冷補瀝青混合料材料設計及其性能研究

作者簡介：江 浩（1973—），高級工程師，研究方向：公路工程。

摘要：文章為提高冷補瀝青混合料性能，優化冷補瀝青液制備工藝，以0#柴油為稀釋劑，加入自主合成添加劑α，通過加熱溶解，制得液態冷補瀝青液。通過試驗確定了最佳冷補液類型為B，最佳摻量為14%；以AC-13型和LB-13型級配驗證冷補瀝青混合料的強度特性和路用性能，提出了冷補瀝青混合料馬歇爾初始穩定度應≥2.5 kN，馬歇爾成型穩定度應≥4.5 kN，殘留穩定度應≥75%及凍融劈裂強度比應≥70%，破壞應變≥2 000 με，破損率應≤15%的要求。

關鍵詞：冷補瀝青混合料；冷補瀝青液；強度特性；路用性能

中圖分類號：U416.217

0 引言

瀝青路面在外界環境及荷載作用下會產生車轍、裂縫及坑槽等嚴重影響行車安全與舒適性的病害^［1］。目前熱拌瀝青混合料修補坑槽過程中存在能耗高、污染大等缺點，且瀝青是一種黏彈性材料，施工受到溫度與季節的限制^［2-4］，為解決此類問題，冷補瀝青混合料應運而生。

目前，國內外學者針對冷補瀝青混合料的研究主要集中在添加劑的研發和工藝優化兩方面。自Cho Young S等^［5］提出以煤油、柴油和汽油作為瀝青稀釋劑以來，英國Emcol公司便以石油為稀釋劑制備冷補瀝青，該產品具有修補速度快、可存儲、成本低及施工溫度范圍廣（-45 ℃～54 ℃）等優點^［6］；耿立濤等^［7］基于當前冷補瀝青混合料粘聚性較差的缺陷，通過以柴油為稀釋劑的化學合成方式研制出一種溶劑型冷補瀝青（SCPA），在溫度穩定性、與集料的粘附性、混合料粘聚性及拉伸強度上均有明顯改善；馬全紅等^［8］采用礦質黏土和稀釋劑制備冷補瀝青混合料，通過室內試驗研究了混合料的路用性能，提出以柴油-重油作為最佳稀釋劑配合礦質黏土使用可取得良好效果。

雖然制備冷補瀝青混合料的方式各異，但大多數制備工藝復雜，且沒有完善的評價體系，限制了其推廣與使用?；诖耍疚膶⑺刑砑觿┲瞥梢环N冷補液，在一定溫度下與基質瀝青混合制成冷補瀝青，以簡化冷補瀝青的制備工藝，并提出適用于冷補瀝青混合料的評價方法及標準。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青

冷補瀝青由基質瀝青、稀釋劑和添加劑等按照一定比例配制而成。根據所在地的氣候條件，冷補瀝青可選用70#～110# A級道路石油瀝青。本文選取70#基質瀝青為原料瀝青，其技術指標如表1所示。

1.1.2 稀釋劑

通常將汽油、煤油、柴油和無水乙醇等有機溶劑作為稀釋劑加入瀝青中降低其黏度，以保證瀝青混合料的施工和易性。本文選擇揮發慢、閃點高、易儲存的0#柴油作為稀釋劑，以提高基質瀝青的流動性和促進界面融合^［9］。

1.1.3 添加劑

添加劑的實質是通過對瀝青進行改性，從而加強冷補瀝青混合料與原路面的結合，使混合料強度達到路用要求^［10］。目前添加劑主要包括橡膠、樹脂和礦質黏土。本文采用實驗室自主合成的添加劑α。

1.1.4 集料及其級配

本文所用集料為石灰巖，技術指標如下頁表2～3所示，礦粉技術指標如下頁表4所示。

本文采用AC-13和LB-13型礦料級配進行冷補瀝青混合料級配設計，級配曲線如下頁圖1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 冷補瀝青性能測試

為獲得柴油和添加劑α的最佳摻量，設計并制備多組冷補瀝青，根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行60 ℃旋轉黏度和粘附性測試。

1.2.1.1 冷補液及冷補瀝青的制備

將裝有100 g柴油的圓底燒瓶置于40 ℃磁力攪拌器上，設置轉速為120 r/min對其加熱攪拌，攪拌的同時加入稱量好的添加劑α，添加完成后繼續攪拌1 h，同時利用直流冷凝管對其冷卻回流，冷卻后即制得冷補液。

將基質瀝青加熱至140 ℃～150 ℃后加入定量的冷補液，用玻璃棒攪拌均勻后即制得冷補瀝青，之后保溫待用。

1.2.1.2 瀝青黏度

選用三種類型配比和8%、10%、12%、14%及16%五種摻量，采用60 ℃旋轉黏度試驗研究冷補瀝青黏度變化規律和冷補液最佳摻量。冷補液配比如表5所示。

1.2.1.3 與集料的粘附性

瀝青混合料的性能很大程度上取決于瀝青與集料的粘附性。本文采用水煮法評價冷補瀝青與集料的粘附性。

1.2.2 冷補瀝青混合料的強度特性

初步確定AC-13和LB-13的最佳瀝青用量分別為5.58%和5.3%，采用初始穩定度試驗確定最佳冷補液及其最佳含量，并在該最佳含量下測試冷補瀝青混合料的強度特性。

