LB-10型冷補瀝青混合料的制備及性能

劉非易，李強，羅宵，沈凡

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

瀝青路面被廣泛地應用于各類型公路的建設.但瀝青路面在自然條件與車輛荷載的作用下會逐漸出現車轍、坑槽、裂縫等各種路面病害.其中，路面坑槽不僅會對路面使用性能與行車舒適性產生影響，還會危害行車安全[1-3].因此路面坑槽的及時修補便顯得十分重要，傳統的瀝青坑槽修補方式是采用熱拌瀝青混凝土，這種方法只適合應對工程量大，坑槽較為集中的路段，不適用于坑槽分布零散的狀況[4].此外，熱補法也無法在雨季與冬季溫度較低時進行施工，且施工后無法立即開放交通[5-8].鑒于熱補法在道路坑槽修補中的局限性，交通行業的學者們研發出了一種新型材料——冷補瀝青混合料.通過摻加添加劑實現對瀝青的改性，使得制備的冷補瀝青混合料可以在常溫與低溫下施工，填補路面坑槽[9-10].冷補瀝青混合料生產方便，利于施工，便于儲存，隨用隨取，修復快速[11]，這使得它越來越受到交通部門的青睞.

冷補液是由基質瀝青、稀釋劑、冷補劑、抗剝落劑混合后，攪拌均勻制得，它對冷補瀝青混合料性能有一定的影響.因此研究冷補液各組分種類，摻量和性能，對于路面坑槽修補具有十分重要的意義[12].李峰等人研究了不同瀝青種類與稀釋劑用量對冷補瀝青混合料性能的影響，發現相較于SBS改性瀝青，基質瀝青更適合用于制備冷補液，且稀釋劑摻量越多，混合料馬歇爾穩定度越低[13]；李璐等人研究了冷補劑摻量對冷補瀝青混合料路用性能的影響，發現混合料馬歇爾穩定度與抗彎應變隨冷補劑摻量的增多而降低，而混合料抗彎強度與勁度模量隨冷補劑摻量的增多而升高[14]；徐文等人通過對冷補瀝青混合料初始強度、成型強度，以及低溫施工和易性的研究得到了冷補液各組分的最佳摻量，基質瀝青∶柴油∶N1(樹脂添加劑)∶K2(抗剝落劑)=100∶24∶5∶0.5[15].綜上可得，冷補瀝青混合料中冷補液組分設計缺少系統化的研究，基于此本文參考李峰等人設計的LB-10型冷補瀝青混合料級配，制備了冷補瀝青混合料，通過改變瀝青與柴油比例，冷補劑摻量，抗剝落劑摻量進行貫入試驗、柴油揮發試驗與修正馬歇爾試驗，研究冷補液各組分變化對冷補瀝青混合料施工和易性、馬歇爾性能和水穩定性的影響規律.

1 實驗

1.1 實驗原材料

(1)基質瀝青：本次實驗采用的是AH-70基質瀝青，其性能參數應符合《公路瀝青路面施工技術規范》[16].瀝青針入度、軟化點與延度等參數見表1;

(2)稀釋劑：稀釋劑的作用是降低瀝青粘度，從而使得瀝青在常溫下能夠保持一定的流動性.本實驗選取0#柴油作為稀釋劑;

(3)添加劑：冷補劑采用樹脂類增粘劑以改善瀝青與集料之間的粘附性能，提高冷補瀝青混合料強度；采用胺類抗剝落劑以改善冷補瀝青混合料的水穩定性;

(4)集料：實驗所用的集料為天然石灰石.其表觀密度為2.62 g/cm3，吸水率為1.08 %，壓碎值為9.7 %.

