冷補(bǔ)瀝青混合料的制備及其性能分析

馬全紅　 邢雪婷　 許雪松　 周麗君　 馮小含

(1東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 南京 211189)(2南京市路橋工程總公司, 南京 210046)

冷補(bǔ)瀝青混合料的制備及其性能分析

馬全紅1邢雪婷1許雪松2周麗君1馮小含1

(1東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 南京 211189)(2南京市路橋工程總公司, 南京 210046)

摘要:為提供一種全天候路面坑槽修補(bǔ)材料,采用多種礦質(zhì)黏土和3種稀釋劑制備冷補(bǔ)瀝青混合料.通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗、低溫和易性試驗、凍融劈裂試驗和車轍試驗等室內(nèi)試驗,系統(tǒng)地研究了冷補(bǔ)瀝青混合料的路用性能.結(jié)果表明,稀釋劑對冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度和低溫和易性具有一定影響.加入重油可以提高混合料的馬歇爾強(qiáng)度,但是重油的加入量過多則會影響混合料的低溫和易性,因此,將柴油-重油作為最佳稀釋劑.礦質(zhì)黏土制備的冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能良好,馬歇爾強(qiáng)度不小于4.43 kN,殘留穩(wěn)定度不小于85%,凍融劈裂強(qiáng)度比大于80%,動穩(wěn)定度大于907.781次/mm.礦質(zhì)黏土改性瀝青的過程僅為物理混合過程,加入礦質(zhì)黏土后瀝青表面呈現(xiàn)不規(guī)則波狀結(jié)構(gòu).

關(guān)鍵詞:冷補(bǔ)瀝青混合料;礦質(zhì)黏土;凹凸棒土;膨潤土

冷補(bǔ)瀝青混合料是一種全天候路面坑槽修補(bǔ)材料,不受低溫、雨雪等天氣的影響,一旦發(fā)現(xiàn)路面病害,隨時都能進(jìn)行修補(bǔ)[1].冷補(bǔ)瀝青混合料實質(zhì)上是由改性瀝青、稀釋劑和一定級配的集料拌和而成的[2].目前,國內(nèi)外研究者們已采用樹脂、橡膠等對瀝青進(jìn)行了改性,從而提高了瀝青的路用性能,但這些方法也存在一定的局限性.礦質(zhì)黏土因其低廉的價格和良好的路用性能成為一種新型的瀝青改性劑,在近幾年來得到了廣泛的應(yīng)用[3-4].本文采用不同種類的礦質(zhì)黏土和稀釋劑制備了冷補(bǔ)瀝青混合料,并對其路用性能進(jìn)行了比較,研究了礦質(zhì)黏土改性瀝青的機(jī)理.

1原材料

1.1瀝青

本試驗采用江蘇寶利瀝青股份有限公司提供的70#普通瀝青,其主要性能見表1,符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[5]的要求.

表1　70#普通瀝青的技術(shù)性能

1.2礦料

本試驗采用玄武巖碎石,混合料級配采用LB-13級配(見表2),填料采用石灰石礦粉.

1.3稀釋劑

稀釋劑的主要作用是稀釋瀝青,暫時降低瀝青的黏度.通常選擇柴油、煤油、汽油、航空煤油和植物油中的1種或2種作為稀釋劑[6].本試驗中采用了3種稀釋劑,分別為柴油-植物油、重油、柴油-重油.稀釋劑黏度見表3.

2試驗方法

2.1冷補(bǔ)瀝青混合料的制備

將基質(zhì)瀝青加熱到120～130 ℃,加入礦質(zhì)黏土對瀝青進(jìn)行改性,攪拌20min,待溫度降到100 ℃時加入稀釋劑,攪拌均勻,保溫待用.將礦料加熱到110 ℃后,于105 ℃下與改性瀝青拌和均勻,冷卻后裝袋備用.

取1/4根白蘿卜、1/4白蘿卜葉、1/2根胡蘿卜、1/4根大牛蒡、1枚香菇。將蔬菜連皮切成大塊，放在鍋里，加入菜量3倍的水，先用武火煮沸以后，改為用小火煮1 h。熬煮好以前，不要掀開鍋蓋，煮好后，裝入玻璃瓶，即可飲用。冷卻后，可放入冰箱保存，以3天內(nèi)喝完為好。

表2　LB-13型混合料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)　%

表3　稀釋劑的運動黏度　mm2/s

2.2冷補(bǔ)瀝青混合料的性能測試

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗

稱取混合料1 180g,常溫條件下裝入試模中,雙面各擊實50次;然后,連同試模一起側(cè)面豎立置于110 ℃烘箱中養(yǎng)生24h,取出后雙面擊實25次,連同試模一起在室溫中豎立放置24h;脫模后在60 ℃水槽中養(yǎng)生30min,進(jìn)行馬歇爾強(qiáng)度測試[5].

