SBS改性瀝青用于路面坑槽快速修補的性能研究

錢 征

（唐山市地方道路管理處，河北 唐山 063000）

瀝青路面坑槽是日常養(yǎng)護中最常見又最難處理的病害之一，特別是在寒冷的冬季或者潮濕的雨季。常規(guī)的熱補料無法及時有效地對坑槽進行修補，冷補瀝青修補料實現冷拌冷鋪，可一次生產拌合，儲存?zhèn)溆茫S用隨取，無需二次加熱，適合北方低溫的冬季和南方多雨季節(jié)使用，使用方便，快捷環(huán)保[1]。

1 原材料性能

本著來源方便、價格經濟，材料之間的相互配伍性和試驗操作的可行性原則，礦料為與瀝青黏附性好的堿性集料——石灰?guī)r，礦粉是石灰?guī)r礦粉，瀝青采用SK90號（用于基質瀝青型冷補混合料）和SBS改性瀝青（用于改性瀝青型冷補混合料），稀釋劑選擇0號柴油。

1.1 瀝青

研究選用的瀝青有SK90號基質瀝青、SBS改性瀝青技術指標如表1和表2。各項指標均符合技術要求。

表1 SK90號基質瀝青性能指標

表2 SBS改性瀝青性能指標

1.2 礦料

考慮到冷補瀝青液中瀝青被柴油稀釋，會導致黏性降低，礦料采用與瀝青黏附性較好的堿性集料——石灰?guī)r，其技術性能試驗結果如表3所示。

表3 礦料技術性能試驗結果

1.3 稀釋劑

稀釋劑的選用是冷補瀝青修補料使用效果良好的關鍵因素，研究選用質量符合要求的車用0號柴油為稀釋劑，柴油主要技術指標表4所示。

表4 0號柴油技術指標

2 配合比設計

2.1 冷補瀝青液各成分摻配比例

基質瀝青型冷補瀝青液的基礎瀝青采用90號基質瀝青，按照生產常用摻配比例，基質瀝青、稀釋劑（柴油）和冷補添加劑3種材料的摻配比例為78%、20%和2%。

改性瀝青型冷補瀝青液采用SBS改性瀝青作為基質瀝青，稀釋劑用量通過試驗確定，擬定油石比為5.0%，稀釋劑用量分別為20%、25%、30%、35%進行成型馬歇爾試驗，試驗得出，當稀釋劑用量為26%時，馬歇爾穩(wěn)定度最高，故選用26%作為改性瀝青型冷補瀝青修補料的最佳稀釋劑用量。

2.2 礦料級配設計

采用細粒式瀝青混合料LB-13類型進行試驗，在規(guī)范要求的范圍內初擬3種冷補瀝青修補料級配，進行馬歇爾體積指標及穩(wěn)定度試驗，結合試驗結果擇優(yōu)選取。3種冷補瀝青修補料的級配類型如表5所示。

表5 初擬的集料級配類型

3種不同級配的油石比初步擬定為4.5%，制作馬歇爾試件，試驗結果表明：不同級配混合料的流值、空隙率、礦料間隙率大小不同，其值有相同的大小關系：合成級配1大于合成級配3大于合成級配2，而瀝青飽和度和穩(wěn)定度的大小關系表現為：合成級配2大于合成級配3大于合成級配1。冷補瀝青修補料的水穩(wěn)定性一般較差，而控制水穩(wěn)性能的關鍵指標是空隙率，因此混合料的空隙率不宜過大，否則水分滲入會加劇水損壞的發(fā)生，但同時空隙率也不宜過小，過小的空隙率將不利于稀釋劑的揮發(fā)，影響后期成型強度的形成。參考上述因素，綜合考慮，選定合成級配3作為本文的最優(yōu)級配。

2.3 最佳油石比的確定

目前國內沒有統一的關于冷補瀝青修補料的技術標準規(guī)范，《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）有相關規(guī)范，但是僅要求馬歇爾穩(wěn)定度不宜小于3 kN；為了保證稀釋劑柴油的揮發(fā)，加快形成強度，冷補瀝青修補料要保證一定的空隙率；而空隙率過大又會影響其耐久性和水穩(wěn)性，故將空隙率指標確定為6%～12%。參考熱拌瀝青混合料的馬歇爾試驗技術標準，礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA指標：VMA的最小值為15%，VFA為45%～70%[2]。

