濕熱地區(qū)瀝青路面坑槽冷補料性能測試與分析

范 倩，李善強，許新權(quán)，張國民

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；2.廣東交科技術(shù)研發(fā)有限公司，廣州 510550)

0 引言

隨著出行需求的逐漸增長，瀝青路面經(jīng)受行車荷載和雨水的雙重作用，路面骨料易發(fā)生局部脫落并形成坑槽，縮短了道路使用壽命，影響了行車的安全性和舒適性[1-2]。為了減小對交通的干擾，及時、快速、經(jīng)濟地進行坑槽修補作業(yè)成為大勢所趨。由于具有施工快速、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，且施工過程不受環(huán)境限制，坑槽冷補料在道路工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)、《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)等相關(guān)標準、規(guī)范先后對其測試指標、試驗方法和技術(shù)要求進行了規(guī)定[6-7]，但兩者對相關(guān)指標的要求不盡相同，這就給冷補料性能評價方法的選取造成了一定的不便。此外，為保證低溫施工和易性，坑槽冷補料中摻配有稀釋劑(汽油、柴油或其他易揮發(fā)性材料),坑槽修補作業(yè)完成后，冷補料的強度隨著稀釋劑的逐漸揮發(fā)而逐漸增強,但目前關(guān)于冷補料的穩(wěn)定度隨齡期增長變化情況的試驗研究較少，對其變化特點的描述不明確。

坑槽冷補料主要由集料、乳化瀝青、稀釋劑、添加劑等在一定條件下充分拌和均勻后形成[9-10]，坑槽冷補料成品一般采用袋裝或桶裝密封保存，主要應(yīng)用于坑槽的常溫修補。不同于一般的熱拌瀝青混合料，坑槽冷補料不僅需具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、黏附性等，還需具有良好的粘聚性和低溫操作和易性[11]?；诖耍疚膶B-10型坑槽冷補料進行試驗研究，并對不同齡期的冷補料試件進行穩(wěn)定度測試與分析。

1 冷補料的路用性能測試

1.1 水穩(wěn)定性

采用冷補料修補的瀝青路面在雨季或其他潮濕環(huán)境下，需要承受車輛荷載和水環(huán)境的雙重作用。為防止冷補料出現(xiàn)剝落、掉粒或松散病害的發(fā)生，冷補料本身需要具備良好的抗水損害能力?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)主要采用浸水殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度比進行瀝青混合料抗水損害能力的評價，但對冷補料未作要求；《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)要求冷補料在25℃的殘留穩(wěn)定度≥85%，與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中熱拌瀝青混合料試驗溫度60℃的要求不一致。

由于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)和《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)對試件的成型方式要求不一致，綜合考慮，本研究采用馬歇爾擊實法成型三組試件。具體成型方式為：常溫下雙面擊實m次，連同試模置于110℃烘箱中養(yǎng)生24h，取出后在高溫下立即雙面擊實n次。其中，第一組試件常溫擊實次數(shù)m=25，高溫擊實次數(shù)n=25；第二組試件常溫擊實次數(shù)m=50，高溫擊實次數(shù)n=25；第三組試件常溫擊實次數(shù)m=50，高溫擊實次數(shù)n=50。

本研究采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行LB-10型坑槽冷補料的抗水損害能力測試，并根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)關(guān)于熱拌改性瀝青混合料的標準進行冷補料水穩(wěn)定性的評價。LB-10型坑槽冷補料浸水馬歇爾試驗溫度設(shè)定為60℃，恒溫養(yǎng)生時間為1h和48h；凍融劈裂試驗溫度為25℃，加載速度為50mm/min。試驗結(jié)果見表1。

表1 LB-10型坑槽冷補料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由表1可見：

(1)采用常溫擊實50次、高溫擊實50次方式成型的LB-10型坑槽冷補料，殘留穩(wěn)定度和劈裂抗拉強度指標能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)關(guān)于熱拌改性瀝青混合料的規(guī)定：殘留穩(wěn)定度≥85%、劈裂抗拉強度比≥80%。

(2)隨著擊實次數(shù)的增加，冷補料水穩(wěn)定性有所提高，且高溫擊實效果比常溫擊實效果顯著。在高溫擊實次數(shù)為25次時，常溫擊實次數(shù)由25次增加到50次，冷補料殘留穩(wěn)定度提高了2.4%、劈裂強度提高了2.1%；在常溫擊實次數(shù)為50次時，高溫擊實次數(shù)由25次增加到50次，冷補料殘留穩(wěn)定度提高了16.1%、劈裂強度提高了12.4%。

1.2 冷補料高溫穩(wěn)定性

瀝青路面長期暴露于陽光照射下，南方高溫地區(qū)的路表溫度?？筛哌_60℃～80℃。而坑槽冷補料屬于黏彈性材料，作為瀝青路面的表層修補材料時，便需要承受高溫和重載交通的雙重作用。為防止推移、擁包、車轍類病害的發(fā)生，冷補料本身需要具備良好的高溫穩(wěn)定性，但現(xiàn)行規(guī)范并未對冷補料的抗高溫性能作出規(guī)定。