表1 AH-70基質瀝青試驗結果

1.2 實驗方案

本實驗參考交通部公路科學研究院設計的LB-10型級配，進行級配設計，冷補瀝青混合料合成級配見表2.通過紙跡試驗確定實驗最佳油石比為5.0.采用該級配設計制備瀝青混合料.在進行冷補液組成設計時，基質瀝青、稀釋劑、冷補劑采用內摻法，三者組成含量相加應等于100%；抗剝落劑使用外摻法，其摻量百分率為抗剝落劑與基質瀝青的質量比.由于抗剝落劑摻量對冷補瀝青混合料馬歇爾性能與水穩定性影響較大，為保證后續研究中冷補瀝青混合料具有一定的成型強度可進行性能研究，所以本文先對抗剝落劑用量進行研究.實驗首先控制冷補液中瀝青與柴油比例為78∶20，冷補劑摻量為2.0%，制備了抗剝落劑用量分別為0.30%、0.33%、0.36%、0.39%、0.42%的冷補瀝青混合料，測定混合料的柴油揮發率，并通過貫入試驗測定混合料的貫入強度，通過修正馬歇爾試驗來測定混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度.在此基礎上控制抗剝落劑摻量不變，冷補劑摻量為2.0 %，制備瀝青與柴油比例分別為74∶24、76∶22、78∶20、80∶18、82∶16的冷補瀝青混合料，測定混合料的柴油揮發率，使用貫入試驗測定混合料的貫入強度，使用修正馬歇爾試驗來測定混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度；再在此基礎上，控制冷補液抗剝落劑用量不變，瀝青與柴油比例不變，改變冷補劑摻量分別為1.4%、1.7%、2.0%、2.3%、2.6%來制備冷補瀝青混合料，測定混合料的柴油揮發率，并通過貫入試驗測定混合料的貫入強度，通過修正馬歇爾試驗來測定混合料的馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度.

表2 冷補瀝青混合料級配

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.降溫直到冷補液加熱溫度為90℃±10℃時，將加熱到75℃±5℃的集料放入溫度為75℃±5℃攪拌鍋內攪拌5～10 s.將冷補液與集料均勻拌合35～40 s制得冷補瀝青混合料.

(2)貫入試驗

將制備好的冷補瀝青混合料松散裝入貫入試驗的測試盒中，然后將測試盒放入4℃的冰箱中保溫至少3h，將測試盒取出，使用貫入頭從測試盒側壁的小孔中勻速插入直至貫入頭完全插入為止，此過程應持續3～5s，記錄貫入儀上的讀數，取3個試件的平均值記為該冷補料的貫入強度[13].

(3)柴油揮發試驗與修正馬歇爾試驗

參考李峰等人的修正馬歇爾試驗，取適量冷補瀝青混合料在常溫下裝入馬歇爾試模中，雙面擊實25次.將制備好的馬歇爾試件連同模具放置于小盆中測重后，連同試模一起以側面豎立方式置于110℃烘箱中養生24 h，取出后稱取試件、模具與小盆的重量，計算柴油揮發率.再雙面擊實25次，制作成馬歇爾試件，確保試件高度滿足63.5 mm±1.3 mm.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.

2 結果及分析

2.1 抗剝落劑摻量對性能的影響

不同抗剝落劑用量下冷補瀝青混合料貫入強度、柴油揮發率、馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度結果如圖1、圖2所示.

分析圖1可知，當抗剝落劑摻量為0.30%～0.42%時，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與貫入強度隨抗剝落劑摻量的增加而增大，分別由5.86 kN與2.83 MPa增大至6.32 kN與3.75 MPa. 這是由于加入抗剝落劑后，使得瀝青與集料之間存在有大量帶電荷的活性點，從 而使得瀝青產生吸引力與取向力，瀝青在引力的作用下發生的物理吸附作用會在礦料表面形成物理定向層，提高了瀝青與集料之間的粘附性，從而提高瀝青混合料的馬歇爾穩定度與貫入強度.

