冷補瀝青混合料老化特征的宏微觀性能

摘要：為分析老化對冷補瀝青混合料界面形態和力學性能的影響，設計9組基質瀝青、稀釋劑和添加劑的質量比制備冷補瀝青混合料，測定旋轉黏度和裹覆率，確定基質瀝青、稀釋劑和添加劑的質量比為75∶22∶3。根據5種不同冷補瀝青質量分數（3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%）制備的冷補瀝青混合料的裹覆效果，確定冷補瀝青最佳質量分數為4.0%～4.5%。根據經驗關系公式可確定3種級配（A、B、C）的最佳冷補瀝青質量分數分別為4.3%、4.2%、4.0%。對3種不同級配的冷補瀝青混合料進行間接拉伸、掃描電鏡觀察和納米壓痕等多尺度試驗分析老化時間對其宏觀力學性能和微觀界面形態特性的影響。結果表明：3種級配冷補瀝青混合料的間接拉伸模量均隨老化時間的增大而增大；采用最佳瀝青質量分數4.3%制備的級配A冷補瀝青混合料經長期老化后間接拉伸模量仍較大，微觀界面形態光滑，集料部分的彈性模量變化極小，界面處及瀝青膠漿的彈性模量均隨老化時間的增大而增大。瀝青膠漿的彈性模量在老化初期迅速增大，后期趨緩。

關鍵詞：冷補瀝青混合料；老化時間；間接拉伸模量；微觀界面特性

中圖分類號：U416.217 文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2025）01-0061-07

0 引言

坑槽是瀝青路面的主要病害之一，易導致路面破壞加速，影響駕駛安全性和舒適性，存在較大的交通隱患[1]。在車輛和環境因素的綜合作用下，坑槽易發展為更大范圍的病害，甚至損害路基[2]。傳統修復作業模式為采用熱拌瀝青混合料修補坑槽，材料性能穩定，施工工藝成熟，但投入施工設備較多，修復工作受季節限制[3]。

冷拌瀝青混合料具有使用便捷、修復及時和節能環保等優勢，近年來在坑槽修補作業中應用廣泛[4-5]。為改善施工性能，增強滲透性，需對瀝青進行稀釋，但瀝青稀釋后黏附性大幅降低，冷補瀝青混合料易出現松散、脫落等病害[6-7]。研究人員優選添加劑與稀釋劑，優化設計冷補瀝青混合料，并測試材料的路用性能等[8-10]。研究人員采用環氧樹脂、聚苯乙烯、聚酯、丁苯橡膠、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物等單體或復合材料開發添加劑[11-12]，進行冷補瀝青混合料黏附性、存儲穩定性及路用性能的試驗設計與評價[13-16]，微觀界面特性測試及微觀界面特性與冷補瀝青混合料路用性能對應關系研究[17-20]等。對冷補瀝青混合料服役過程中老化特性、界面黏附性能及力學參數變化的研究較少[21-22]。

本文通過間接拉伸試驗、掃描電鏡試驗和納米壓痕試驗等宏微觀測試手段，研究老化時間對冷補瀝青混合料的力學性能及微觀結構特征的影響，為提高冷補瀝青混合料的路用性能提供依據。

1 原材料及制備方法

1.1 冷補瀝青添加劑的合成

采用乙烯基硅氧烷、不飽和脂肪酸、醇類潤濕劑等材料協同作用，制備合成類冷補瀝青添加劑，用于增大冷補瀝青與集料的黏附性，提升冷補瀝青混合料的抗水能力。采用小型反應釜合成添加劑，反應溫度為80～120 ℃，以偶氮引發劑引發化學反應，以鏈終止劑控制反應程度，以醇類潤濕劑保證反應物混合均勻，成品為棕黑色油狀液體。