按照普通的熱拌瀝青混合料最佳瀝青含量的控制指標和步驟來確定瀝青冷補材料的瀝青用量。根據馬歇爾法，成品瀝青液型冷補混合料的最佳油石比為4.1%；基質瀝青型冷補混合料的最佳油石比為4.2%；SBS改性瀝青型冷補混合料的最佳油石比為4.5%，其中SBS改性瀝青∶稀釋劑∶冷補添加劑為72%∶25%∶3%。

3 冷補瀝青液及混合料的性能測試

對3種不同的瀝青膠結料、瀝青混合料進行路用性能試驗，包括黏附性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能的測試。

3.1 黏附性試驗

按照水煮法進行黏附性試驗，選用9.5 mm粒徑的集料，按照試驗規(guī)程拌制集料，取20顆集料攤鋪在玻璃板上，在室溫冷卻1 h。將集料裹附瀝青后置于玻璃板上，然后浸入80℃±1℃的恒溫水槽中，保溫30 min后，將剝離及浮于水面上瀝青用紙片撈出。取出玻璃板并置于冷水中，觀察瀝青薄膜的剝離情況，評定剝離面積百分率。試驗結果如表6所示。

表6 3種冷補瀝青液與集料的黏附性試驗

上述試驗現象表明成品瀝青液和基質瀝青型冷補瀝青液與集料的黏附性等級均為5級，達到了熱拌瀝青混合料的指標要求。而改性瀝青型冷補瀝青液水煮法試驗剝離面積大于10%，不能滿足高等級公路熱拌瀝青混合料路用性能要求。當瀝青與SBS混合時，由于結構和性質不同，使得兩者不能完全相容從而降低了瀝青的黏附性。但是工程實踐表明SBS改性瀝青冷補料完全滿足路用要求，故冷補瀝青修補料與集料的黏附性可參照規(guī)范要求，選用水煮法或水浸法，但是規(guī)范中給出的裹覆面積不得小于95%，不盡合理，可以改為黏附性等級不小于4級，瀝青裹覆面積不得小于85%。

3.2 水穩(wěn)定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中相關規(guī)定，檢測3種瀝青冷補混合料的水穩(wěn)定性能，進行凍融劈裂試驗。

試驗結果表明，在不添加其他添加劑的條件下，冷補瀝青修補料在水浴時松散不能滿足規(guī)范要求。為了改善水穩(wěn)性，采用消石灰代替部分礦粉。

由于消石灰是強堿性材料，對瀝青有較強的吸附作用。使用消石灰代替1/3的礦粉，在混合料拌合時與礦粉一起加入到拌鍋內。添加消石灰并重新制作馬歇爾試件，再次進行凍融劈裂試驗，得出三者幾乎都能滿足規(guī)范要求的70%，添加SBS后，瀝青混合料的水穩(wěn)定性提高20%左右。表明消石灰代替礦粉可以明顯改善冷補瀝青修補料的水穩(wěn)定性。

3.3 高溫性能

熱拌瀝青混合料車轍試驗方法成型試件后，將試件連同試模一起，置于110℃烘箱中保溫24 h，以加速稀釋劑的揮發(fā)。取出后，立即在車轍成型機上進行二次碾壓，于常溫下放置24 h后即可進行車轍試驗。試驗表明，在40℃和60℃試驗溫度下，冷補瀝青修補料的動穩(wěn)定較低。但這并不能完全反映冷補瀝青修補料真實的抗車轍性能。冷補瀝青修補料在工程中主要用于初春和晚秋季節(jié)使用，而這時的路面溫度遠不能達到室內試驗的模擬溫度；由于冷補瀝青修補料屬強度成長性材料，為了保證初期的施工和易性使用了稀釋劑，在本論文的試驗條件下也只能揮發(fā)掉近30%的柴油稀釋劑，稀釋劑的存在導致瀝青的高溫黏度顯著降低，導致集料的黏附性差，進而冷補瀝青修補料的抗高溫變形能力差。故推薦冷補瀝青修補料高溫穩(wěn)定性采用上述試驗方案，評價指標為動穩(wěn)定度大于300次/mm[3]。

