冷補(bǔ)瀝青混合料的制備及其性能

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

2.重慶暄潔環(huán)保產(chǎn)業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司，重慶400039）

冷補(bǔ)瀝青混合料的制備及其性能

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

2.重慶暄潔環(huán)保產(chǎn)業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司，重慶400039）

以柴油、大豆油、自制冷補(bǔ)劑以及基質(zhì)瀝青為原料制備了冷補(bǔ)瀝青液，并將其與集料拌和得到了冷補(bǔ)瀝青混合料.重點(diǎn)研究了冷補(bǔ)劑用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青液60℃粘度和冷補(bǔ)瀝青混合料穩(wěn)定度的影響以及考察了冷補(bǔ)瀝青混合料的粘聚性、抗水剝落性以及低溫工作度和抗凍性，并將所制備的瀝青混合料與使用市售國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口冷補(bǔ)劑制得的混合料進(jìn)行了性能對(duì)比.結(jié)果表明：含5%冷補(bǔ)劑的冷補(bǔ)瀝青混合料的初始穩(wěn)定度和成型穩(wěn)定度分別為3.88 k N和6.14 k N，試樣保留率為93%，瀝青裹覆率達(dá)99%，低溫拌和方便，使用性能好.

冷補(bǔ)瀝青；冷補(bǔ)劑；粘度；馬歇爾穩(wěn)定度

0 引 言

在道路養(yǎng)護(hù)工程中，路面坑槽修補(bǔ)方法可分為熱補(bǔ)法和冷補(bǔ)法兩種類型.與熱態(tài)或高溫條件下使用的熱補(bǔ)瀝青混合料相比，在常溫或低溫下進(jìn)行修補(bǔ)的冷補(bǔ)料具有施工方便快捷、不封閉交通、環(huán)境污染小、受氣候條件限制小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣泛［1－2］.前蘇聯(lián)、美國(guó)于在20世紀(jì)30～40年代便開(kāi)始冷補(bǔ)瀝青混合料的研究與應(yīng)用［3］，隨后日本、歐洲也不遺余力的對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行了研究［3］，其使用的瀝青結(jié)合料主要是乳化瀝青.為了滿足快速開(kāi)放道路交通的要求，如何控制破乳時(shí)間成為關(guān)鍵的技術(shù)難題之一.目前該技術(shù)多為國(guó)外生產(chǎn)廠商的專利技術(shù)，其成熟產(chǎn)品的價(jià)格非常昂貴［4－9］.我國(guó)對(duì)冷補(bǔ)瀝青的研究起步較晚，大量關(guān)于冷補(bǔ)瀝青的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，但近十多年來(lái)相關(guān)材料的研究受到越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)及其學(xué)者的重視［10－15］.其中交通部公路研究院、吉林公路局、山西公路局、長(zhǎng)安大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)以及韓繼國(guó)、宋健生、劉大梁、呂偉民、張海濤等學(xué)者的研究較為深入.他們大多使用稀釋瀝青通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)提出一些高性能冷補(bǔ)料的制備方法，同時(shí)還指出了冷補(bǔ)料配制的技術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用需注意的問(wèn)題，并對(duì)其性能的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了探究與總結(jié).與國(guó)外的商業(yè)化產(chǎn)品（美國(guó)的科氏冷補(bǔ)料和加拿大的寧楓冷補(bǔ)劑）相比，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品存在著強(qiáng)度不夠高，耐水性不夠好，因而使用壽命較短等問(wèn)題，特別是在高溫環(huán)境使用性能難以達(dá)到要求［1］.為了克服上述問(wèn)題，及時(shí)快速的修補(bǔ)道路坑槽并提高道路的使用質(zhì)量，開(kāi)發(fā)高性能的常溫／低溫瀝青修補(bǔ)材料將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.本文以制備高性能的冷補(bǔ)瀝青材料為目標(biāo)，采用柴油、大豆油、自制冷補(bǔ)劑、基質(zhì)瀝青以及玄武巖為原料制備了冷補(bǔ)瀝青混合料，通過(guò)冷補(bǔ)劑含量的變化，系統(tǒng)地研究了冷補(bǔ)瀝青液60℃粘度、混合料穩(wěn)定度的變化情況.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用主要原料見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)用原料Table 1 Raw material of experiments