2.2.2低溫和易性試驗

低溫和易性是冷補(bǔ)瀝青混合料的一個重要特征.如果冷補(bǔ)瀝青混合料在修補(bǔ)時容易進(jìn)行鏟、挖、刮平和壓實等操作,說明其和易性好;否則,視為和易性差.

取己拌和的冷補(bǔ)瀝青混合料2kg置于托盤中,使其處于松散狀態(tài),并且厚度不超過50mm.然后,將托盤放入-10 ℃的冰箱中,冷凍24h.取出后用鐵鏟將其拌和,同時觀察混合料的性狀[5].若能夠進(jìn)行拌和并且混合料沒有結(jié)塊現(xiàn)象,則說明冷補(bǔ)瀝青混合料具有較好的低溫和易性,可以在冬季寒冷的環(huán)境下使用.根據(jù)冷凍之后的冷補(bǔ)瀝青混合料恢復(fù)室溫后的拌和情況,將冷補(bǔ)瀝青混合料劃分為5個等級:① 混合料大部分結(jié)團(tuán),無法用鐵鏟進(jìn)行拌和;② 混合料結(jié)團(tuán)較多,不能輕易將結(jié)團(tuán)混合料散開,拌和時較為困難;③ 混合料有較多小塊結(jié)團(tuán),用鐵鏟拍打之后可松散開;④ 混合料有少量結(jié)團(tuán),用鐵鏟拍打之后很容易松散開;⑤ 混合料顆粒間界面分明,無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象.

2.2.3水穩(wěn)定性試驗

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進(jìn)行水穩(wěn)定性檢測,根據(jù)殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行定量評價.

浸水馬歇爾試驗試件成型方法與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗試件成型方法一致.成型后的馬歇爾試件在60 ℃水中保溫48h,測試其馬歇爾強(qiáng)度,該穩(wěn)定度與未浸水試件馬歇爾強(qiáng)度的比值即為殘留穩(wěn)定度[7].

在凍融劈裂試驗中,稱取1 250g冷補(bǔ)瀝青混合料,于常溫下裝入馬歇爾試模,雙面各擊實50次,試件高度為(63.5±1.3)mm.然后,將試模豎立放置于110 ℃烘箱中養(yǎng)生24h后取出,雙面各擊實25次,室溫放置24h后脫模.將試件分成2組:第1組試件置于室溫下保存?zhèn)溆?第2組試件按標(biāo)準(zhǔn)飽水試驗方法真空飽水,然后取出試件放入塑料袋中,加入10mL水,扎緊袋口,放入恒溫冰箱(冷凍溫度為-18 ℃)保持16h,試件取出后立即放入40 ℃恒溫水浴箱中,撤去塑料袋,保溫24h.最后,將2組試件同時放入25 ℃恒溫水浴箱中2h,取出后立即進(jìn)行劈裂試驗.試驗中對水浴溫度進(jìn)行了修正,采用40 ℃水浴溫度作為凍融劈裂試驗的試驗溫度.這是因為40 ℃水浴溫度既能反映冷補(bǔ)瀝青混合料產(chǎn)生水損害時的環(huán)境溫度,又能解決由于稀釋劑的存在冷補(bǔ)瀝青混合料在水浴溫度太高的情況下出現(xiàn)松散垮塌的問題,保證試驗的順利進(jìn)行[8].

2.2.4高溫穩(wěn)定性試驗

采用車轍試驗進(jìn)行高溫穩(wěn)定性評價.車轍試驗所使用的試件尺寸為300mm×300mm×50mm,試驗輪行走速度為42次/min.將拌和好的混合料在輪碾機(jī)上碾壓4個往返,然后放入110 ℃烘箱中養(yǎng)生24h,取出后再次于輪碾機(jī)上碾壓8個往返,室溫養(yǎng)生一段時間后,于試驗溫度40 ℃、輪壓(0.7±0.05)MPa的條件下進(jìn)行試驗[8].

