反應型冷補瀝青的制備及其流變性能研究

摘要：為探究反應型冷補瀝青的制備工藝及其性能表現，本研究制備了一種反應型冷補瀝青，通過正交試驗和常規性能試驗確定了各組分的最佳配比，并以車轍因子G*/sinδ、蠕變勁度模量S和蠕變速率m等流變指標對其高低溫性能展開分析。研究結果表明：反應型冷補瀝青中稀釋劑、水性環氧樹脂、硅烷偶聯劑的最佳摻量分別為6%、20%、10%，固化劑最佳摻量為10%。流變性能指標顯示，反應型冷補瀝青較基質瀝青在高溫性能方面有顯著提升，但低溫性能方面的提升并不明顯。

關鍵詞：反應型冷補瀝青；制備工藝；流變性能

U414.1A180573

0 引言

坑槽病害是高速公路瀝青路面常見典型病害之一，采用冷補料對坑槽病害進行修補是當前高速公路養護最常用的方式。冷補料中雖然以溶劑型冷補料的應用最為廣泛，但由于溶劑型冷補料的強度增長主要是靠稀釋劑揮發形成，所以該類型冷補料往往早期強度低、后期強度增長慢。由于坑槽修補是臨時占道施工，該類型施工需要快速恢復交通減小車輛通行壓力，但溶劑型冷補料較低的早期強度特性并不利于快速開放交通。反應型冷補料作為一種新型冷補料，其強度主要是依靠各組分間通過交聯固化反應形成，因此該材料可以在短時間內具備較高的強度和水穩定性，這一特性與坑槽修補后需要快速開放交通的要求十分契合，因此反應型冷補料也開始受到養護工作者越來越多的重視［1］。

目前針對反應型冷補料的研究主要聚焦其在坑槽修補后的工程應用表現，但對反應型冷補瀝青的關注卻較少［2-3］。反應型冷補瀝青的性能表現對冷補料工作性能影響十分關鍵，而選用不同類型的改性劑也會使反應型冷補瀝青在制備工藝及性能表現上呈現較大的差異，因此針對反應型冷補瀝青的制備及性能評價的研究就顯得十分重要。為進一步加深對反應型冷補瀝青的技術理解，本研究制備了一種反應型冷補瀝青，通過正交試驗和常規性能試驗確定了各組分的最佳配方，并從流變學角度對其高、低溫性能進行評價，以期為后續養護施工從業者應用反應型冷補料時提供參考經驗。

1 試驗原材料、制備方法及試驗方案

1.1 試驗原材料

1.1.1 基質瀝青

反應型冷補瀝青采用70#基質瀝青作為基礎載體進行制備，其性能檢測結果如表1所示。

1.1.2 稀釋劑

稀釋劑的作用主要是實現瀝青在常溫條件下的液化并具備良好的工作性。溶劑型冷補料常用柴油作為稀釋劑，但其揮發速率較慢，導致冷補料強度增長較慢。本項目選用了一種能與硅烷偶聯劑反應的溶劑作為稀釋劑，該物質能與固化劑快速反應，確保瀝青強度的快速增長，其物理特性要求如表2所示。

1.1.3 水性環氧樹脂

瀝青中摻入稀釋劑后會對部分性能造成損傷，因此需要添加改性劑對其性能進行提升。本項目選用的改性劑為水性環氧樹脂，其物理特性要求如表3所示。

1.1.4 硅烷偶聯劑

硅烷偶聯劑的分子結構中包含了不同的官能團，能夠有效強化反應型冷補瀝青中各種材料之間表面交互融合，從而實現瀝青性能的綜合提升。本項目在參考常用硅烷偶聯劑種類以及瀝青反應組成體系基礎上，選擇N-癸基三乙氧基硅烷作為促進有機物與無機物界面融合的中間物質。

