瀝青路面坑槽冷補(bǔ)料的研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展

王 火 明

招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067

0 引言

瀝青路面坑槽是指在行車荷載和自然環(huán)境作用下路面骨料局部脫落而產(chǎn)生的坑洼結(jié)構(gòu)?！豆窞r青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.2—2001）中將坑槽歸為松散類，是瀝青路面常見的病害之一?？硬鄄『哂须S機(jī)性、突發(fā)性、高發(fā)性和蔓延性等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響瀝青路面的平整度、行車的舒適性和安全性，降低瀝青路面的使用壽命[1-4]。

瀝青路面的坑槽病害發(fā)生于路面鋪筑的前期、中期以及后期運(yùn)營階段。前期發(fā)生主要由于路基承載能力不足，在行車荷載作用下出現(xiàn)沉降，進(jìn)而導(dǎo)致路面出現(xiàn)網(wǎng)裂、松散；中期主要是由于原材料性能不足，混合料配合比設(shè)計(jì)不合理，混合料的拌合、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓技術(shù)不合理等會導(dǎo)致路面坑槽的形成；運(yùn)營期間一方面由于瀝青路面自身性能衰減，另一方面行車荷載、自然環(huán)境、油氣污染等導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)松散，從而形成坑槽[5-7]。在《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ 073.2—2001）中根據(jù)坑槽病害的嚴(yán)重程度可將其分為輕微破損坑槽、中等破損坑槽、較嚴(yán)重破損坑槽、嚴(yán)重破損坑槽。根據(jù)坑槽病害的成因及出現(xiàn)的位置可分為表面層坑槽、表面層與中面層坑槽、下面層與基層坑槽、剛性組合路面坑槽。

瀝青路面坑槽病害常見的修補(bǔ)方式分為熱補(bǔ)法和冷補(bǔ)法，其中熱補(bǔ)法是高速公路現(xiàn)階段坑槽修補(bǔ)的主要方式，適用于各類坑槽病害的修補(bǔ)，該技術(shù)成熟，處治效果好，耐久性較強(qiáng)，但封閉交通時(shí)間長，施工復(fù)雜，低溫適用性差且污染嚴(yán)重；冷補(bǔ)法不受低溫天氣、雨雪季節(jié)的影響，修補(bǔ)工藝簡單、易操作，節(jié)能環(huán)保，開放交通快，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，逐步得到了市場的認(rèn)可和推廣[8-11]。但是，目前冷補(bǔ)法存在修補(bǔ)效果差、耐久性不足等問題，制約著冷補(bǔ)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；所以，提高冷補(bǔ)料的性能是瀝青路面坑槽冷修補(bǔ)技術(shù)亟需解決的問題。

表面層坑槽

表面層與下面層坑槽

熱補(bǔ)法

下面層與基層坑槽

冷補(bǔ)法

剛性組合路面坑槽

1 國內(nèi)外冷補(bǔ)料研究進(jìn)展

1.1 國外冷補(bǔ)料研究進(jìn)展

國外對于瀝青冷補(bǔ)料的研究較早，早在20世紀(jì)初美國和前蘇聯(lián)就開始著手路面坑槽冷補(bǔ)方面的研究，隨后日本、歐洲等國家也相繼探索這一領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)使用的結(jié)合料主要為乳化瀝青，它被視為冷補(bǔ)技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)而被各國深入研究，并取得了較多的成果，開發(fā)出更多新型的修補(bǔ)材料。

俄羅斯的研究表明，瀝青冷補(bǔ)料和傳統(tǒng)熱補(bǔ)料的本質(zhì)差別在于：前者采用的是稀釋瀝青，黏度較低，常溫下呈現(xiàn)液態(tài)或半固態(tài)；后者使用的是基質(zhì)瀝青，只有在高溫下才具有流動性，才能夠進(jìn)行施工作業(yè)。另外，還有研究表明，礦粉的用量會影響礦料表面瀝青膜的厚度，是影響冷料修補(bǔ)效果的關(guān)鍵。