3結(jié)果與討論

3.1馬歇爾強(qiáng)度

在標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗中,每組試驗制作6個試件.試驗結(jié)果見表4.

表4　不同礦質(zhì)黏土制備的冷補(bǔ)瀝青混合料馬歇爾強(qiáng)度　kN

由表4可以看出,采用柴油-重油作為稀釋劑、利用礦質(zhì)黏土制備的冷補(bǔ)瀝青混合料馬歇爾強(qiáng)度不小于4.43kN.礦土類型對冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度具有一定影響,不同礦土的冷補(bǔ)瀝青混合料在3種稀釋劑情況下的表現(xiàn)趨勢基本相同.稀釋劑種類對冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度影響比較大,改性劑相同的情況下馬歇爾強(qiáng)度主要取決于稀釋劑的種類,即稀釋劑為重油的混合料馬歇爾強(qiáng)度大于稀釋劑為柴油-重油和稀釋劑為柴油-植物油的混合料的馬歇爾強(qiáng)度,究其原因在于,重油和瀝青都是從石油中提煉出的同系列產(chǎn)品,兩者具有很多相似之處,重油稀釋后的瀝青均勻穩(wěn)定,是良好的瀝青稀釋劑[9].按相同方法進(jìn)行市售產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗,其馬歇爾強(qiáng)度為4.06kN,低于采用重油和柴油-重油為稀釋劑時制備的冷補(bǔ)瀝青混合料.

3.2低溫和易性

自制冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫和易性試驗結(jié)果見表5.由表可知,冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫和易性主要取決于稀釋劑的種類,稀釋劑為重油的冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫和易性較差,低溫和易性等級為3.稀釋劑為柴油-重油和柴油-植物油的冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫和易性較好,其低溫和易性等級為4.按相同方法進(jìn)行市售產(chǎn)品的低溫和易性試驗,所得的低溫和易性等級也為4.

表5　不同礦質(zhì)黏土制備的冷補(bǔ)瀝青混合料低溫和易性等級表

由此可知,重油作為稀釋劑會降低冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫和易性.究其原因在于,重油的平均分子量遠(yuǎn)大于柴油和植物油,冷補(bǔ)瀝青混合料的內(nèi)摩擦阻力和黏聚力值均較大,因此重油不能很好地降低瀝青的黏度,以重油為稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青混合料的低溫和易性等級最低.植物油的平均分子量最小,加入植物油可以起到一定的潤滑作用,但是會降低瀝青的初期黏度,使冷補(bǔ)瀝青混合料的內(nèi)摩擦阻力和黏聚力值減小,因此,以柴油-植物油為稀釋劑的冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度最低.綜上可知,加入重油可以提高混合料的馬歇爾強(qiáng)度,但是重油的加入量過多則會影響混合料的低溫和易性.因此,本試驗選用柴油-重油為稀釋劑.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗以及低溫和易性試驗結(jié)果,并出于成本考慮,選用鈉膨潤土和中黏凹土制備的冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行后續(xù)路面性能試驗.

3.3水穩(wěn)定性

浸水馬歇爾試驗中,每組制作6個試件,試驗結(jié)果見表6.由表可知,市售產(chǎn)品的殘留穩(wěn)定度最高,鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比中黏凹土冷補(bǔ)瀝青混合料低,鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料和中黏凹土冷補(bǔ)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度不小于85%,滿足殘留穩(wěn)定度大于75%的要求.

表6　浸水馬歇爾試驗結(jié)果

凍融劈裂試驗結(jié)果見表7. 由表可知,鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比最高,與市售產(chǎn)品的凍融劈裂強(qiáng)度比接近,且鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料和中黏凹土冷補(bǔ)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比大于80%,滿足凍融劈裂強(qiáng)度比大于70%的要求,在使用過程中,具有抵抗雨雪凍融的能力.

表7　凍融劈裂試驗結(jié)果

綜合浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結(jié)果可以看出,鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料和中黏凹土冷補(bǔ)瀝青混合料的水穩(wěn)定性良好,符合規(guī)定要求.