圖1 不同抗剝落劑用量下混合料的馬歇爾穩定度與貫入強度

圖2 不同抗剝落劑用量下混合料的浸水殘留穩定度與柴油揮發率

分析圖2可知，在抗剝落劑摻量為0.30%～0.42%的范圍內，混合料的柴油揮發率隨摻量的增加而減小，由64.30%減少至48.17%；冷補瀝青混合料的浸水殘留穩定度隨摻量的增加呈先增大后減小的變化，當抗剝落劑摻量為0.36%時，冷補瀝青混合料的浸水殘留穩定度達到最大，為89.2%.這是由于抗剝落劑提高了瀝青與集料之間的物理吸附作用，使得瀝青混合料結構更加致密，從而影響了柴油的揮發，因此冷補瀝青混合料的柴油揮發率隨抗剝落劑摻量增大而逐漸減小；而混合料的浸水殘留穩定度呈現上圖變化趨勢的原因是抗剝落劑用量越多，物理吸附作用越強，從而使得冷補瀝青混合料抗水損害能力增強.但當抗剝落劑摻量繼續增加0.39%～0.42%時，抗剝落劑用量已達飽和狀態，且由于胺類物質受熱易分解，所以冷補瀝青混合料中的胺類抗剝落劑在養生與水浴過程中因加熱而出現分解[18]，使得瀝青與集料間的物理吸附作用降低，冷補瀝青混合料水穩定性降低.因此綜合考慮，確定最佳抗剝落劑用量為0.36%.

2.2 瀝青與柴油比例變化對性能的影響

研究不同瀝青與柴油比例下冷補瀝青混合料的貫入強度、柴油揮發率、馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度結果如圖3、圖4所示.

由圖3可知，當瀝青與柴油比例為74∶24～80∶18時，冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度變化差異不大，而當瀝青與柴油比例大于80∶18后，混合料馬歇爾穩定度顯著上升，達到最大，為7.52 kN；而在瀝青與柴油比例為74∶24～82∶16的范圍內，混合料的貫入強度隨瀝青與柴油比例的增加而增大，由2.95 MPa增加至4.22 MPa.結合上述圖像與冷補瀝青混合料強度形成機理可得，在瀝青與柴油比例為74∶24～80∶18的范圍內，混合料強度主要由集料間的內摩擦阻力提供，瀝青所提供的的粘聚力影響較小，當瀝青與柴油比例大于80∶18后，瀝青所提供的的粘聚力足以影響冷補瀝青混合料強度，所以冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度顯著上升；由于冷補液中瀝青含量增加使得冷補液黏度增大，從而影響了混合料的貫入強度，使得混合料的施工和易性隨瀝青與柴油比例的增大而減弱，根據實際生產經驗，為使混合料在常溫與低溫條件下能夠正常施工，因此一般應控制冷補瀝青混合料的貫入強度極限值為3～4 MPa[19].

圖3 不同基質瀝青與柴油比例下混合料的馬歇爾穩定度與貫入強度

圖4 不同基質瀝青與柴油比例下混合料的浸水殘留穩定度與柴油揮發率

由圖4可知，冷補瀝青混合料浸水殘留穩定度隨冷補液中瀝青與柴油比例的增大而增大，并且當瀝青與柴油比例為82∶16時，冷補瀝青混合料浸水殘留穩定度為88.2%，性能較優；而混合料的柴油揮發率隨瀝青與柴油比例的增大而減小，由65.94%減少至58.94%.瀝青用量越多，則粘結骨料的瀝青膜厚度越大，在水分進入冷補瀝青混合料空隙中時，較厚的瀝青膜有助于抵抗瀝青與骨料之間的界面破壞，因此混合料水穩定性提高；而柴油在冷補液中的揮發需要從冷補液內部擴散至表面進行揮發，實驗中，由于瀝青用量增多，使得冷補液黏度增大，集料表面的瀝青膜增厚，從而影響了柴油在冷補液中的擴散速度，使得冷補瀝青混合料柴油揮發率隨瀝青用量增加而減小.綜合馬歇爾強度、貫入強度、柴油揮發率、浸水殘留穩定度，本文選取瀝青與柴油比例為78∶20進行后續研究.

2.3 冷補劑摻量變化對性能的影響

改變冷補劑摻量測定冷補瀝青混合料貫入強度、柴油揮發率、馬歇爾穩定度與浸水殘留穩定度如圖5、圖6所示.