3.4 低溫性能

為了評價3種冷補材料低溫抗裂性能，分別進行小梁彎曲破壞試驗。在SANS萬能材料試驗機上進行小梁，中點加載，試驗溫度為0℃和-10℃；試驗試件尺寸：30 mm×35 mm×250 mm，跨徑200 mm；通過計算機系統可自動獲取最大破壞荷載、撓度、抗彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量和斷裂能等數據，試驗結果表明，瀝青膠結料對冷補瀝青混合料低溫抗裂性能的影響較顯著，成品瀝青液型與SBS改性瀝青冷補混合料均表現為優(yōu)良的低溫抗裂性能，在-10℃和0℃時，兩種混合料的各項性能指標基本接近，未添加SBS的基質瀝青型冷補混合料的抗裂性能指標與前兩者均存在較大差距，試驗結果有力證明在混合料中添加SBS可以有效增強冷補料的低溫抗裂性能。

4 基于摩爾-庫倫理論的冷補瀝青修補料強度分析

冷補瀝青修補料為強度成長性材料，坑槽修補初期強度較小，隨著稀釋劑的逐漸揮發(fā)和交通荷載的碾壓，強度緩慢增加，在添加劑的作用下，冷補瀝青修補料最后達到甚至超過熱拌瀝青混合料的強度。冷補瀝青修補料的強度主要來源于兩個方面：內摩阻力和黏結力。內摩阻力主要由集料形成的骨架結構而產生，是坑槽修補初期冷補瀝青修補料的強度主要組成部分；黏聚力由結合料冷補瀝青液決定，攤鋪后修補料中的稀釋劑揮發(fā)，其值逐漸增大[4]。

冷補瀝青修補料拌存儲時，未經壓實可以近似認為摩阻角Φ=0。且冷補瀝青液呈液態(tài)，還沒有產生黏結力，故可近似認為黏結力C=0。瀝青修補料修補坑槽經壓實成型后，結構基本形成，礦料嵌擠、摩擦，Φ值達到一定值，瀝青液黏結礦料，黏聚力C值逐漸增長，使得修補料有了初始強度，基本上能夠滿足行車要求。隨著稀釋劑逐漸揮發(fā)，混合料中瀝青的黏度逐漸增大，即黏結力C逐漸增大，加之行車荷載使得礦料進一步壓實，摩阻角Φ也有所增長，混合料的強度逐漸增大，最終冷補瀝青修補料的強度達到與熱拌瀝青混合料相當的程度[5]。

5 結論

本文根據冷補瀝青修補料的使用環(huán)境，確定冷補瀝青修補料的礦料級配、稀釋劑、冷補添加劑及瀝青的最佳用量，并從理論上闡述了瀝青冷補料用于坑槽修補的可行性。比較了成品瀝青液、基質瀝青型和改性瀝青型冷補混合料的路用性能，對瀝青路面坑槽修補料的使用推廣能起到一定的指導作用。

a）通過試驗和理論分析相結合的方法選取了冷補瀝青修補料的級配和最佳瀝青用量，3種冷補瀝青修補料的油石比均在4%～4.5%之間。

b）馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂試驗表明了冷補瀝青修補料的水穩(wěn)定性不能滿足路用性能的要求，建議采用消石灰代替礦粉的方法提高冷補瀝青修補料的水穩(wěn)定性。

c）對冷補瀝青液和冷補混合料進行了多項試驗研究，試驗結果均表明SBS可有效改善冷補瀝青混合料的路用性能，即SBS改性瀝青用于瀝青路面坑槽快速修補是可行的。

d）推薦瀝青冷補混合料的高溫穩(wěn)定性評價指標動穩(wěn)定度大于300次/mm，瀝青膠結料的黏結性能指標黏附性等級設定為不小于4級。