美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）對瀝青路面坑槽冷補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，著重研究了冬季低溫條件下冷修補(bǔ)料用于坑槽臨時(shí)修補(bǔ)的技術(shù)及冷修補(bǔ)料的強(qiáng)度要求，提出了一整套完整的瀝青路面技術(shù)規(guī)范。

英國研發(fā)了一種瀝青路面坑槽冷補(bǔ)材料，并在1991年頒布了針對瀝青路面坑槽修補(bǔ)的相關(guān)規(guī)范，禁止使用之前的瀝青碎石。英國運(yùn)輸與道路研究所對于瀝青路面冷補(bǔ)料的研究較為深入，研發(fā)的冷補(bǔ)料具有較好的使用性能。

日本昭和瀝青工業(yè)株式會社研制出不同型號的稀釋劑，生產(chǎn)出多種類型的瀝青修補(bǔ)材料，其中用于冬季的修補(bǔ)材料在低溫下也能夠很好地進(jìn)行施工。

加拿大的 TCG 材料公司研制了一種儲存式瀝青混合料。它是將基礎(chǔ)瀝青、添加劑、稀釋劑以及級配良好的集料按照一定的工藝制備成的冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料。該混合料選用改性瀝青作為基礎(chǔ)瀝青，推薦采用堿性集料（如石灰?guī)r），礦料級配有多種系列，以適應(yīng)于不同場合的需要。所有級配類型從骨架結(jié)構(gòu)來看均屬于開級配骨架空隙結(jié)構(gòu)，級配范圍廣，礦粉用量極少，最佳瀝青用量在4.5%~5.5%。

國外的冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料大多數(shù)都是采用不同的乳化瀝青或稀釋瀝青與級配適當(dāng)?shù)牡V料制備而成的。通過不斷地改進(jìn)冷補(bǔ)瀝青料的原材料性能、級配設(shè)計(jì)以及制備工藝，盡可能提高冷補(bǔ)瀝青料的技術(shù)性能。目前已經(jīng)形成了比較成熟的制備工藝和產(chǎn)品系列，并廣泛應(yīng)用于實(shí)體工程中。

1.2 國內(nèi)冷補(bǔ)料研究進(jìn)展

國內(nèi)對于冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)的研究起步于20世紀(jì)90年代，并借鑒外國冷修補(bǔ)技術(shù)，先后研制了多種溶劑型瀝青路面坑槽修補(bǔ)材料，取得了一定的成果，并且有些材料已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)體工程中，但是相對于國內(nèi)道路養(yǎng)護(hù)的需求仍不完善，需要做更深層次的研究。

東北林業(yè)大學(xué)進(jìn)行了溶劑型冷補(bǔ)料的長期使用性能研究，其主要針對2類材料，一種是瀝青加煤油，一種是瀝青加柴油。通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上鋪筑試驗(yàn)路，與乳化型常溫瀝青混合料進(jìn)行對比分析，經(jīng)過2年的觀察，路表沒有出現(xiàn)裂縫，路用性能較好，但由于混合料油量偏大、拌合不均勻等，路表出現(xiàn)輕微的擁包及泛油現(xiàn)象。

山西省公路管理局對于冷補(bǔ)料冬季修補(bǔ)坑槽的研究與推廣較早，在太長線、108國道、307線壽陽路段以及交通量較大的太舊高速上鋪筑了試驗(yàn)路段，經(jīng)過半年觀測，效果良好。太原公路分局中心實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的低溫瀝青混合料冬季修補(bǔ)技術(shù)，采用袋裝瀝青混合料修補(bǔ)坑槽，取得了良好的效果。

吉林省公路管理局研究了低溫修補(bǔ)瀝青混合料，并在25 ℃條件下，對國道102線路面破損的地方進(jìn)行了修復(fù)，經(jīng)過1年多的應(yīng)用，證明低溫瀝青混合料用于冬季瀝青路面的修補(bǔ)和養(yǎng)護(hù)是完全可行的。1997年起，該技術(shù)作為吉林省公路養(yǎng)護(hù)管理行業(yè)重點(diǎn)新技術(shù)在全省推廣，截止2001年已經(jīng)累計(jì)修補(bǔ)了5 000 m2路面，取得了較大的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