3.4車轍試驗

車轍試驗結(jié)果見表8.市售產(chǎn)品養(yǎng)生期T=7和30d,最大變形量超過25mm,無法測出動穩(wěn)定度.由表8可知,鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料在T=7和30d時的動穩(wěn)定度均比中黏凹土冷補(bǔ)瀝青混合料低.T=30d時的動穩(wěn)定度明顯大于T=7d時的動穩(wěn)定度,這是因為隨著養(yǎng)生時間的延長,稀釋劑不斷揮發(fā),冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度不斷增大,最終達(dá)到甚至超過熱拌瀝青混合料的強(qiáng)度[10].鈉膨潤土冷補(bǔ)瀝青混合料和中黏凹土冷補(bǔ)瀝青混合料在T=30d時的動穩(wěn)定度值大于907.781次/mm,大于熱拌瀝青混合料車轍試驗800次/mm的規(guī)定.

表8　冷補(bǔ)瀝青混合料的動穩(wěn)定度　次/mm

4微觀分析

4.1傅里葉紅外光譜分析

采用Nicolet5700傅里葉紅外光譜儀研究礦質(zhì)黏土改性瀝青中改性劑與瀝青的相互作用.通過基質(zhì)瀝青、礦質(zhì)黏土、礦質(zhì)黏土改性瀝青的紅外光譜圖,判斷改性前后瀝青與礦質(zhì)黏土是否發(fā)生化學(xué)變化[11].圖1為礦質(zhì)黏土改性瀝青紅外圖.由圖可知,礦質(zhì)黏土改性瀝青與基質(zhì)瀝青圖譜具有相同的振動吸收峰,紅外光譜中沒有新的吸熱峰產(chǎn)生,唯一區(qū)別在于膨潤土改性瀝青中Si—O伸縮振動吸收帶的峰出現(xiàn)在1 052cm-1處,凹凸棒土改性瀝青中Si—O伸縮振動吸收帶的峰出現(xiàn)在1 042cm-1處,分別接近膨潤土和凹凸棒土的Si—O伸縮振動吸收帶位置.由此可以認(rèn)為,礦質(zhì)黏土加入到瀝青中并沒有出現(xiàn)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),沒有產(chǎn)生新的官能團(tuán),屬物理改性過程.

(a) 凹凸棒土改性瀝青

(b) 膨潤土改性瀝青

4.2掃描電鏡分析

采用XL30環(huán)境掃描式電子顯微鏡研究礦質(zhì)黏土、基質(zhì)瀝青和礦質(zhì)黏土改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu).膨潤土和凹凸棒土的微觀結(jié)構(gòu)均為多孔層狀結(jié)構(gòu)(見圖2(a)和 (b)).基質(zhì)瀝青的表觀形貌較為平整(見圖2(c)),加入礦質(zhì)黏土之后可以觀察到顯著的不規(guī)則波狀結(jié)構(gòu)(見圖2(d)和(e)),礦質(zhì)黏土均勻分布在瀝青中,界面未出現(xiàn)任何剝離,說明礦質(zhì)黏土加入到瀝青中可以顯著提高界面的黏結(jié)性,增加瀝青的比表面積.此外,膨潤土改性瀝青和凹凸棒土改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)無明顯區(qū)別,均呈現(xiàn)不規(guī)則波狀結(jié)構(gòu)[12].

5結(jié)論

1) 礦質(zhì)黏土類型對冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度有一定的影響,但影響不大;稀釋劑對冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度具有很大的影響,稀釋劑為重油時制備的冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度明顯大于稀釋劑為柴油-重油和柴油-植物油的冷補(bǔ)瀝青混合料.

2) 低溫和易性主要取決于冷補(bǔ)瀝青混合料的稀釋劑,加入重油可提高冷補(bǔ)瀝青混合料的馬歇爾強(qiáng)度,但重油加入的量太多則會影響混合料的低溫和易性.因此,建議使用柴油-重油作為稀釋劑.

(a) 膨潤土

(b) 凹凸棒土

3) 由微觀結(jié)構(gòu)分析可知,礦質(zhì)黏土加入到瀝青中并沒有發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),屬物理改性.加入礦質(zhì)黏土之后可以觀察到瀝青界面呈現(xiàn)波狀結(jié)構(gòu),礦質(zhì)黏土均勻分散在瀝青中,與瀝青具有較好相容性,界面未出現(xiàn)任何剝離.

參考文獻(xiàn) (References)

[1]李峰,黃頌昌,徐劍,等.冷補(bǔ)瀝青混合料組成設(shè)計研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010,32(14):79-82.