1.2 制備過(guò)程

按質(zhì)量比稱取各組分（基質(zhì)瀝青∶0＃柴油∶食用大豆油∶冷補(bǔ)劑＝100∶18∶6∶2～8）備用.將基質(zhì)瀝青加熱到110～150℃攪拌15 min，邊攪拌邊加入柴油、豆油.攪拌后降溫至80～90℃時(shí)，加入冷補(bǔ)劑攪拌均勻，制得冷補(bǔ)瀝青液.按照油石比為5%的比例將冷補(bǔ)瀝青液和集料混合物（集料為玄武巖，AC－13級(jí)配，填料為水泥，玄武巖與水泥的質(zhì)量比為100∶3）在BH－20型瀝青混合料拌和機(jī)中均勻攪拌3～5 min，制得冷補(bǔ)瀝青混合料.

1.3 性能測(cè)試

a.60℃的粘度：參考標(biāo)準(zhǔn)［16］取一定量的冷補(bǔ)瀝青液倒入直徑不小于70 mm的燒杯中，再將其置于60℃的烘箱恒溫1.5～2 h，取出后置于恒溫至60℃的恒溫水槽中，用NDJ－1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行粘度測(cè)試，所用的轉(zhuǎn)子為4號(hào)轉(zhuǎn)子.

b.馬歇爾穩(wěn)定度：考慮到冷補(bǔ)瀝青混合料的自身特點(diǎn)，參考了文獻(xiàn)［10，14］和標(biāo)準(zhǔn)［16－17］，對(duì)傳統(tǒng)的馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行了修正，試驗(yàn)采用的儀器為MDJ－Ⅱ型馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀和LWD－6型馬歇爾試穩(wěn)定度測(cè)定儀，具體的試驗(yàn)方法為：

初始穩(wěn)定度（Initial Marshall Stability，MSi）和流值（Flow value，F(xiàn)Li）：稱取混合料1 180 g在常溫下裝入試模中，雙面各擊實(shí)75次，連同試模一起以側(cè)面豎立方式置于20℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后脫模，進(jìn)行測(cè)試.

成型穩(wěn)定度（Molding Marshall Stability，MSm）和流值（FLm）：稱取混合料1 180 g在常溫下裝入試模中，雙面各擊實(shí)50次，連同試模一起以側(cè)面豎立方式置于110℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后再雙面各擊實(shí)25次，再連同試模在20℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后脫模，在60℃恒溫水浴中養(yǎng)生30 min，進(jìn)行測(cè)試.

c.粘聚性試驗(yàn)：按照標(biāo)準(zhǔn)［17］進(jìn)行粘聚性試驗(yàn).

d.低溫工作度和抗凍性試驗(yàn)以及抗水剝落性試驗(yàn)：按照標(biāo)準(zhǔn)［18］TP43－94的方法進(jìn)行低溫工作度和抗凍性試驗(yàn)；按照標(biāo)準(zhǔn)［18］TP41－94的方法進(jìn)行抗水剝落性試驗(yàn)，本文采用水浸法進(jìn)行測(cè)試.