河北省河間市交通局公路管理站研發(fā)出了一種溶劑型冷補(bǔ)料，是在瀝青中適量摻入RM55號溶劑以及植物油作為冷補(bǔ)液，并根據(jù)氣溫高低加入適量添加劑。該混合料可常溫貯存?zhèn)溆没蛘咧苯邮褂谩?/p>

遼寧省北鎮(zhèn)市研制的低溫冷補(bǔ)瀝青混合料，其冷補(bǔ)液配制是在瀝青中摻入20#輕油，并在稀釋瀝青中摻入TZ-1植物油，混合料采用較高的油石比（6%），經(jīng)過多年的改進(jìn)研究，取得了不錯(cuò)的效果。

長安大學(xué)張秀華等進(jìn)行了溶劑型冷補(bǔ)膠結(jié)料的研制，并且成品——HU-L研制成功。此材料具有較好的環(huán)保性和施工簡便性；修復(fù)完成后初期在荷載的作用下會不斷與舊瀝青路面黏結(jié)、融合；路面具有一定的柔軟性；修補(bǔ)材料不粘車輪，不粘修復(fù)工具，受天氣影響較小，施工成本降低。

同濟(jì)大學(xué)呂偉民教授對溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為材料的介質(zhì)是瀝青，瀝青分子間的作用是黏結(jié)力的重要來源，瀝青分子的稠度是黏結(jié)性、強(qiáng)度的來源，通過分析升溫、加壓后瀝青分子的布朗運(yùn)動研究冷補(bǔ)料的性能，結(jié)果表明冷補(bǔ)瀝青混合料的性能主要與瀝青黏度、礦粉用量、瀝青膜厚度等相關(guān)。

綜合對比國內(nèi)外對冷補(bǔ)料的研究現(xiàn)狀可知：中國對于冷補(bǔ)瀝青混合料的研究相對不足，理論研究不夠完善，研究體系不夠系統(tǒng)；由于材料、工藝以及設(shè)備的不足，仍然存在修復(fù)后耐久性差、抗沖刷能力差、易出現(xiàn)二次病害等問題[12-18]。但是，從國內(nèi)對于冷修補(bǔ)技術(shù)的投入力度以及科研強(qiáng)度來看，研發(fā)出具有普遍適用性、廣泛應(yīng)用于工程實(shí)體的冷補(bǔ)瀝青混合料指日可待。

2 冷補(bǔ)料的優(yōu)勢

相比熱拌瀝青混合料，冷補(bǔ)料在道路養(yǎng)護(hù)、維修方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）環(huán)境影響較小。冷補(bǔ)料不受氣候影響，雨雪天可正常開工。

（2）施工簡單。備料簡單，坑槽處理不用烘干，不需要重型施工機(jī)械，人工拌合、填補(bǔ)、壓實(shí)即可。

（3）可存儲性。冷補(bǔ)料低溫黏度小，常溫不聚團(tuán)、不會凝結(jié)成塊，裝袋后可保存1年甚至更久。

（4）節(jié)能環(huán)保。冷補(bǔ)料可隨取隨用，廢料可重復(fù)利用，且生產(chǎn)過程不需加熱，無有害氣體或液體產(chǎn)生，對土地和空氣無污染。

（5）開放交通快。冷補(bǔ)料修補(bǔ)后即可開放交通，大大降低了施工對交通造成的影響。

（6）社會效益顯著。隨時(shí)修補(bǔ)保持路面常新，保證道路通暢和行車舒適性，減少交通事故以及修補(bǔ)次數(shù)，延長道路使用壽命。

3 冷補(bǔ)料的分類及存在的問題

目前，冷補(bǔ)料根據(jù)其組成成分、結(jié)構(gòu)特征以及成型規(guī)律可分為溶劑型冷補(bǔ)料、乳化型冷補(bǔ)料以及反應(yīng)型冷補(bǔ)料[19]。