1.1.5 固化劑

固化劑會與反應型冷補液發生交聯固化反應形成最終的反應型冷補瀝青。本項目參考前期研究基礎［4］，選擇P.O 32.5普通硅酸鹽水泥與偏高嶺土按比例摻配制得固化劑。

1.2 制備方法

為避免出現瀝青老化，反應型冷補瀝青選擇135 ℃作為加工溫度，加工設備采用高速剪切乳化機，具體制備流程如圖1所示。

1.3 試驗方案

1.3.1 反應型瀝青冷補液配方研究

在參考相關研究基礎上擬定了不同添加劑的摻量［5］，采用60 ℃布氏黏度作為控制指標進行正交試驗確定最佳配比。具體試驗方案如表4所示。

1.3.2 反應型冷補瀝青固化規律研究

在反應型冷補液中摻入不同摻量的固化劑制備反應型冷補瀝青，以瀝青三大指標作為控制指標確定固化劑最佳摻量。

1.3.3 反應型冷補瀝青流變性能檢測

對制備的反應型冷補瀝青進行流變性能試驗，其高溫性能和低溫性能分別利用動態剪切流變儀和彎曲梁流變儀進行試驗評價。

2 試驗結果分析

2.1 正交試驗結果分析

按照既定試驗方案制備不同配比的反應型瀝青冷補液并測定其60 ℃布氏黏度，通過對試驗結果進行極差分析確定各組分的影響程度大小，相關結果如表5、表6所示。

布氏黏度可以較為真實地反映冷補料的施工性能和強度發展情況。布氏黏度較低時雖然可以確保冷補料具備較好的，但其早期強度難以形成，不利于快速開放交通。布氏黏度過高雖然使得冷補料具備較大的早期強度，但容易導致冷補料施工和易性較差。根據施工經驗總結，冷補料的60 ℃布氏黏度宜控制在2～2.5 Pa·s。從試驗結果來看，第1組、5組、8組配方符合建議范圍，因此對上述三組配方進行進一步比較優化。先將第1組和第5組配方進行對比，第1組配方的60 ℃布氏黏度較第4組配方高4.9%，這說明其冷補料性能更優，因此選第1組配方作為優選配方進行下一步比較。將第1組和第8組配方進行對比，第8組的60 ℃布氏黏度雖然比第1組高7.6%，其冷補料性能會更優，但第8組配方中水性環氧樹脂、稀釋劑及硅烷偶聯劑的摻量分別增加了4%、5%和10%，這將導致成本顯著增加。從施工性能與經濟性的平衡性考慮，選定第1組配方作為反應型瀝青冷補液的最佳配方組合。

極差分析中的R值大小可以分析出各組分對60 ℃布氏黏度的影響程度，通過對比表6中的數據可知，按顯著性影響程度排序，影響程度大小依次是稀釋劑摻量、水性環氧樹脂摻量和硅烷偶聯劑摻量。

2.2 反應型冷補瀝青固化規律研究

以2%為增加梯度，在4%～14%范圍內選取6個不同的固化劑摻量制備反應型冷補瀝青并進行瀝青三大指標性能試驗，試驗結果如表7所示。

從表7中數據可以看出，反應型冷補瀝青的軟化點隨著固化劑摻量增加而變大，針入度逐漸變小，延度則是先增大后減小。這說明固化劑在加入瀝青后會使瀝青逐漸固化，瀝青整體變稠、變脆硬，同時高溫性能會有所提升。這是因為，一方面固化劑會與瀝青中的反應型稀釋劑發生交聯固化反應，促進了瀝青強度的提升；另一方面固化劑會在水性環氧樹脂帶來的水環境條件下形成水化產物，水化產物會與瀝青發生反應，這導致瀝青中瀝青質含量會增加，瀝青逐漸變硬稠，而硅烷偶聯劑的存在也進一步強化了這種結合反應。就具體數值而言，當固化劑摻量為10%時，瀝青性能可以達到一個平衡點，延度值此時達到最大值49，軟化點達到70 ℃，針入度值則達到50（0.1 mm），若進一步增加固化劑摻量將導致低溫性能下降，所以固化劑摻量采用10%。