2 結(jié)果與討論

2.1 油石比的確定

為了確定最佳油石比，在不摻加冷補(bǔ)劑的條件下制備了不同油石比的瀝青混合料，圖1為不同油石比對(duì)混合料初始穩(wěn)定度和流值的影響.由圖1分析得知，隨著油石比的增大，初始穩(wěn)定度先升高后降低，在油石比為5%時(shí)達(dá)到最大值；流值則是先減小后增大，在油石比為5%時(shí)最小.這可以從瀝青與集料的相互作用來(lái)分析［4］：瀝青與集料相互作用后，瀝青在集料表面發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，形成一層具有一定厚度的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)膜，此膜以內(nèi)的瀝青為結(jié)構(gòu)瀝青，它與集料發(fā)生相互作用并改變?yōu)r青的性質(zhì)，即促成瀝青具有更高的粘度和更大的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)膜的接觸面積，從而獲得更大的顆粒粘聚力；而此膜以外的瀝青為自由瀝青，它與集料距離較遠(yuǎn)，不與集料發(fā)生相互作用，僅將分散的顆粒粘結(jié)起來(lái)，并保持原來(lái)性質(zhì)，顆粒間的粘聚力較小.當(dāng)油石比小于5%時(shí)，集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青較少，幾乎沒(méi)有自由瀝青，集料顆粒之間的粘聚力很小，抗變形能力弱，混合料的初始穩(wěn)定度低，流值大；當(dāng)油石比等于5%時(shí)，集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青增多，也可能有少量的自由瀝青，但結(jié)構(gòu)瀝青遠(yuǎn)多于自由瀝青，集料顆粒之間的粘聚力大，抗變形能力強(qiáng)，初始穩(wěn)定度高，流值??；隨著油石比的繼續(xù)增大，自由瀝青多于結(jié)構(gòu)瀝青，自由瀝青在集料顆粒之間起到潤(rùn)滑的作用，使粘聚力變小，抗變形能力減弱，穩(wěn)定度降低，流值變大.綜合上述分析可知最佳油石比為5%.

圖1 油石比對(duì)混合料MS i和FL i的影響Fig.1 Effects of the amount of cold patch asphalt on the MS i and FL i of mixtures

2.2 冷補(bǔ)劑用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青液60℃粘度及混合料穩(wěn)定度（MS）和流值（FL）的影響

在油石比為5%的條件下，通過(guò)冷補(bǔ)劑用量的變化，研究了冷補(bǔ)瀝青液60℃粘度、混合料穩(wěn)定度的變化情況.

圖2考察了冷補(bǔ)劑用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合液60℃粘度的影響.從圖2可看出，隨著冷補(bǔ)劑用量的增大，冷補(bǔ)瀝青液60℃的粘度增大.其中，當(dāng)冷補(bǔ)劑用量在1%～5%范圍時(shí)，粘度增幅較大，由3.87 Pa·s提高到6.82 Pa·s；隨著冷補(bǔ)劑用量進(jìn)一步增大（大于5%），粘度變化減緩，增幅較小，僅由6.82 Pa·s提高到8.10 Pa·s.這是因?yàn)槔溲a(bǔ)劑與瀝青發(fā)生相互作用，形成三維網(wǎng)狀的空間結(jié)構(gòu).當(dāng)冷補(bǔ)劑用量較少時(shí)（1%～5%），隨著冷補(bǔ)劑用量的增加，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增多，瀝青分子的鏈段運(yùn)動(dòng)受到的內(nèi)摩擦力變大，整個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)變難，粘度變大；隨著冷補(bǔ)劑用量的繼續(xù)增加（大于5%），由于空間位阻的作用，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增幅變小，瀝青分子的鏈段運(yùn)動(dòng)受到的內(nèi)摩擦力幾乎不變，整個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的難易程度變化不大，粘度變化減緩［19－20］.

圖2 冷補(bǔ)劑用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青液60℃粘度的影響Fig.2 Effects of the amount of cold patch additive on the viscosity of cold patch asphalt at 60℃

