基于性能敏感性參數(shù)的溶劑型冷補(bǔ)料設(shè)計研究

胥亮

(廈門華特公路瀝青技術(shù)有限公司，福建 廈門 361101)

1 前言

道路坑槽類病害常見于瀝青路面運營期的各個階段，影響道路通行能力與安全，又在自然環(huán)境與交通荷載綜合作用下加速路面惡化從而降低道路使用壽命，需及時修補(bǔ)。冷補(bǔ)料常用于瀝青路面坑槽修補(bǔ)，具有可存儲、施工簡單、開放交通快、適用范圍廣等優(yōu)點，按膠結(jié)料類型的不同可分為溶劑型、乳化型及反應(yīng)型3類。其中，溶劑型利于長期存儲、低溫施工性能(也稱工作性)好，能適用于潮濕及雨雪環(huán)境，應(yīng)用最為廣泛，但存在強(qiáng)度及耐久性問題。

中國對于溶劑型冷補(bǔ)料的研究始于20世紀(jì)90年代，至今也開發(fā)了諸多適用于不同氣候環(huán)境的產(chǎn)品，但仍未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，市面上冷補(bǔ)料良莠不齊，二次病害常有出現(xiàn)。為改善性能，提高修補(bǔ)效果，圍繞冷補(bǔ)液的開發(fā)、礦料級配選型與設(shè)計、強(qiáng)度形成機(jī)理與評價方法等方面開展了大量研究，成果顯著。張爭奇等研制了一種新型冷補(bǔ)瀝青液，工程應(yīng)用表現(xiàn)優(yōu)良，并提出了冷補(bǔ)料性能評價方法和技術(shù)要求;顧成自主研發(fā)冷補(bǔ)瀝青液，優(yōu)化冷補(bǔ)膠結(jié)料用量確定方法，詳細(xì)研究性能評價體系，并分析強(qiáng)度形成機(jī)理提出以設(shè)計空隙率作為冷補(bǔ)料設(shè)計控制指標(biāo);李峰等在分析冷補(bǔ)料關(guān)鍵性能的基礎(chǔ)上開發(fā)了施工性能試驗儀，提出并修正了黏聚性等試驗方法，據(jù)此建立冷補(bǔ)料路用性能評價體系，改進(jìn)礦料級配并制定配合比設(shè)計方法。然而，有關(guān)影響冷補(bǔ)料性能的敏感性參數(shù)研究尚鮮有報道。該文以LB-10常溫型(施工溫度10～25 ℃)冷補(bǔ)料為研究對象，在論述溶劑型冷補(bǔ)料性能指標(biāo)與試驗方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計正交試驗對冷補(bǔ)料性能敏感性參數(shù)進(jìn)行確定，據(jù)此進(jìn)行冷補(bǔ)料設(shè)計。

2 性能指標(biāo)與試驗設(shè)計

2.1 性能指標(biāo)

研究表明：冷補(bǔ)料的施工性能、成型強(qiáng)度、黏附性、水穩(wěn)定性是關(guān)鍵性能指標(biāo)，共識度較高且已形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，冷補(bǔ)料初期強(qiáng)度與強(qiáng)度增長速率對冷補(bǔ)的有效性及耐久性也有重要影響，因此該文增加了初期強(qiáng)度及48 h強(qiáng)度增長率作為冷補(bǔ)料性能評價指標(biāo)。由于中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 972-2015《瀝青路面坑槽冷補(bǔ)成品料》中施工性能試驗方法所采用的試驗裝置尚未量產(chǎn)普及，自行加工制作有一定難度，筆者針對這一性能指標(biāo)自主開發(fā)試驗裝置，經(jīng)試驗評價方法可行。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所列性能指標(biāo)試驗方法此處不再贅述，僅對其余非標(biāo)性能指標(biāo)或試驗方法闡述如下。

2.1.1 施工性能

采用自主開發(fā)的試驗裝置(圖1)對冷補(bǔ)料施工性能進(jìn)行量化評價，試驗方法及步驟如下：

(1) 將待測冷補(bǔ)料1 000 g用密封筒封裝并置于環(huán)境箱中保溫至試驗溫度，同時將直徑100 mm的旋轉(zhuǎn)壓實試模一并保溫，試驗溫度為待測冷補(bǔ)料預(yù)計的最低施工溫度，該文試驗溫度為10 ℃。

