密實性更好，冷補瀝青混合料內部空隙總量、連通性和孔徑分布發生改變，使其抗水滲透能力增強，混合料水穩定性提高。因此，綜合馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度，建議選取50 次+25 次的試件成型方式比較合適。

采用工藝1 與工藝2 兩種不同瀝青冷補液拌制方法制備冷補瀝青混合料，通過修正馬歇爾試驗研究冷補液拌制工藝對冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度的影響，如圖1（b）所示。由圖1（b）可知，采用工藝1 拌制瀝青冷補液制得的冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度為5.89 kN，浸水殘留穩定度為80.6%；而采用工藝2 拌制瀝青冷補液制得的冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度為6.86 kN，浸水殘留穩定度度為84.1%。使用工藝2 制得的瀝青混合料馬歇爾性能與水穩定性明顯高于使用工藝1 制得的瀝青混合料。這是因為柴油的稀釋作用，會使得抗剝落劑與冷補劑在與基質瀝青攪拌時擴散作用增強，分布更加均勻從而使得冷補液各處性能保持一致。根據增黏劑理論，若增黏劑在瀝青中的擴散效果越好，則瀝青與集料之間的黏結強度越大［18］。而如果采用在瀝青中加入冷補劑與抗剝落劑的工藝，則會因瀝青稠度太大使得添加劑的擴散作用減弱。因此，在拌制冷補液時，建議采用工藝2 的方法，即先將稀釋劑與冷補劑、抗剝落劑混合均勻后，再加到基質瀝青中攪拌均勻。

將馬歇爾試件置于25、40、110 ℃溫度下養護24 h 后，測定馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度，以此來研究柴油揮發對冷補瀝青混合料馬歇爾性能與水穩定性的影響，實驗結果如圖1（c）所示。由圖1（c）可知，當養護溫度為25 ℃時，試件遇水松散，無法測試馬歇爾穩定度，表明冷補瀝青混合料在柴油幾乎不揮發的情況下強度無法形成。當養護溫度為40 ℃時，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度為1.67 kN，浸水殘留穩定度為35.0%，此時柴油部分揮發，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度雖然很小，但混合料已經開始具備一定的強度與水穩定性。當養護溫度為110 ℃時，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度為5.89 kN，浸水殘留穩定度為80.6%，此時柴油已大量揮發，冷補瀝青混合料的馬歇爾性能與水穩定性均達到較好的水平，說明混合料的強度基本已經形成。綜上可得，隨著柴油揮發量的增多，冷補瀝青混合料的馬歇爾性能與水穩定性逐漸增強。這是由于試件內稀釋劑柴油的揮發量很少的情況下，冷補瀝青混合料的強度仍然主要依靠骨架間的嵌擠作用，但當水進入冷補料的結構空隙后，由于瀝青黏度太小，無法起到黏結集料作用。在水動力作用下，集料間黏結力喪失從而發生破壞。而當柴油大量揮發后，瀝青黏度增強從而可以有效增加瀝青混合料強度與水穩定性。由于柴油揮發程度對冷補瀝青混合料強度形成影響較大，所以在實際生產中應注意冷補液柴油摻量，施工時避免過度壓實導致柴油揮發緩慢。

圖1 冷補瀝青混合料修正馬歇爾試驗結果：（a）擊實方式，（b）冷補液拌制工藝，（c）養護制度Fig.1 Modified Marshall test results of cold patch asphalt mixtures：（a）compaction methods，（b）mixing processes of cold patch asphalt liquid，（c）curing conditions

2.3 最佳工藝制備的冷補瀝青混合料性能評價

采用50 次+25 次的擊實方式與工藝2 的冷補液拌制工藝制備冷補瀝青混合料，通過修正馬歇爾試驗、黏聚性試驗、貫入試驗測定冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度、浸水殘留穩定度、破損率與貫入強度，結果如表4 所示。

表4 最佳工藝制備的冷補瀝青混合料的主要性能參數Tab.4 Main performance parameters of cold patch asphalt mixtures prepared by optimum process

由表4 可知，使用50 次+25 次的擊實方式與工藝2 的冷補液拌制工藝制備冷補瀝青混合料，其馬歇爾穩定度可達8.04 kN，浸水殘留穩定度可達86.8%，貫入強度可達3.02 MPa，破損率為5.3%，采用此工藝方式制備的冷補瀝青混合料性能優良。

3 結 論

1）SMA-13 熱拌瀝青混合料馬歇爾穩定度略高于LB-13 熱拌瀝青混合料。但SMA-13 瀝青混合料空隙率為3.54%，礦料間隙率為14.89%；LB-13 瀝青混合料空隙率為13.42%，礦料間隙率為23.73%，LB-13 瀝青混合料的空隙率與礦料間隙率高于SMA-13 瀝青混合料。綜合冷補瀝青混合料強度形成機理，大空隙結構更有利于柴油的揮發，從而后期強度可快速增加，所以選擇LB-13 型級配制備冷補瀝青混合料。

2）增加擊實次數可以提高冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度，當擊實次數為50 次+25 次時，瀝青混合料馬歇爾穩定度可達7.18 kN，浸水殘留穩定度可達84.4%。冷補液采用工藝1制得的瀝青混合料馬歇爾穩定度為5.89 kN，浸水殘留穩定度為80.6%；而冷補液采用工藝2 制得的瀝青混合料馬歇爾穩定度為6.86 kN，浸水殘留穩定度為84.1%，高于使用工藝1 制得的瀝青混合料。因此制備冷補瀝青混合料成型擊實方式應選擇50 次+25 次，瀝青冷補液拌制時采用將添加劑與稀釋劑混合均勻后再與基質瀝青混合的拌制方法。

3）隨著養護溫度的升高，所模擬的冷補瀝青混合料中柴油揮發周期增加，則混合料柴油揮發量也逐漸增多，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度逐漸上升。當養護溫度為110 ℃時，混合料內部柴油幾乎完全揮發，混合料的馬歇爾穩定度為5.89 kN，浸水殘留穩定度為80.6%，冷補瀝青混合料的馬歇爾性能與水穩定性均達到一定水平，可滿足坑槽修補后路面的使用要求，而養護溫度為25 ℃時，試件遇水發生松散，冷補瀝青混合料強度無法形成。所以柴油揮發程度對于冷補瀝青混合料的強度的形成影響較大。

4）使用 50 次+25 次的擊實方式與工藝 2 的冷補液拌制工藝可制得性能優良的冷補瀝青混合料，其馬歇爾穩定度可達8.04 kN，浸水殘留穩定度可達86.8%，貫入強度可達3.02 MPa，破損率為5.3%。