冷補瀝青膠結料研制及性能評價

郭忠寶

(遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166)

瀝青路面在服役過程中由于受到自然環境和行車荷載的作用，加之施工技術水平等因素，不可避免地會產生諸如坑槽等病害，當瀝青路面的坑槽得不到及時的修補，水逐漸滲入到路面結構內部時會對瀝青路面的耐久性造成極大影響[1]。同時，坑槽的出現會極大地影響行車安全和舒適性。目前常用的瀝青路面坑槽冷補材料分為稀釋型、乳化型和反應型，由于稀釋型冷補料具有使用范圍較廣、造價較低、生產工藝簡單等諸多優點，因此，針對瀝青路面坑槽用稀釋型冷補瀝青混合料所用膠結料進行研制，同時對其相關性能進行評價。

1 原材料選擇

1.1 基質瀝青

選用重交90#基質瀝青，具體性能指標見表1。

表1 90#基質瀝青主要性能指標

1.2 稀釋劑

對于稀釋型冷補瀝青混合料，為滿足施工要求，需加入一定量的稀釋劑用來調和瀝青，根據冷補瀝青混合料特殊的路用要求，所選用的稀釋劑應對改性劑和基質瀝青有較大的溶解能力，能形成均勻穩定的體系，目前常用的稀釋劑包括柴油、煤油、溶劑油等。根據調研結果，本項目選用溶劑油作為研究的稀釋劑。

1.3 添加劑

稀釋性冷補瀝青混合料的強度隨著稀釋劑的揮發而逐漸提高，但由于稀釋劑的存在，在稀釋劑未完全揮發的情況下，混合料的強度會受到一定程度的影響。因此，在研究中，分別選擇了增溶劑、增粘劑和抗剝落劑加入瀝青中，提高冷補瀝青混合料的早期強度和后期強度，從而提高其早期路用性能和力學性能。其中改性劑選用線形結構的SBS 1301。

2 傅里葉紅外光譜試驗分析

為對增粘劑和抗剝落劑在冷補瀝青膠結料中所產生的作用進行分析，采用傅里葉紅外光譜(FTIR)對其化學組成進行分析，探討其作用機理。測試結果如圖1、圖2所示。

圖1 增粘劑紅外光譜測試結果

圖2 抗剝落劑紅外光譜測試結果

2.1 增粘劑測試結果

如圖1所示，處于3030cm-1的峰分別歸屬為增粘劑分子的芳香環的C-H伸縮振動和亞甲基的伸縮振動，在1605cm-1處的峰增粘劑分子的苯環特征雙鍵的特征峰，在800～690cm-1處的吸收峰歸屬為芳香環不飽和C-H的面外彎曲振動，這些特征都說明了增粘劑中含有芳香環；另外，在2928cm-1的峰為飽和C-H伸縮振動，在1448cm-1和1374cm-1的峰為飽和C-H的彎曲振動，1737cm-1處為羰基的伸縮振動。

2.2 抗剝落劑測試結果

如圖2所示，在1550cm-1和1641cm-1的峰歸屬為酰胺的振動吸收，在3305cm-1的峰為胺基的特征峰，在3007cm-1、2953cm-1、2852cm-1出現的峰為亞甲基的伸縮振動，可以看出本樣品成分中含有聚酰胺。相比于亞甲基吸收峰強度，酰胺與胺基的吸收峰均較弱，含量較少，說明抗剝落劑中聚酰胺的烷基鏈很長，聚酰胺的存在，可以與瀝青有較好的相容性，同時由于聚酰胺的特殊性能，可以形成高強度的粘結，由此可以提高冷補瀝青與石料的粘附性能，進而提高冷補瀝青混合料的早期強度，彌補由于稀釋劑的存在造成的早期強度損失。

3 SBS-增粘劑改性瀝青試驗分析

為評價增粘劑的加入對基質瀝青的影響，以SBS-增粘劑改性瀝青為研究對象，線性SBS改性劑摻量5%，測定不同摻量增粘劑/SBS復合改性瀝青的針入度、軟化點、延度、135℃旋轉粘度，結果如表2所示。

表2 不同摻量增粘劑/SBS改性瀝青性能測試數據

由表2可以看出，增粘劑的加入可以顯著提高SBS改性瀝青的軟化點，同時其針入度也隨著增粘劑的加入而降低，增粘劑的加入可以在一定程度上提高改性瀝青的稠度，保證了冷補瀝青混合料的粘聚性[2]。同樣可以看出，增粘劑的加入會顯著提高改性瀝青的旋轉粘度。為保證施工的和易性，在后續的冷補液制備過程中應充分考慮由于增粘劑的加入造成的瀝青粘度增加，并重點對施工和易性予以關注。與此同時增粘劑的加入會降低SBS改性瀝青的延度，并且隨著增粘劑摻量的加大，延度會進一步減小。根據紅外光譜分析可知，所加入的增粘劑中存在苯環結構，加入改性瀝青中，會降低其混合相的延展性能，導致加入增粘劑后其混合瀝青的延度降低。