1.2 冷補瀝青的制備

以齊魯70#道路石油瀝青為基質瀝青，輕質柴油為稀釋劑，加入制備的合成類添加劑制備冷補瀝青。冷補瀝青的制備工藝為：加熱基質瀝青至135 ℃后加入一定比例的稀釋劑，攪拌0.5～1.0 h混合均勻后，控制瀝青混合物的溫度為85～100 ℃，再按比例加入添加劑，持續攪拌4.0～6.0 h后得到冷補瀝青。齊魯70#道路石油瀝青的技術性能指標如表1所示。

黏度是衡量冷補瀝青施工和易性的重要指標。為使冷補瀝青易于拌和并均勻裹覆石料，溫度為60 ℃時旋轉黏度通常要求為0.8～1.6 Pa·s[24]。黏附性是評價冷補瀝青混合料水穩定性的重要指標，可采用裹覆率指標進行黏附性評價[24]。為優化基質瀝青、稀釋劑和添加劑的質量比w1，設計制備不同質量比的冷補瀝青混合料，測試旋轉黏度及裹覆率，結果如表2所示。

由表2可知：冷補瀝青的旋轉黏度隨稀釋劑和添加劑比例之和的增大而減小；稀釋劑質量不變，增大添加劑質量時，旋轉黏度減小。當基質瀝青與稀釋劑的質量比為（73～77）：（20～24）時，冷補瀝青的旋轉黏度（60 ℃）為0.787～1.366 Pa·s，滿足冷補瀝青對黏度的一般要求。不摻加添加劑時，裹覆率為0，即冷補瀝青與集料間無黏附性；添加劑的質量比不小于3%時，裹覆率可達100%，黏附性明顯提高。綜合考慮技術性與經濟性， 采用基質瀝青、 稀釋劑和添加劑的質量比為75∶22∶3制備冷補瀝青混合料。

1.3 集料

以石灰巖石料為集料，與瀝青的黏附性較好。按文獻[25]的試驗要求，對不同粒徑集料進行取樣、篩分及密度試驗，集料的物理指標如表3所示。

2 冷補瀝青混合料組成設計

設計3種骨架型礦料級配A、B、C用于制備冷補瀝青混合料，如圖1所示。3個級配的公稱最大粒徑均為13.2 mm，冷補瀝青在瀝青混合料中的質量分數分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。

不同冷補瀝青質量分數下的裹覆效果如圖2所示。由圖2可知：裹覆效果隨冷補瀝青質量分數的增大而有所改善；冷補瀝青質量分數為3.5%時，冷補瀝青呈偏干狀態，并有明顯的花白料現象，說明瀝青用量不足，裹覆不均勻；瀝青質量分數增至4.0%時，集料表面開始呈油潤狀態；冷補瀝青質量分數增至4.5%時，混合料表面的油潤狀態更明顯；冷補瀝青質量分數為5.0%時，集料表面的瀝青膜較厚，出現輕微的瀝青流淌，瀝青用量過大。可初步確定冷補瀝青最佳質量分數為4.0%～4.5%。

冷補瀝青最佳質量分數[9]

wmax=0.021a+0.056b+0.099c+0.120d+1.200，（1）

式中a、b、c、d分別為粒徑為gt;4.75 mm、gt;0.3～4.75 mm、gt;0.075～0.3 mm、≤0.075 mm集料的質量分數。

由施工經驗可知，瀝青膜厚度為6.0～8.0 μm可有效保證冷補瀝青混合料的施工和易性和壓實度。采用式（1）確定冷補瀝青的最佳質量分數，可得3種級配的冷補瀝青最佳質量分數分別為4.3%、4.2%、4.0%，與拌和試驗裹覆效果所得結論一致。

3 試驗方法和結果分析

3.1 間接拉伸試驗

分別采用冷補瀝青最佳質量分數制備3種礦料級配的冷補瀝青混合料。為模擬冷補瀝青混合料在實際路面坑槽修復后數月間的狀態，對冷補瀝青混合料進行恒溫加熱加速老化，試驗步驟為：將制備的冷補瀝青混合料置于110 ℃的烘箱中，分別加速老化12、24、36、48、60、72 h，取出后室溫冷卻至少4 h，再成型馬歇爾試件，進行間接拉伸模量測試。

