道路用冷補(bǔ)瀝青添加劑材料方案比選

劉文杰 隋欣錄

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 研究目的

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，隨著國(guó)家對(duì)公路事業(yè)的大力扶持和大量人力、物力的投入開(kāi)發(fā)，目前我國(guó)的公路事業(yè)已由繁榮的建設(shè)期過(guò)渡為建設(shè)—養(yǎng)護(hù)期，許多早期建成的瀝青混凝土路面都已經(jīng)有了不同程度的破損，個(gè)別路段損壞更為嚴(yán)重。針對(duì)路面的養(yǎng)護(hù)，通常使用的熱拌瀝青對(duì)于坑槽等其他路面損壞修復(fù)費(fèi)用較高，而且由于其施工技術(shù)等原因，對(duì)環(huán)境污染較大，施工工序較為復(fù)雜需要封閉交通，而冷補(bǔ)瀝青在路面坑槽修補(bǔ)方面更加具有優(yōu)勢(shì)。很早之前國(guó)外就已經(jīng)展開(kāi)了對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的研究，冷補(bǔ)瀝青混合料是由基質(zhì)瀝青、添加劑、稀釋劑、粗細(xì)集料和礦粉等攪拌混合制成的。由于通常不進(jìn)行加熱，可以在低溫條件下使用，減少了能源的浪費(fèi)。因而，對(duì)于冷補(bǔ)瀝青混合料以及冷補(bǔ)添加劑組成材料進(jìn)行研究具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。冷補(bǔ)瀝青添加劑是冷補(bǔ)瀝青混合料的核心成分,而添加劑的組成材料更是直接決定了冷補(bǔ)添加劑的各項(xiàng)性能，進(jìn)而直接影響著混合料的使用性能。所以，本研究擬研究對(duì)比得到制備高性能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的冬季用冷補(bǔ)添加劑組成材料。

2 研究方案

首先對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的性能進(jìn)行分析研究，然后對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的基質(zhì)瀝青、添加劑、稀釋劑和粗細(xì)集料以及礦粉進(jìn)行選擇。為保證單一變量原則，確定基質(zhì)瀝青、稀釋劑和粗細(xì)集料以及礦粉后主要通過(guò)改變添加劑的不同配比選擇，結(jié)合已有的材料比選原則，提出冷補(bǔ)瀝青添加劑的材料選擇原則。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，簡(jiǎn)化冷補(bǔ)瀝青添加劑的配比試驗(yàn)，確定幾種最佳配比的添加劑。按照規(guī)范操作配制冷補(bǔ)瀝青混合料，然后通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)制備的冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)不同配比下的冷補(bǔ)瀝青添加劑對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的性能所產(chǎn)生的影響。以工作性、硬化速度、黏聚性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性作為冷補(bǔ)瀝青混合料添加劑組成材料的評(píng)價(jià)體系，從而得到最優(yōu)的添加劑組成材料。

3 冷補(bǔ)瀝青混合料的性能研究

冷補(bǔ)瀝青混合料是一種可用于全天候修補(bǔ)路面坑槽的材料，不受雨雪等惡劣天氣的影響，能夠及時(shí)修補(bǔ)路面坑槽的同時(shí)還具有施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。它的基本原理主要是通過(guò)在瀝青結(jié)合料中添加溶劑油等稀釋劑降低其自身黏度，使冷補(bǔ)料在常溫甚至低溫條件下也可施工。因此，其之所以能被稱為冷補(bǔ)料，是由冷補(bǔ)瀝青混合料的施工性能決定的，這是冷補(bǔ)料的最基本性能。

在高溫時(shí)，瀝青混合料是粘彈性材料，這時(shí)，其黏聚力很小，施工和易性較好，可以進(jìn)行瀝青路面的攤鋪工作。隨著溫度的降低，黏聚力逐漸上升，瀝青混合料的強(qiáng)度也逐漸上升。待混合料下降至常溫時(shí)，瀝青混合料的強(qiáng)度成型，能夠滿足實(shí)際工程的需要。

冷補(bǔ)瀝青混合料可以通過(guò)摩爾—庫(kù)侖對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，因?yàn)槠漯ぞ哿^小，所以冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度主要來(lái)源于集料形成骨架和材料內(nèi)部集料的內(nèi)摩阻力。加入稀釋劑后瀝青的黏度有所降低，在低溫條件下，冷補(bǔ)瀝青混合料仍然具有工作性。將冷補(bǔ)瀝青攤鋪壓實(shí)后，在車載的作用下，冷補(bǔ)瀝青會(huì)逐漸變得密實(shí)，形成了冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度。

4 瀝青混合料強(qiáng)度的影響因素及原材料的選擇

由于討論的是添加劑材料組成的影響，因而在該過(guò)程中只討論混合料內(nèi)因的影響。主要是冷補(bǔ)瀝青的用量、集料的級(jí)配和種類以及稀釋劑的影響。

1)瀝青:通過(guò)使用不同瀝青用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度影響不同。當(dāng)瀝青使用量較少時(shí)，不能將所有粗細(xì)集料包裹，降低了粗細(xì)集料的工作性能，導(dǎo)致冷補(bǔ)料的黏聚力很小。然而當(dāng)瀝青用量過(guò)大時(shí)，粗細(xì)集料表面會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的自由瀝青，也會(huì)降低混合料的黏聚性。2)集料:一般情況下瀝青呈酸性，為提高集料與瀝青的黏附性應(yīng)使用堿性集料。集料的棱角較為明顯，能夠在攤鋪壓實(shí)后形成骨架結(jié)構(gòu)，大大提高了瀝青混合料的內(nèi)摩阻力。光滑的石料將會(huì)降低與瀝青的黏附性，對(duì)強(qiáng)度的形成不利。3)稀釋劑:稀釋劑揮發(fā)性能越好，攤鋪壓實(shí)后的冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度形成相應(yīng)的也越快，反之則越慢。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)瀝青用量和級(jí)配一樣時(shí)，不同稀釋劑含量的冷補(bǔ)瀝青混合料的初始穩(wěn)定度會(huì)有所不同，稀釋劑的含量越高，則初始的穩(wěn)定度就相應(yīng)的越小。