3.1 溶劑型冷補(bǔ)料

由基礎(chǔ)瀝青、稀釋劑、添加劑等組成，主要依靠稀釋劑（煤油、柴油、植物油等）來降低瀝青黏度，保證常溫流動性，其混合料強(qiáng)度的形成（圖1）與稀釋劑的揮發(fā)速率直接相關(guān)，受溫度、濕度影響較大。缺點(diǎn)是初期強(qiáng)度較弱，強(qiáng)度增長緩慢，前期主要采用高礦粉摻量來提高強(qiáng)度，且稀釋劑揮發(fā)會造成環(huán)境污染，材料不能重復(fù)利用。目前，國內(nèi)對于溶劑型冷補(bǔ)料的研究與應(yīng)用較多。

圖1 溶劑型冷補(bǔ)料強(qiáng)度形成示意

3.2 乳化型冷補(bǔ)料

主要以乳化瀝青、乳化改性瀝青作為膠結(jié)料，其混合料具有流動性好、可存儲、施工簡單、廢料可重復(fù)利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。強(qiáng)度的形成（圖2）依靠乳化瀝青的破乳；但對于乳化瀝青破乳時(shí)間以及強(qiáng)度的形成規(guī)律無法精確把控，存在初期強(qiáng)度低、強(qiáng)度增長緩慢、修補(bǔ)效果差等缺點(diǎn)。目前，國內(nèi)對于乳化型冷補(bǔ)料的研究相對較少，且主要還是從提高乳化瀝青的強(qiáng)度、黏度著手。

3.3 反應(yīng)型冷補(bǔ)料

主要是以高分子反應(yīng)型樹脂材料作為冷補(bǔ)料的膠結(jié)料，采用2種或2種以上組分的樹脂材料進(jìn)行交聯(lián)固化反應(yīng)（圖3），這種膠結(jié)料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、高低溫性能、耐水性和耐磨性?；旌狭蠌?qiáng)度較高、成型較快、修補(bǔ)效果好，一般是現(xiàn)場拌合就地修補(bǔ)，短時(shí)間內(nèi)即可開放交通；不足之處在于成本太高。國內(nèi)對于反應(yīng)型冷補(bǔ)料的研究剛剛起步，尚未推廣應(yīng)用。

圖2 乳化型冷補(bǔ)料強(qiáng)度形成示意

圖3 反應(yīng)型冷補(bǔ)料強(qiáng)度形成示意

4 冷補(bǔ)料結(jié)構(gòu)特征及成型特點(diǎn)

冷補(bǔ)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與熱拌瀝青混合料類似，也分為懸浮密實(shí)型、骨架空隙型和骨架密實(shí)型，但冷補(bǔ)料的性能受礦粉摻量的影響較大，所以冷補(bǔ)料的結(jié)構(gòu)類型以礦粉的劑量來區(qū)分，包括高礦粉型（15%~30%）、低礦粉型（0~2%）、中低礦粉型（2%~10%）。

（1）高礦粉型冷補(bǔ)料。礦粉摻量為15%~30%，其結(jié)構(gòu)為懸浮密實(shí)型，強(qiáng)度主要由瀝青與礦粉形成的膠漿提供，混合料特征為空隙率小、稀釋劑易揮發(fā)或者乳化瀝青的破乳較慢、前期強(qiáng)度差、水穩(wěn)定性好、和易性差。

（2）低礦粉型冷補(bǔ)料。礦粉的摻量為0~2%，其結(jié)構(gòu)為骨架空隙型，強(qiáng)度主要依靠礦料間的嵌擠作用，混合料特征為空隙率大、稀釋劑揮發(fā)速度和乳化瀝青的破乳較快、前期強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性差、和易性好、耐久性不高。

（3）中低礦粉型冷補(bǔ)料。礦粉摻量為2%~10%，其結(jié)構(gòu)為骨架密實(shí)型，強(qiáng)度由瀝青的膠結(jié)作用和礦料間的嵌擠作用共同提供，兼具兩者的優(yōu)勢，混合料表現(xiàn)為空隙率小、綜合性能好、前期強(qiáng)度及和易性較差。