1.2.2.1 冷補瀝青混合料的制備

在“熱油冷料”的條件下，先將粗集料和冷補瀝青加入拌和機中拌和90 s，再將細集料與礦粉一起加入拌和機中拌和300 s，自動拌和完成后即制得冷補瀝青混合料。

1.2.2.2 冷補液及其最佳摻量確定

冷補瀝青路面須具備一定的強度來抵抗車輛荷載作用，進而保證早期開放交通時路面不被破壞^［11］。本文選用LB-13型級配進行混合料的初始穩定度試驗。

1.2.2.3 馬歇爾穩定度

粱建生等^［12］提出冷補瀝青混合料初期穩定度應≥2 kN，《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）^［13］中規定混合料成型穩定度應≥3 kN。本文采用AC-13和LB-13兩種級配，選取最佳油石比和不同冷補液制備瀝青混合料，并進行馬歇爾穩定度試驗。

1.2.3 冷補瀝青混合料路用性能

采用最佳冷補液，并在其最佳摻量下，參考規范測試瀝青混合料的水穩定性、低溫性能和粘聚性。

1.2.3.1 水穩定性

現有規范中并沒有對冷補瀝青混合料水穩定性進行要求，但較多研究人員提出殘留穩定度應≥75%及凍融劈裂強度比≥70%的要求^［14］，本文參照該要求，采用浸水馬歇爾試驗測試混合料的水穩定性。

1.2.3.2 低溫性能

在低溫環境下瀝青逐漸變脆，瀝青混合料易出現裂縫，基于此，本文參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行混合料低溫彎曲試驗。

1.2.3.3 粘聚性

為防止新舊路面接縫處的混合料在雨水和荷載的反復作用下產生剝離脫落，冷補瀝青混合料應具有一定的粘聚性。本文參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004），同時結合相關經驗進行改進的混合料粘聚性試驗^［15］。

2 結果與討論

2.1 冷補瀝青性能測試結果

2.1.1 瀝青黏度

60 ℃旋轉黏度試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著A、B、C三種冷補液摻量的增加，冷補瀝青60 ℃黏度也逐漸增加；在相同摻量下，三種冷補瀝青60 ℃黏度大小排序為 C型gt;B型gt;A型。當冷補液摻量介于14%～16%時，三種冷補瀝青的60 ℃黏度變化均較小。SHRP瀝青規范中提出瀝青135 ℃黏度≤3 Pa·s^［16］，考慮到冷補瀝青混合料的施工條件較熱拌瀝青更為嚴苛，本文建議冷補瀝青60 ℃黏度應≤2.5 Pa·s。

2.1.2 與集料的粘附性

水煮法試驗結果如表6所示。

由表6可知，三種類型的冷補瀝青與集料的粘附性等級均滿足不低于4級的要求。在粘附性試驗中，由于作為稀釋劑，在試驗過程中會有一定溢出和揮發，對瀝青的粘附性有一定的降低作用。因此，本文建議冷補瀝青混合料的粘附性等級應為最高級5級。

2.2 冷補瀝青混合料強度特性

馬歇爾穩定度試驗結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著冷補液摻量的增加，冷補瀝青混合料的初始穩定度呈現先增加后減小的趨勢。分析原因可知，當冷補液摻量較低時，冷補瀝青黏度較大，易出現結團，難以拌和，此時混合料初始穩定度不足。摻量達到一定值后，礦粉與瀝青發生交互作用形成結構瀝青，使得瀝青混合料初始強度增加，但當冷補液增加到一定程度時，結構瀝青轉換為自由瀝青，馬歇爾穩定度下降

A型、B型、C型冷補液摻量分別達到12%、14%、14%時，各自初始穩定度達到最大值，分別為2.65kN、3.15kN、3.07kN。通過對比發現，當加入14%的B型冷補液時，冷補瀝青混合料和易性較好，初始穩定度最大。

綜合考慮冷補瀝青60 ℃黏度、與集料的粘附性和初始馬歇爾穩定度，最終確定冷補液為B型，摻量為14%。

2.3 冷補瀝青混合料路用性能

2.3.1 水穩定性

2.3.1.1 浸水馬歇爾試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行浸水馬歇爾試驗，試驗結果如表7所示。

由表7可知，兩種級配的瀝青混合料殘留穩定度均＞75%。AC-13型混合料的馬歇爾強度＞LB-13型。對比后建議冷補瀝青混合料的殘留穩定度應≥75%。

2.3.1.2 凍融劈裂試驗

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）進行混合料的凍融劈裂試驗，結果如表8所示。

由表8可知，AC-13型比LB-13型混合料劈裂強度比大。兩種級配的瀝青混合料劈裂強度比均＞70%，符合對普通熱拌瀝青混合料的要求。對比后建議冷補瀝青混合料的劈裂強度比應≥70%。

2.3.2 低溫性能

混合料低溫彎曲試驗結果如表9所示。

由表9知，兩種類型的冷補瀝青混合料動穩定度都達到了2 000με，AC-13型冷補瀝青混合料的破壞應變大于LB-13型，說明其低溫性能優于LB-13型。對比后本文建議冷補瀝青混合料的破壞應變應≥2 000 με。

2.3.3 粘聚性

粘聚性試驗結果如表10所示。

由表10可知，兩種級配的冷補瀝青混合料的破損率均滿足規范要求。從滿足使用性能要求及技術難度兩方面均衡考慮，建議選用破損率作為冷補瀝青與集料之間粘聚性的評價指標，且破損率應≤15%。

3 結語

（1）摻加14% B型冷補液的冷補瀝青混合料綜合性能最優。

（2）建議冷補瀝青60 ℃黏度應≤2.5 Pa·s，冷補瀝青混合料的粘附性等級應為5級。

（3）建議冷補瀝青混合料的初始穩定度應≥2.5 kN，成型穩定度應≥4.5 kN；冷補瀝青混合料的殘留穩定度應≥75%，劈裂強度比應≥70%。冷補瀝青混合料破壞應變應≥2 000 με?？蛇x用破損率作為冷補瀝青與集料之間粘聚性的評價指標，且破損率應≤15%。

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收稿日期：2023-04-17