當(dāng)利用熱拌瀝青混合料進(jìn)行瀝青路面修補(bǔ)時(shí)，需將其加熱到150 ℃以上，然后在140 ℃左右下進(jìn)行攤鋪和壓實(shí)，在這個(gè)過(guò)程中瀝青會(huì)部分老化，造成其性能產(chǎn)生一定的降低，同時(shí)也對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。所以，能夠在常溫下拌和攤鋪壓實(shí)的冷補(bǔ)瀝青混合料的制備開(kāi)發(fā)就顯得非常重要。為了使得冷補(bǔ)瀝青混合料能夠符合工程需要，應(yīng)當(dāng)使用液體瀝青而不能使用一般瀝青。由于冷補(bǔ)瀝青的添加劑為通過(guò)試劑配得，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，選擇的瀝青為90號(hào)基質(zhì)瀝青。

研究冷補(bǔ)瀝青混合料的目的是為了在低溫條件下對(duì)瀝青路面的各種道路病害進(jìn)行修補(bǔ)。稀釋劑能夠稀釋和溶解瀝青改性劑，使得瀝青、稀釋劑及瀝青改性劑等完全融合在一起。同時(shí)，稀釋劑從瀝青混合料中以適當(dāng)?shù)乃俣葥]發(fā)，能夠隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸增強(qiáng)其冷補(bǔ)瀝青混合料修補(bǔ)瀝青路面的效果。因此在進(jìn)行稀釋劑的選擇時(shí)，應(yīng)該注意選擇與基質(zhì)瀝青極性相同的稀釋劑。除此之外，所選擇的稀釋劑應(yīng)當(dāng)能夠與冷補(bǔ)添加劑很好的相溶在一起。同時(shí)所選擇的稀釋劑能夠在攤鋪壓實(shí)后逐漸的揮發(fā)出去。因此，依據(jù)上述的選擇稀釋劑的原則，經(jīng)實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)對(duì)比，并結(jié)合原料的造價(jià)，有無(wú)毒害等相關(guān)方面的考慮，航空煤油做基質(zhì)瀝青的稀釋劑比較可靠。因而該實(shí)驗(yàn)將航空煤油作為稀釋劑。在低溫瀝青混合料中主要起稀釋瀝青，增大瀝青低溫流動(dòng)性的作用。

5 冷補(bǔ)瀝青添加劑的材料比選

高性能冷補(bǔ)添加劑可能含有稀釋降黏、黏度與黏附性補(bǔ)償、觸變促進(jìn)及相變自生熱等主要成分，本項(xiàng)目擬選用樹(shù)脂類材料、橡膠類材料、觸變變稠型材料與自生熱型材料組成改性劑配方。樹(shù)脂和橡膠類材料擬增加瀝青強(qiáng)度和彈性；觸變變稠型材料擬增加瀝青在常溫下與原坑槽界面的黏附性，防止高速行車時(shí)瀝青黏附于車輪；自生熱材料擬應(yīng)用于施工時(shí)瀝青自主加熱，新舊瀝青之間連接較于直接冷鋪粘結(jié)度更高，加速溶劑揮發(fā)，使工期縮短通車更快。廢舊輪胎橡膠粉(40目以下)代替常用SBR或SBS，環(huán)保、再生；擬引入相變自生熱成分，促進(jìn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成；適合于寒區(qū)冬季施工使用(-20 ℃)，而能適應(yīng)寒區(qū)冬寒夏炎熱的服役使用。

6 研究結(jié)論

目前本項(xiàng)目相關(guān)研究試驗(yàn)已經(jīng)結(jié)束，通過(guò)大量查閱文獻(xiàn)資料，我們已經(jīng)掌握有關(guān)冷補(bǔ)添加劑的制備及試驗(yàn)分析等相關(guān)知識(shí)，確定選取幾種原材料進(jìn)行冷補(bǔ)添加劑的合成，并設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)用于優(yōu)化配比的基礎(chǔ)性質(zhì)指標(biāo)，精簡(jiǎn)試驗(yàn)。利用SPSS等數(shù)理分析軟件分析得到最優(yōu)化配比，確定各組成成分的最佳劑量。同時(shí)在此過(guò)程中總結(jié)完善相應(yīng)的制備工藝，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)試驗(yàn)體系，進(jìn)行多方向的綜合技術(shù)評(píng)價(jià)，反饋優(yōu)化配比。在研究過(guò)程中，與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的最新研發(fā)資料較少，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的研究方向有一定影響，由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件的限制，只能通過(guò)三大指標(biāo)試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)以及車轍試驗(yàn)等確定冷補(bǔ)瀝青添加劑以及冷補(bǔ)瀝青混合料的部分工作性能，并以此建立評(píng)價(jià)體系，有一定的局限性，不過(guò)在多方位的研究討論下，得到一般評(píng)價(jià)體系和最優(yōu)化配比方案以及道路用冬季冷補(bǔ)瀝青添加劑的生產(chǎn)工藝。