LiFeng,HuangSongchang,XuJian,etal.Studyoncompositiondesignofcoldfillasphaltmixture[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(14): 79-82. (inChinese)

[2]曾欣銓.柴油型冷補(bǔ)瀝青混合料成型特性研究[J].建材世界,2013,34(3):24-27.

ZengXinquan.Researchondieselcoldpatchasphaltmixedmaterial[J]. The World of Building Materials, 2013, 34(3): 24-27. (inChinese)

[3]Zare-ShahabadiA,ShokuhfarA,Ebrahimi-NejadS.Preparationandrheologicalcharacterizationofasphaltbindersreinforcedwithlayeredsilicatenanoparticles[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(7): 1239-1244.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2009.12.013.

[4]SongY,CheJ,ZhangY.Theinteractingruleofdiatomiteandasphaltgroups[J]. Petroleum Science and Technology, 2011, 29(3): 254-259.DOI:10.1080/10916460902882768.

[5]交通部公路科學(xué)研究所.JTGF40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6]胡丹.瀝青路面坑槽冷補(bǔ)材料研究[D].長沙:長沙理工大學(xué)道路與鐵道工程學(xué)院,2008.

[7]交通運輸部公路科學(xué)研究院.JTGE20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[8]韓繼國,王選倉,時成林,等.寒區(qū)冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能評價指標(biāo)及試驗檢測方法研究[J].公路,2008(5):23-28.

HanJiguo,WangXuanchang,ShiChenglin,etal.Astudyontestmeasurementmethodandevaluationindexforcold-patchbituminousmixtureincoldregion[J]. Highway, 2008(5): 23-28.(inChinese)

[9]劉鳳山.一種冷補(bǔ)瀝青改性液及其生產(chǎn)方法:中國,102702761[P].2012-10-03.

[10]丁占鋒,盛賽華,黃國威.溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成規(guī)律研究[J].公路,2014(4):221-224.

DingZhanfeng,ShengSaihua,HuangGuowei.Studyontheformationlawofthestrengthofthesolventbasedcoldrepairasphaltmixture[J]. Highway, 2014(4): 221-224. (inChinese)

[11]CongP,ChenS,ChenH.Effectsofdiatomiteonthepropertiesofasphaltbinder[J]. Construction and Building Materials, 2012, 30: 495-499.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2011.11.011.

[12]ZhangJ,WangJ,WuY,etal.Investigationonthermo-rheologicalpropertiesandstabilityofSBRmodifiedasphaltscontainingpalygorskiteclay[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 113(4): 2524-2535.DOI:10.1002/app.30223.

Preparationandpropertyanalysisofcoldpatchasphaltmixture

MaQuanhong1XingXueting1XuXuesong2ZhouLijun1FengXiaohan1

(1SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (2NanjingRoadandBridgeEngineeringCompany,Nanjing210046,China)

Abstract:In order to provide a kind of all-weather pavement road pothole patching material, a variety of mineral clays and three kinds of diluent were used to prepare the cold patch asphalt mixture. The pavement performance of the cold patching asphalt mixture were systematically studied by using laboratory tests such as the standard Marshall test, Marshall immersion test, low temperature workability test, freeze-thaw splitting test, rutting test and so on. The results show that the diluent has a great influence on the Marshall strength and the low temperature workability. The addition of heavy oil can improve the Marshall strength of the cold patch asphalt mixture. However, too much heavy oil affects the low temperature workability of the cold patch asphalt mixture. Therefore, the diesel-heavy oil is adopted to be the optimum diluent. The cold patch asphalt mixture prepared by mineral clays has high road performance with the Marshall stability of not less than 4.43 kN, the residual stability of not less than 85%, the freeze-thaw splitting strength of more than 80%, and the dynamic stability of more than 907.781 times/mm. Mineral clays and asphalt are only physically mixed. After the addition of mineral clays, an irregular wavy structure can be observed.

Key words:cold patch asphalt mixture; mineral clays; palygorskite; bentonite

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.023

收稿日期:2015-12-23.

作者簡介:馬全紅(1968—),女,博士,副教授,mqh@seu.edu.cn.

中圖分類號:U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0594-05

引用本文: 馬全紅,邢雪婷,許雪松,等.冷補(bǔ)瀝青混合料的制備及其性能分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(3):594-598.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.023.