本試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)規(guī)定的車轍試驗方法，將冷補料裝入車轍板成型試模并在常溫下碾壓20次，放入110℃烘箱中養(yǎng)生24h后繼續(xù)碾壓5次，成型車轍試件并進行60℃車轍試驗。測試結(jié)果見表2。

表2 LB-10型坑槽冷補料高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由表2可見：

采用常溫碾壓20次、高溫碾壓5次的方式成型的LB-10型坑槽冷補料的動穩(wěn)定度能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)關(guān)于熱拌改性瀝青混合料的規(guī)定：動穩(wěn)定度≥2 800次/mm。

2 冷補料的黏聚性與黏附性測試

2.1 黏聚性

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定，冷補料粘聚性試驗是將800g冷補材料裝入馬歇爾試模中，放入4℃恒溫室中2～3h，取出后雙面各擊實5次，制作試件，脫模后放在標準篩上，將其直立并使試件沿篩框來回滾動20次，破損率不得大于40%。然而，實際操作過程中存在一些問題:一方面，4℃恒溫條件下，冷補料中稀釋劑的揮發(fā)會導(dǎo)致測試結(jié)果存在較大的差異；另一方面，試件放標準篩上，將其直立并使試件沿篩框來回滾動20次，標準篩尺寸并未給出詳細的說明，且試驗過程受人為影響較大。經(jīng)分析，將800g冷補材料裝入馬歇爾試模中，用塑料袋密封，放入4℃恒溫室中2～3h，取出后雙面各擊實5次，制作試件，隨后采用兩種方法進行黏聚性試驗。測試結(jié)果見表3。

表3 LB-10型坑槽冷補料黏聚性試驗結(jié)果

方法一：試件脫模并稱重后，放在標準篩上(篩孔：26.5mm)，蓋上篩蓋，將其直立并使試件沿篩框來回滾動20次，清除表面松散掉落的顆粒，立即測試破損率。

方法二：試件脫模并稱重后，采用改進的肯塔堡飛散試驗機中間格，根據(jù)《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)范》(JTG E20-2011)中T0733-2011瀝青混合料肯塔堡飛散試驗方法，立即進行試驗。

由表3可見：

兩種方法測得的冷補料損失率均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定的破損率≤40%的要求。其中，方法二的試驗條件更苛刻，測得的損失率更大。綜合考慮試驗的可操作性，減少人為誤差，建議采用改進的肯塔堡飛散試驗機進行冷補料黏聚性測試。

2.2 黏附性

瀝青與集料的黏附性主要表現(xiàn)為在水環(huán)境條件下的冷補料的抗水剝落性能，直接影響到冷補料的應(yīng)用效果。目前，主要采用兩種方法進行冷補料抗水剝落性能的測試，即《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定的水浸法和《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)規(guī)定的水煮攪拌法。其中，水煮攪拌法是將冷補料放在沸水中，持續(xù)加熱攪拌3min；水浸法是將包裹瀝青的集料在80℃恒溫水槽中靜置30min，通過目測評定瀝青與集料的黏附等級。相比水浸法，水煮攪拌法的試驗條件更嚴苛、試驗所需時間更短。本文采取水煮攪拌法進行冷補料的瀝青與集料黏附性測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 LB-10型冷補料黏附性試驗結(jié)果

由圖1可見，LB-10型冷補料表面的瀝青結(jié)合料幾乎沒有發(fā)生剝離，符合《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)關(guān)于瀝青與集料的黏附性等級不小于5級的技術(shù)要求。

3 冷補料的低溫操作和易性測試

冷補料主要用于瀝青路面坑槽的常溫修補，因此其在施工溫度下應(yīng)具有良好的操作和易性。本文采用兩種方法對LB-10型冷補料進行操作和易性測試，即《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定的低溫拌和和易性試驗和《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)規(guī)定的貫入強度試驗。

3.1 低溫拌和和易性

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定，冷補料應(yīng)在松散狀態(tài)下經(jīng)-10℃的冰箱保持24h無明顯的凝聚結(jié)塊現(xiàn)象，且能用鐵鏟方便地拌和操作。但是，冰箱中水汽的存在以及冷補料中稀釋劑的揮發(fā)，均會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響；同時，-10℃冰箱中保持24h過程，混合料質(zhì)量、盛放容器未詳細說明；是否需要將試樣連同測試盒一同裝入塑料袋密封，以防止分散劑揮發(fā)導(dǎo)致試樣凝固。

本試驗取1 000g冷補料以松散狀態(tài)放置于金屬容器中，用塑料袋密封后，松散狀態(tài)下分別經(jīng)-10℃、10℃、20℃的環(huán)境保持24h，判斷其結(jié)團及拌合難易的情況。試驗結(jié)果見表4。