綜上可知，冷補(bǔ)料強(qiáng)度的形成與混合料的骨架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，與熱拌瀝青混料在溫度下降后強(qiáng)度即可形成不同，冷補(bǔ)料強(qiáng)度的形成依靠稀釋劑揮發(fā)或者乳化瀝青破乳來發(fā)揮瀝青的膠結(jié)作用[19-21]。冷補(bǔ)料強(qiáng)度的形成分為存儲階段、攤鋪碾壓階段以及后期路用階段。在存儲階段冷補(bǔ)膠結(jié)料黏度較低，混合料呈松散狀，尚未形成強(qiáng)度；在攤鋪碾壓階段，混合料在碾壓作用下，礦料間距減小，稀釋劑揮發(fā)或乳化瀝青破乳緩慢，其強(qiáng)度主要依靠礦料間的嵌擠作用； 在路用階段，隨著車輛荷載以及溫度荷載等作用的影響，稀釋劑不斷揮發(fā)或者乳化瀝青破乳完成，逐步凸顯瀝青的黏結(jié)作用，且礦料間距變小，嵌擠作用增強(qiáng)，內(nèi)聚力增大，最終冷補(bǔ)料強(qiáng)度的形成依靠瀝青黏聚力和礦料內(nèi)聚力共同完成。

5 結(jié)語

瀝青路面坑槽冷補(bǔ)料以其常溫拌合、施工簡單、不受天氣影響、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。國外對于冷補(bǔ)料的研究較早，理論體系較為完備，實(shí)際工程應(yīng)用也較為成熟，而中國對于冷補(bǔ)料的研究較晚，對于溶劑型冷補(bǔ)料的結(jié)構(gòu)特征、成型規(guī)律、性能測試以及實(shí)體工程應(yīng)用的研究的較多，對乳化型、反應(yīng)型冷補(bǔ)料的研究較少，而且目前對于冷補(bǔ)料性能的評價(jià)體系尚不明確，缺少對于冷補(bǔ)料應(yīng)用技術(shù)的規(guī)范以及產(chǎn)品性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，冷補(bǔ)料的研發(fā)具有一定的盲目性，這導(dǎo)致國內(nèi)冷補(bǔ)料產(chǎn)品良莠不齊，阻礙了發(fā)展與市場推廣。

綜合考慮國內(nèi)外冷補(bǔ)料的發(fā)展現(xiàn)狀以及目前國內(nèi)冷補(bǔ)料、冷補(bǔ)技術(shù)、性能評價(jià)方法存在的問題，提出冷補(bǔ)料技術(shù)的發(fā)展方向如下。

（1）對于溶劑型冷補(bǔ)料，稀釋劑是瀝青常溫流動性的保證，而添加劑則是稀釋瀝青補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵成分，應(yīng)加大對于冷補(bǔ)料添加劑的研發(fā)，深入對冷補(bǔ)料級配理論的研究，提高稀釋劑的揮發(fā)速率。

（2）對于乳化型冷補(bǔ)料，應(yīng)著重提高乳化瀝青的性能，其中環(huán)氧樹脂作為乳化瀝青的改性劑能夠大幅度提高乳化瀝青的性能，該復(fù)合型膠結(jié)料既能體現(xiàn)環(huán)氧樹脂快速成型的優(yōu)勢，也保證了乳化瀝青的常溫流動性，應(yīng)加大對樹脂型乳化瀝青的研究， 并完善冷補(bǔ)料性能評價(jià)方法、標(biāo)準(zhǔn)以及修補(bǔ)技術(shù)規(guī)范。

（3）對于反應(yīng)型冷補(bǔ)料，低成本、高性能的反應(yīng)型樹脂膠結(jié)料是未來的發(fā)展方向，應(yīng)加大對反應(yīng)型冷補(bǔ)料性能的研究，把控反應(yīng)型樹脂的反應(yīng)時(shí)間以及強(qiáng)度增長規(guī)律，規(guī)范其混合料的施工技術(shù)。

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