冷補(bǔ)劑用量對(duì)混合料穩(wěn)定度和流值的影響見(jiàn)圖3和圖4.冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度形成過(guò)程是一個(gè)緩慢的過(guò)程，與有機(jī)溶劑的揮發(fā)程度有關(guān)；為了滿足立即開(kāi)放交通，冷補(bǔ)料應(yīng)具有一定的初始強(qiáng)度來(lái)承受汽車的荷載，即初始穩(wěn)定度；同時(shí)為了保證冷補(bǔ)料修補(bǔ)的路面在以后的長(zhǎng)期使用中不致產(chǎn)生新的路面病害，冷補(bǔ)料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性以抵抗外界荷載的作用，即成型穩(wěn)定度［14］.從圖3可以看出，隨著冷補(bǔ)劑用量的增大，初始穩(wěn)定度升高，流值則變化較小；其中，初始穩(wěn)定度介于3.1～4.1 k N，在冷補(bǔ)劑用量為5%時(shí)流值最小.由圖4知，隨著冷補(bǔ)劑用量的增大，成型穩(wěn)定度升高，流值則變化較小，其中成型穩(wěn)定度介于5.3～6.3 k N，在冷補(bǔ)劑用量為5%時(shí)流值最小.加入冷補(bǔ)劑后，冷補(bǔ)瀝青液的粘度變大，具有更高的粘結(jié)力.冷補(bǔ)劑用量少時(shí)，集料顆粒之間粘聚力小，抗變形能力差，所以流值大但穩(wěn)定度?。浑S著冷補(bǔ)劑增多，顆粒之間粘聚力增大，抗變形能力強(qiáng)，穩(wěn)定度增加，但流值反而減?。浑S著冷補(bǔ)劑進(jìn)一步增多，此時(shí)所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)混合料的抗變形能力起主導(dǎo)作用，網(wǎng)絡(luò)承載變形能力更強(qiáng)，因此穩(wěn)定度和流值都增加.

2.3 低溫工作度和抗凍性試驗(yàn)以及抗水剝落性試驗(yàn)

在冷補(bǔ)劑用量為5%，油石比為5%的條件下制備了冷補(bǔ)瀝青混合料，將其分別進(jìn)行低溫工作度和抗凍性試驗(yàn)以及抗水剝落性試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

低溫工作度和抗凍性試驗(yàn)：將混合料取出后在室溫下放置達(dá)到室溫后，用鋁鏟拌和操作，鏟子容易插入試樣中，拌和方便；混合料沒(méi)有發(fā)生凝聚結(jié)塊現(xiàn)象，使用效能良好.

圖3 冷補(bǔ)劑用量對(duì)混合料MS i和FL i的影響Fig.3 Effects of the amount of cold patch additive on the MS i and FL i of mixtures

圖4 冷補(bǔ)劑用量對(duì)混合料MS m和FL m的影響Fig.4 Effects of the amount of cold patch additive on the MS m and FL m of mixtures

抗水剝落性試驗(yàn)：石料表面所裹覆的瀝青膜基本沒(méi)有剝落，瀝青裹覆率達(dá)99%.

2.4 與市售同類產(chǎn)品性能對(duì)比

本文選取了市場(chǎng)上比較成熟的兩種國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品和一種進(jìn)口產(chǎn)品，對(duì)各自的粘聚性和穩(wěn)定度進(jìn)行了測(cè)試，并與本論文中的冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比.其中，本論文中的冷補(bǔ)瀝青混合料的油石比為5%；市售的三種產(chǎn)品分別命名為：國(guó)產(chǎn)－1、國(guó)產(chǎn)－2、進(jìn)口－1.

a.粘聚性對(duì)比.5種不同混合料的試樣保留率見(jiàn)圖5.由圖5可看出，5種混合料的試樣保留率均滿足標(biāo)準(zhǔn)［17］規(guī)定的要求（破損率≤40%，即保留率≥60%）；冷補(bǔ)劑的添加量由0增加至5%時(shí)，試樣的保留率由80%提高到了93%，這可能是加入冷補(bǔ)劑后，提高了瀝青的粘度，使瀝青與集料顆粒粘結(jié)更緊密.與市售的產(chǎn)品相比，在冷補(bǔ)劑的添加量為5%時(shí)，試樣的保留率（93%）接近或者超過(guò)國(guó)產(chǎn)料的保留率，但與進(jìn)口料的保留率（99%）還有一定的差距.