3.2 貫入強度

《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972-2015)規(guī)定，冷補料貫入強度測試時，將冷補料放入測試盒中裝滿，注意松散放入，勿壓實；置于4℃的冰箱中保溫3h以上；將貫入頭勻速插入測試盒側(cè)壁的小孔中，貫入過程持續(xù)時間為3～5s，記錄貫入儀上的讀數(shù)；取3個試件的平均值記為該冷補料的貫入強度。但是，怎樣算是松散裝入?建議采用漏斗裝料，并使之自由下落裝滿測試盒；4℃恒溫3h以上的過程，是否需要將試樣連同測試盒一同裝入塑料袋密封，以防分散劑揮發(fā)導(dǎo)致試樣凝固。

基于上述分析，本試驗過程為：將冷補料充分打散后放入測試盒中裝滿，注意松散放入，勿壓實；裝入塑料袋密封，置于4℃(或者10℃、20℃)環(huán)境中保溫3h以上；將貫入頭勻速插入測試盒側(cè)壁的小孔中，貫入過程持續(xù)時間為3～5s，記錄貫入儀上的讀數(shù)。試驗結(jié)果見表5。

表5 LB-10型坑槽冷補料貫入強度試驗結(jié)果

由表4和表5可見：

在密封條件較好的情況下，溫度越高，LB-10型冷補料的低溫操作和易性越好。低溫拌和和易性試驗結(jié)果表明，冷補料在10℃及以上環(huán)境下能保持較好的拌和和易性；貫入強度試驗結(jié)果表明，冷補料在4℃～20℃環(huán)境下的操作和易性相當。

4 冷補料穩(wěn)定度隨齡期的變化特點

為明確冷補料的穩(wěn)定度隨齡期的變化特點，采用室溫下成型瀝青混合料馬歇爾試件，脫模后立即編號并稱取各試件的質(zhì)量，在室溫下放置0.5h、2h、4h、8h、24h、48h、576h后分批進行穩(wěn)定度測試，同時測試各時刻的試件質(zhì)量損失。其中，質(zhì)量損失即為稀釋劑的散失質(zhì)量。

由于冷補料的修補是發(fā)生在已通車道路上，外界環(huán)境較為復(fù)雜，不可能對冷補料反復(fù)進行加溫處理，只能常溫擊實。本試驗為更好地模擬冷補料修補坑槽的過程，冷補料采用常溫雙面各擊實75次的方式成型馬歇爾試件，試驗溫度為60℃。

經(jīng)分析，冷補料穩(wěn)定度、質(zhì)量損失隨時間的變化情況符合指數(shù)函數(shù)模型，采用指數(shù)函數(shù)擬合得到的變化曲線如圖2～圖3所示。冷補料穩(wěn)定度與質(zhì)量損失之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。

圖2 冷補料穩(wěn)定度隨時間變化曲線

圖3 冷補料質(zhì)量損失隨時間變化曲線

圖4 冷補料穩(wěn)定度與質(zhì)量損失的關(guān)系

由圖2～圖4可見：

(1)冷補料穩(wěn)定度、質(zhì)量損失與時間的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)模型，擬合度達0.92以上。即隨著齡期的增長，冷補料試件的穩(wěn)定度、質(zhì)量損失值均逐漸增大，且增大速率逐漸變緩。

(2)冷補料穩(wěn)定度與質(zhì)量損失之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)可達0.96以上。即隨著冷補料質(zhì)量損失值的增加，試件的穩(wěn)定度逐漸增大，說明隨著稀釋劑的散失，冷補料的強度呈線性提高。其中，每散失1g稀釋劑，冷補料的強度提高約1.92kN。

(3)室內(nèi)試驗結(jié)果表明，冷補料試件成型初期的穩(wěn)定度增長較迅速，隨著齡期的不斷增長，穩(wěn)定度仍不斷提高，提高速度逐漸變緩。但是，實際路面受風(fēng)速、行車等外界因素的影響，稀釋劑散失速度更快，穩(wěn)定度增大速率也會相應(yīng)增大。

5 結(jié)論

(1)采用常溫擊實50次、高溫擊實50次方式成型的LB-10型坑槽冷補料的水穩(wěn)定性滿足熱拌改性瀝青混合料的技術(shù)要求，增加高溫擊實次數(shù)的冷補料水穩(wěn)定性提高效果比常溫擊實顯著；采用常溫碾壓20次、高溫碾壓5次方式成型的LB-10型坑槽冷補料的高溫性能滿足熱拌改性瀝青混合料的技術(shù)要求。

(2)綜合考慮試驗的可操作性，減少人為誤差，建議采用改進的肯塔堡飛散試驗機進行冷補料黏聚性測試；LB-10型坑槽冷補料在10℃及以上環(huán)境下能保持較好的拌和和易性，且4℃～20℃環(huán)境下的操作和易性相當。

(3)冷補料穩(wěn)定度、質(zhì)量損失與時間的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)模型，即隨著成型時間的增長，冷補料試件的穩(wěn)定度、質(zhì)量損失值均逐漸增大，且增大速率逐漸變緩。

(4)冷補料穩(wěn)定度與質(zhì)量損失之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，即隨著稀釋劑的散失，冷補料的穩(wěn)定度呈線性提高。