(2) 將待測冷補(bǔ)料裝入旋轉(zhuǎn)壓實試模，在壓力600kPa、有效內(nèi)壓實角1.16°的條件下旋轉(zhuǎn)壓實7次制得待測試件，經(jīng)對比該條件下冷補(bǔ)料的壓密狀態(tài)與最不利堆疊存儲、運輸后的狀態(tài)相近。

圖1 冷補(bǔ)料施工性能試驗裝置

(3) 脫模后將待測試件立即側(cè)放于圖1所示試驗裝置的兩條刃板上(刃板厚度2 mm，兩條刃板之間的中心距離56 mm)，同時開動秒表計時。

(4) 待冷補(bǔ)料試件在自重作用下散開，并完全從刃板上掉落，停止計時，此時的秒表讀數(shù)即為該冷補(bǔ)料在測試溫度下的施工性能測值，以秒(s)表示，測值越小則施工性能越好，反之越差。

2.1.2 初期強(qiáng)度

初期強(qiáng)度指冷補(bǔ)料攤鋪、壓實完成后便具有的強(qiáng)度，一定的初期強(qiáng)度可保障新鋪筑的冷補(bǔ)路面在車輛荷載作用下不產(chǎn)生明顯變形或破壞。用旋轉(zhuǎn)壓實儀在壓力600 kPa、有效內(nèi)壓實角1.16°的條件下壓實75次制得冷補(bǔ)料試件，此時試件的壓實度與通常用手推式壓路機(jī)或平板夯修補(bǔ)路面的壓實度相近。壓實冷補(bǔ)料試件成型時冷補(bǔ)料的保溫方式與施工性能試驗一致，壓實溫度也采用10 ℃。強(qiáng)度則通過測試新成型冷補(bǔ)料試件的馬歇爾穩(wěn)定度獲得，即冷補(bǔ)料試件壓實成型后立即脫模并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗。

2.1.3 48 h強(qiáng)度增長率

坑槽修補(bǔ)冷補(bǔ)料攤鋪碾壓完成之后，隨著陽光、溫度、風(fēng)等的綜合作用，稀釋劑逐漸揮發(fā)，強(qiáng)度隨之增長。采用與初期強(qiáng)度試驗同樣的方法制備試件，脫模后將試件四周及底面用保鮮膜包裹，表面裸露，置于60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中養(yǎng)生48 h，隨后立即置于10 ℃環(huán)境箱中保溫至試驗溫度并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗，測得60 ℃養(yǎng)生48 h的試件強(qiáng)度。計算強(qiáng)度增長幅度，即48 h強(qiáng)度增長率，用于冷補(bǔ)料間的對比，計算值大則開放交通后強(qiáng)度的增長速率較大，能減少二次破壞提高修補(bǔ)效果。

2.2 試驗設(shè)計

冷補(bǔ)料由礦質(zhì)集料、瀝青、稀釋劑以及外摻劑組成，組成設(shè)計的主要任務(wù)是確定礦質(zhì)集料的級配、瀝青用量、稀釋劑用量以及外摻劑用量，該文用設(shè)計空隙率、瀝青膜厚度、稀釋劑摻量以及外摻劑摻量4項設(shè)計參數(shù)(4個因素)表征，每項設(shè)計參數(shù)設(shè)定3個水平，通過L9(34)正交試驗對冷補(bǔ)料性能敏感性參數(shù)進(jìn)行研究。所設(shè)計L9(34)正交試驗的因素、水平見表1。

表1 L9(34)正交試驗因素與水平

設(shè)計空隙率指開放交通且稀釋劑得以揮發(fā)后壓實冷補(bǔ)料的空隙率，與不摻加稀釋劑時相同級配和瀝青用量下熱拌瀝青混合料的空隙率一致，因此試驗采用熱拌方式進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)壓實75次成型試件并計算空隙率。瀝青膜厚度指冷補(bǔ)料中不含稀釋劑以及被集料吸收部分在內(nèi)，裹覆與集料表面的有效瀝青膜厚度，計算依據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》條款B.6.8進(jìn)行。稀釋劑與外摻劑摻量以瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量百分比計，如：表1中19%和1.5%分別表示每100份(質(zhì)量份)瀝青膠結(jié)料摻加19份稀釋劑和1.5份外摻劑。