3種級配冷補瀝青混合料間接拉伸模量隨老化時間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知：冷補瀝青混合料的間接拉伸模量均隨老化時間的增大而增大，從800～825 MPa增至1 030～1 060 MPa；老化時間低于48 h時，稀釋劑揮發速度較快，間接拉伸模量迅速增大約200 MPa；老化48～72 h時，間接拉伸模量僅增大約20 MPa；3種級配A、B、C的冷補瀝青混合料中，級配C間接拉伸模量始終最大，級配A間接拉伸模量始終最小。3種級配的粗細集料比例不同，邊長為4.75 mm篩孔通過率分別為26.8%、22.2%和17.6%，粗集料質量占比較大，可提供穩定的骨架結構，促進稀釋劑的揮發，冷補瀝青混合料的間接拉伸模量較大。

為分析冷補瀝青質量分數w對瀝青混合料力學性能的影響，采用級配A，冷補瀝青質量分數分別為4.0%、4.3%、4.5%成型試件，對試件進行間接拉伸試驗，結果如表4所示。由表4可知：3種冷補瀝青混合料的間接拉伸模量均隨老化時間的增加而增大；老化時間不大于36 h時，

冷補瀝青質量分數為4.0%、4.3%的冷補瀝青混合料的間接拉伸模量較大；老化時間大于36 h時，冷補瀝青質量分數為4.3%的冷補瀝青混合料的間接拉伸模量較大；冷補瀝青質量分數為4.0%時，初期間接拉伸模量較大但后期抗拉強度不足；冷補瀝青質量分數大于4.3%時，間接拉伸模量較小。可確定冷補瀝青最佳質量分數為4.3%。

3.2 微觀結構試驗

采用掃描電鏡SU5000觀測冷補瀝青混合料中冷補瀝青-集料界面的微觀形態，分析界面的黏附特征。采用級配A，不同冷補瀝青質量分數下冷補瀝青混合料界面微觀結構如圖4所示。每個圖像下部為粗集料的無膜結構，上部為細集料部分，二者界面為冷補瀝青膠漿。

由圖4可知：冷補瀝青質量分數較小（3.5%）時，可在冷補瀝青-集料界面觀察到微裂紋，也可觀察到明顯的細集料顆粒，表明此時瀝青膠漿與集料的界面黏附強度不足，無法有效黏附細集料；冷補瀝青質量分數為4.3%時，瀝青膠漿與集料間的界面光滑；冷補瀝青質量分數為5.0%時，在冷補瀝青-集料界面處可觀察到自由瀝青的溢出現象。

為分析坑槽修復前后冷補瀝青混合料的界面變化規律，將冷補瀝青混合料置于溫度為110 ℃的烘箱中模擬老化過程。采用級配A、最佳冷補瀝青質量分數的冷補瀝青混合料經不同老化時間后的微觀界面結構如圖5所示。

由圖5可知：新料界面光滑，觀測區域內無微裂縫和孔洞；老化24后，界面較光滑，但瀝青膠漿已呈粗糙狀態；老化100 h后，在冷補瀝青-集料界面有明顯的微裂縫；老化200 h后，界面處有微裂縫，觀測區域內產生孔洞，形態不均勻。坑槽修復初期，稀釋劑的揮發不影響冷補瀝青-集料界面的黏附性能，但隨老化程度加劇，界面處的瀝青膠漿老化，影響冷補瀝青混合料的黏附強度。