圖5 5種不同混合料的試樣保留率Fig.5 The samples＇retention ratios of 5 different mixtures

b.混合料穩(wěn)定度對(duì)比.通過(guò)圖6和圖7可看出不含冷補(bǔ)劑的混合料的穩(wěn)定度略低于國(guó)產(chǎn)－1料的穩(wěn)定度，超過(guò)國(guó)產(chǎn)－2料的穩(wěn)定度.含5%冷補(bǔ)劑的冷補(bǔ)瀝青混合料的穩(wěn)定度大于2種國(guó)產(chǎn)料，小于進(jìn)口料的穩(wěn)定度；其中，初始穩(wěn)定度與進(jìn)口料相差不大，約為0.2 k N，而成型穩(wěn)定度與進(jìn)口料有較大的差距，約為4.0 k N.這可能是冷補(bǔ)劑與瀝青相互作用所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠，經(jīng)過(guò)110℃烘箱中養(yǎng)生24 h后，該三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有部分遭到破損，粘度變小，與集料顆粒交織的緊密程度降低，集料顆粒之間的粘聚力變小，導(dǎo)致成型穩(wěn)定度提高的幅度不大.

圖6 5種不同混合料的MS i和FL iFig.6 MS i and FL i of 5 different mixtures

圖7 5種不同混合料的MS m和FL mFig.7 MS m and FL m of 5 different mixtures

3 結(jié) 語(yǔ)

a.以柴油、大豆油、自制冷補(bǔ)劑、基質(zhì)瀝青以及玄武巖為原料制備的冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度高，粘聚性好，低溫拌和方便，使用性能良好.

b.冷補(bǔ)劑可明顯提高冷補(bǔ)瀝青液60℃粘度和混合料的強(qiáng)度，在保證瀝青與集料有較好拌和性以及混合料足夠的強(qiáng)度的條件下，冷補(bǔ)劑的最佳摻量為5%.

c.高溫可能對(duì)冷補(bǔ)劑與瀝青相互作用所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響.在高溫條件下（大于100℃），該三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能會(huì)遭到破損，使冷補(bǔ)劑所起的增粘和增強(qiáng)效果降低，所以冷補(bǔ)劑與瀝青相互作用的機(jī)理以及混合料成型穩(wěn)定度測(cè)試之前的養(yǎng)生條件有待進(jìn)一步的研究.

d.從混合料與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能對(duì)比結(jié)果來(lái)看，所制備冷補(bǔ)瀝青混合料的性能良好，可在道路坑槽的快速搶修工作中發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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Preparation and properties of cold patch asphalt mixture

MENGWen-zhuan1，YANG Liang1，XIA Zhi1，WANG Xin－yi1，XUE Jun1，WU Jiang－yu1，CAO Hong1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China
2.Chongqing Sage Environmental Industries Co.，Chongqing 400039，China）

Cold patch asphalt was prepared by mixing diesel，soybean oil，self－made cold patch additives and base asphalt as raw materials，and was blended together with aggregates to obtain cold patch asphalt mixture.We studied the effects of the amount of cold patch additive on the viscosity of cold patch asphalt at 60℃and Marshall Stability（MS）of cold patch asphalt mixtures.The cohesion performance，water stability，low－temperature workability and frost－resistance of the cold patch asphalt mixture were also investigated.We further compared our prepared mixture with commercial ones in terms of the retention ratio and MS.The results show that the optimized cold patch asphalt mixture containing 5% cold－patch additive displays good workability and performance：the initial MS and molding MS of the mixture are 3.88 k N and 6.14 k N，and the samples＇retention ratio and asphalt coating ratio are 93%and 99%respectively.

cold patch asphalt；cold patch additive；viscosity；Marshall stability

龔曉寧

U417.62

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.011

16742869（2011）10004905

20110912

孟文專（1986），男，湖北武漢人，碩士研究生.研究方向：新型道路材料.

指導(dǎo)老師：曹 宏，男，博士，教授.研究方向：新型炭材料與膠凝材料.＊通信聯(lián)系人