4 冷補瀝青液設計指標敏感性因素分析

瀝青粘度及其流動性直接關系到混合料的和易性、疏松性、壓實性和初始強度。在同樣的溫度下，采用相對低粘度、流動性好的瀝青配制成混合料，雖然疏松性、和易性都好，但初期粘結力小，不足以抵抗車輪作用產生的剪切力，容易造成松散。瀝青粘度過大、流動性差時，混合料在冷卻過程中或溫度較高時容易結成硬塊，儲存性能差，施工和易性差，而且不利于壓實，所以選擇在特定溫度下瀝青結合料的適宜粘度和流動性非常重要。

本項目以粘度及流動性試驗為評價指標，對冷補瀝青結合料進行正交試驗。冷補瀝青結合料的正交設計考慮的因素主要有：增粘劑添加量、抗剝落劑添加量及稀釋劑添加量三個因素。為重點弄清各因素對冷補瀝青結合料的影響，試驗分兩次三水平三因素正交實驗。設計正交試驗的因素、水平如表3所示，然后分別對各冷補瀝青液進行黏滯性、流動性的測試。分別對冷補瀝青液的各項性能進行敏感性因素分析，選出各單項性能指標最優時的設計指標組合方案，并對設計指標敏感性進行排序。

表3 試驗因素與水平

4.1 黏滯性試驗

本項目所制備的冷補瀝青在25℃時粘度較大，因此，采用60℃時布氏旋轉黏度計測量冷補瀝青液的粘度。試驗結果如表4～表6所示。

表4 黏滯性試驗數據表

表5 冷補瀝青黏滯性試驗(60℃)敏感性分析

表6 冷補瀝青黏滯性試驗(60℃)方差分析

4.2 流動性試驗

本試驗用流出相同質量冷補瀝青液所需的流動時間作為評價指標，較為直觀地反映了冷補瀝青液的流動能力，控制著混合料施工和易性。實驗中，將配好的冷補瀝青液注入試管中，密封保存90min至室溫；室溫條件下，將試管直立，并從試管直立時開始計時，直至流出冷補瀝青液質量為10g時計時停止。試驗結果如表7～表9所示。

表7 流動性試驗數據表

表8 冷補瀝青流動性試驗敏感性分析

表9 冷補瀝青流動性試驗方差分析

4.3 正交試驗評價

對上述正交試驗進行極差分析，結果如表10所示。

表10 各單項性能最優時的設計指標組合方案及敏感性排序

從上述極差結果可以出，稀釋劑對粘度的影響最大，增粘劑次之，抗剝落劑最小。

通過上述分析，冷補瀝青膠結料的最終組成及比例為：線性SBS改性劑5%、相容劑2.5%、增粘劑摻量4%、抗剝落劑摻量3.5%，稀釋劑摻量宜根據使用環境溫度進行確定，需保證冷補瀝青混合料在低溫條件下具有較好的施工和易性，一般在30%～40%。

5 結論

(1)為提高冷補瀝青混合料的路用性能，宜加入改性劑、增粘劑和抗剝落劑，所添加的材料需與基質瀝青有較好的相容性。

(2)黏滯性與流動性是一對相對立的性能指標，兩者的敏感性因素均為稀釋劑摻量，且稀釋劑對黏滯性的影響更為明顯。因此必須通過調整稀釋劑摻量以平衡兩者關系。

(3)通過文獻總結、實測結果分析及施工和易性要求，本次研究將冷補瀝青液黏滯性試驗60℃粘度控制為小于2Pa·s。

(4)增粘劑中的芳香環質量分數的增加可以提高改性瀝青的相容性，使增粘劑分子能夠更好地吸附在SBS 上，提高了冷補液的穩定性。抗剝落劑中含有聚酰胺，聚酰胺的分子間存在氫鍵，且聚酰胺極性很強，可以產生很強的分子間作用力，具有優異的粘結性能，可以形成高強度的粘結，可以提高冷補瀝青與石料的粘附性能。

(5)冷補瀝青液的流動時間隨稀釋劑含量增加而減少，流動性顯著提高；其流動時間隨增粘劑含量增加而增加，所以需要控制稀釋劑和增粘劑的相對含量用以控制冷補瀝青液黏度，來達到粘度增減平衡合理狀態。結合60℃黏度數據，建議冷補瀝青流動時間不超過240s。