采用納米壓痕測試儀Brucker Hysitron測試不同老化時間的冷補瀝青混合料界面彈性模量分布。測點布設如圖6所示，從集料到冷補瀝青膠漿的界面彈性模量分布曲線如圖7所示。由圖7可知：集料、瀝青膠漿各自的彈性模量均較穩定；集料與瀝青膠漿界面處30 μm范圍內，彈性模量急劇變化。集料彈性模量變化較小，界面處及瀝青膠漿的彈性模量均隨老化時間的增加而增大；老化24、48 h后瀝青膠漿的彈性模量約為新料的7倍、10倍。隨老化過程中稀釋劑的揮發，瀝青膠漿的彈性模量變化顯著，在老化初始階段稀釋劑揮發速度最快，瀝青膠漿的彈性模量增長迅速，后期趨緩。

4 結論

研究冷補瀝青混合料老化后的多尺度界面形態和力學性能。通過間接拉伸、電鏡掃描和納米壓痕等試驗研究瀝青膠漿-集料微觀結構的關系，分析老化時間對瀝青膠漿-集料界面形態的影響。

1）設計9組基質瀝青、稀釋劑和添加劑的質量比制備冷補瀝青混合料，測定冷補瀝青的旋轉黏度和裹覆率，確定基質瀝青、稀釋劑和添加劑的最佳質量比為75∶22∶3。根據5種不同冷補瀝青質量分數制備的冷補瀝青混合料的裹覆效果，確定冷補瀝青的最佳質量分數為4.0%～4.5%。根據經驗關系公式可確定3種級配的瀝青最佳質量分數分別為4.3%、4.2%、4.0%。

2）3種級配冷補瀝青混合料的間接拉伸模量均隨老化時間的增大而增大。老化時間不大于48 h時，間接拉伸模量增幅較快，后期增幅趨緩；粗集料占比較高的冷補瀝青混合料的間接拉伸模量較大。長期老化后，冷補瀝青質量分數為4.3%時的混合料間接拉伸模量較大，瀝青膠漿-集料界面光滑；小于4.3%時，初期模量較大，但后期抗拉強度不足，瀝青膠漿-集料界面存在微觀裂紋；大于4.3%時，間接拉伸模量始終處于較低水平，冷補瀝青膠漿與集料間多余瀝青溢出。可確定級配A冷補瀝青最佳質量分數為4.3%。

3） 老化前后，冷補瀝青混合料中集料部分的彈性模量變化極小，但界面處及瀝青膠漿的彈性模量均隨老化時間的增加而增大，瀝青膠漿的彈性模量在老化初期迅速增大，后期趨緩。

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Macro and micro properties of cold patching asphalt mixture

Abstract：To analyze the effects of aging on the interface morphology and mechanical properties of cold patching asphalt mixtures， nine groups of quality ratios of matrix asphalt， diluents， and additives are designed to prepare cold patching asphalt mixtures， measuring the rotational viscosity and coating rate， determining the quality ratio of matrix asphalt， diluents， and additives to be 75：22：3. Based on the coating effects of cold patching asphalt mixtures prepared with five different quality percentages of cold patching asphalt， the optimal quality percentage of cold patching asphalt is determined to be 4.0% to 4.5%. According to empirical relationship formulas， the optimal quality percentages of cold patching asphalt for three different gradations are determined to be 4.3%， 4.2%， and 4.0%， respectively. Three different gradations of cold patching asphalt mixtures undergo indirect tensile， scanning electron microscopy， and nano-indentation tests to analyze the effects of aging time on their macroscopic mechanical properties and microscopic interface morphological characteristics. The results show that the indirect tensile modulus of the three gradations of cold patching asphalt mixtures increase with the increase of aging time; the gradation A cold patching asphalt mixture prepared with the optimal asphalt quality percentage of 4.3% maintain a relatively high indirect tensile modulus after long-term aging， exhibiting a smooth microscopic interface morphology， minimal change in the elastic modulus of the aggregate portion， and an increase in the elastic modulus at the interface and asphalt mastic with increased aging time. The elastic modulus of the asphalt mastic rapidly increase in the early stages of aging and then leveled off in the later stages.

Keywords：cold patching asphalt mixture; aging time; indirect tensile modulus; micro-interface characteristic