圖5 不同冷補劑用量下混合料的馬歇爾穩定度與貫入強度

圖6 不同冷補劑用量下混合料的浸水殘留穩定度與柴油揮發率

由圖5可知，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度隨冷補劑摻量的增加呈先增加后減少的變化趨勢，當冷補劑摻量為1.7%時，瀝青混合料的馬歇爾穩定度達到最大，為7.12 kN；而貫入強度則隨冷補劑摻量的增加而逐漸增大，由3.48 MPa增加至3.69 MPa，貫入強度的增長幅度較小.分析圖5可知，當冷補劑摻量為1.4%～1.7%時，增加冷補劑的摻量，確實有助于提高瀝青混合料的馬歇爾穩定度，這是由于冷補劑提高了冷補瀝青液的黏度，從而使得冷補液的粘附性增強；而貫入強度的變化則說明，冷補劑摻量的增加會影響瀝青混合料的施工和易性，但在摻量為1.4%～2.6%的范圍內，其對施工和易性的影響較小.

由圖6可知，當冷補劑摻量為1.4%～2.6%時，冷補瀝青混合料的浸水殘留穩定度與柴油揮發率均隨冷補劑摻量的增加呈現先增加后減少的變化規律，浸水殘留穩定度與柴油揮發率在冷補劑摻量為1.7%時達到最大，分別為89.6 %與65.99 %.當冷補劑摻量為1.4%～1.7%時，冷補劑摻量增多使得瀝青與集料之間的粘附性增強，從而提高了瀝青混合料的水穩定性，隨著冷補劑摻量的繼續增加，冷補液中瀝青含量逐漸減少，而冷補劑的增黏效果相較于瀝青較弱，因此使得瀝青混合料的浸水殘留穩定度下降；且當冷補劑摻量小于1.7%時，冷補劑的加入可使得冷補液中聚合物鏈的活性提高，聚合物分子發生移動的可能性提高，從而有利于冷補液中柴油的擴散，因此冷補瀝青混合料的柴油揮發率提高，隨著冷補劑摻量的提高，冷補液中聚合物濃度逐漸增大，從而影響了柴油的擴散速率，柴油揮發率減少.

3 結論

(1)當抗剝落劑摻量為0.30 %～0.42 %時，冷補瀝青混合料的馬歇爾穩定度與貫入強度隨摻量的提高而增加，最大可達6.32 kN與3.75 MPa，混合料的柴油揮發率隨摻量的提高而由64.30 %減小到48.17 %；浸水殘留穩定度隨摻量的提高呈先增加再減小的變化規律，在抗剝落劑摻量為0.36 %時，冷補瀝青混合料浸殘留水穩定度達到最大為89.2 %;

(2)當瀝青與柴油比例為74∶24～82∶16時，冷補瀝青混合料貫入強度與浸水殘留穩定度隨冷補液瀝青與柴油比例的增大而增大，而柴油揮發率逐漸減小；當瀝青與柴油比例大于80:14后，冷補瀝青混合料馬歇爾穩定度明顯增強，可達7.52 kN，但貫入強度大于4 MPa;

(3)當冷補劑摻量為1.4%～2.6 %時，冷補瀝青混合料的貫入強度逐漸增大，但增長幅度較小，而馬歇爾穩定度、浸水殘留穩定度、柴油揮發率隨摻量的提高而呈先增加再減小的變化規律，當冷補劑摻量為1.7 %時，混合料馬歇爾穩定度、浸水殘留穩定度于柴油揮發率均達到最大，分別為7.12 kN、89.6 %、65.99 %;

(4)本文通過控制變量法研究了不同冷補液組分對冷補瀝青混合料性能的影響規律，研究可得冷補液中瀝青與柴油比例為78:20，冷補劑摻量為1.7 %，抗剝落劑摻量為0.36 %時制備的混合料性能施工和易性、馬歇爾性能和水穩定性均達到較優水平，其貫入強度可達3.52 MPa，柴油揮發率可達65.99 %，馬歇爾穩定度可達7.12 kN，浸水殘留穩定度可達89.6 %.

致謝：本文受武漢工程大學校內科學研究

基金項目資助(K202027)，特此致謝！