2.3 流變性能測試結果與分析

2.3.1 高溫流變性能

利用動態剪切流變儀分別對反應型冷補瀝青及70#基質瀝青進行58 ℃～88 ℃溫度區間的高溫掃描，通過分析車轍因子G*/sinδ的大小變化評價其高溫性能，試驗結果如圖2所示。

如圖2所示，伴隨溫度環境的升高，兩種瀝青的車轍因子均不斷減小，這說明反應型冷補瀝青與基質瀝青表現出相同的材料特性，在溫度環境升高條件下是以粘彈特性為主，瀝青的高溫性能不斷被弱化。而在同一溫度下，反應型冷補瀝青的車轍因子要遠高于基質瀝青，以58 ℃為例，其車轍因子是基質瀝青的1.5倍，而隨著溫度升高，這種差距更為明顯。Superpave規范中規定瀝青的車轍因子lt;1 kPa情況條件下將喪失抵抗車轍變形能力，以此為參考，基質瀝青在64 ℃時基本喪失了抵抗車轍變形能力，而反應型冷補瀝青在88 ℃時仍具備抵抗車轍變形能力，其車轍因子是基質瀝青的7.8倍，這表明反應型冷補瀝青在高溫性能上具備明顯優勢，可以為反應型冷補料提供良好的高溫抗車轍變形能力。

2.3.2 低溫流變性能

利用彎曲梁流變儀對反應型冷補瀝青及70#基質瀝青進行-6 ℃、-12 ℃及-18 ℃三個溫度下的彎曲梁流變試驗，通過分析蠕變勁度模量S和蠕變速率m的變化評價其低溫性能，試驗結果如圖3所示。

規范規定蠕變勁度模量S≤300 MPa，否則瀝青將顯現出較大脆性易斷裂，而蠕變速率m要求≥0.3，否則會降低瀝青對應力松弛消散的能力。如圖3所示，伴隨溫度降低，瀝青的蠕變勁度模量S會增大而蠕變速率m會減小，這說明瀝青的抗開裂能力在溫度降低環境下不斷減弱。兩種瀝青在-18 ℃時均已喪失抗開裂能力。同一溫度下，基質瀝青的蠕變勁度模量S高于反應型冷補瀝青，而蠕變速率m小于反應型冷補瀝青，但這種差異較小。這說明反應型冷補瀝青在改性劑和固化劑的綜合作用下雖然低溫抗裂性能有所改善，但效果并不明顯。

3 結語

（1）根據正交試驗極差分析結果可知，反應型瀝青冷補液60 ℃布氏黏度受稀釋劑摻量影響最大，其次是水性環氧樹脂，最后是硅烷偶聯劑。結合正交試驗結果進行分析，反應型瀝青冷補液中各類外加劑的最佳摻量為水性環氧樹脂6%、稀釋劑20%、硅烷偶聯劑10%。

（2）反應型瀝青冷補液中摻入固化劑后會發生交聯固化反應形成強度，生成的反應型冷補瀝青稠度較高，固化劑摻量增加會提升其高溫性能，低溫性能則會先提升后降低，固化劑摻量在10%時整體性能最優。

（3）從流變性能角度來看，反應型冷補瀝青較基質瀝青具備明顯更優的高溫性能，但低溫性能改善效果并不明顯。

參考文獻：

［1］劉 俠，鄭木蓮，鞠 健，等.溶劑型冷補瀝青研制及其混合料性能評價方法［J］.科學技術與工程，2023，23（10）：4 384-4 391.

［2］劉非易，余泳幸，沈 凡.反應型冷補瀝青混合料的強度形成機理及強度發展規律研究［J］.公路，2023，68（5）：45-50.

［3］沈 凡，劉非易，余泳幸，等.反應型冷補瀝青混合料的制備及其膠漿黏度特性研究［J］.昆明理工大學學報（自然科學版），2022，47（2）：20-26.

［4］楊 勝.反應稀釋型冷補瀝青混合料的性能研究［D］.北京：北京建筑大學，2022.

［5］曾 巍.反應型高性能冷補料開發及研究［D］.重慶：重慶交通大學，2021.