試驗用礦質(zhì)集料及瀝青膠結(jié)料采用滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求的玄武巖碎石、石屑、石灰?guī)r礦粉以及70#A級道路石油瀝青，稀釋劑采用一種瀝青膠結(jié)料的良溶劑(溶劑油)，外摻劑采用一種冷補(bǔ)料專用添加劑。經(jīng)設(shè)計L9(34)正交試驗9種試驗組合的礦料級配及瀝青用量見表2。

表2 各試驗組合的礦料級配及瀝青用量

續(xù)表2

3 試驗結(jié)果與敏感性分析

3.1 試驗結(jié)果

依據(jù)表3試驗結(jié)果按正交試驗直觀分析方法對各因素水平下冷補(bǔ)料性能試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計計算，直觀分析結(jié)果如表4所示。

3.2 敏感性分析

結(jié)合表4，對影響溶劑型冷補(bǔ)料性能的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行敏感性排序(表5)，并分析如下。

表3 正交試驗結(jié)果

表4 正交試驗直觀分析結(jié)果

注：ki=Ki/3,i=1,2,3。

表5 溶劑型冷補(bǔ)料性能敏感性因素排序

3.2.1 設(shè)計空隙率

冷補(bǔ)料48 h強(qiáng)度增長率和成型強(qiáng)度受設(shè)計空隙率影響顯著，雖然設(shè)計空隙率較小時冷補(bǔ)料具有相對較大的初期強(qiáng)度，然而伴隨養(yǎng)生過程中稀釋劑的揮發(fā)，設(shè)計空隙率20%的冷補(bǔ)料48 h強(qiáng)度增長率高達(dá)380%，遠(yuǎn)高于設(shè)計空隙率10%條件下的144%，即養(yǎng)生48 h后空隙率較大的冷補(bǔ)料因較快的稀釋劑揮發(fā)而達(dá)到更高的強(qiáng)度。同理，對于成型強(qiáng)度，較大空隙率時冷補(bǔ)料中稀釋劑揮發(fā)充分，較少殘留，瀝青膠結(jié)料性能恢復(fù)較好強(qiáng)度較高，反之，稀釋劑揮發(fā)不充分對成型強(qiáng)度造成不利影響。因此，為確保冷補(bǔ)料路面強(qiáng)度的快速形成并具有較高的成型強(qiáng)度，冷補(bǔ)料宜采用開級配，雖然此時初期強(qiáng)度略低，但通過適當(dāng)降低稀釋劑用量足以彌補(bǔ)(稀釋劑用量為冷補(bǔ)料初期強(qiáng)度的敏感性影響因素)。

3.2.2 瀝青膜厚度

試驗選取的瀝青膜厚度變化對冷補(bǔ)料性能影響相對較小。結(jié)合以上分析，冷補(bǔ)料宜采用開級配以利于稀釋劑揮發(fā)與強(qiáng)度形成。為避免瀝青膜厚度偏低導(dǎo)致黏結(jié)不足，交通荷載作用下路面表面集料脫落、散失造成二次病害，考慮參照開級配熱拌瀝青混合料(OGFC)對成型后的冷補(bǔ)料試件進(jìn)行肯塔堡飛散試驗從而對瀝青膜厚度進(jìn)行確定。

3.2.3 稀釋劑摻量

冷補(bǔ)料施工性能和初期強(qiáng)度受稀釋劑摻量影響顯著，稀釋劑摻量越大冷補(bǔ)料施工性能越好，而初期強(qiáng)度則相反，原因在于稀釋劑在降低瀝青膠結(jié)料黏度、改善施工和易性的同時，也降低了壓實冷補(bǔ)料的內(nèi)聚力，冷補(bǔ)料設(shè)計中應(yīng)平衡兩者關(guān)系。

3.2.4 外摻劑摻量

專用添加劑是冷補(bǔ)料黏附性等級和殘留穩(wěn)定度敏感性的影響因素，顯著提高了冷補(bǔ)料的水穩(wěn)定性，尤其對于黏附性等級。在未摻加添加劑的3種因素水平組合下，冷補(bǔ)料的黏附性等級均為1級，水煮后粗集料表面瀝青膜基本全部剝落，而當(dāng)摻入3%的專用添加劑后，黏附性等級可達(dá)到5級，試驗后冷補(bǔ)料粗集料表面瀝青膜完全保存，剝離面積百分率接近于0。

摻入稀釋劑會直接降低瀝青與石料之間的黏附能力，施工初期冷補(bǔ)料稀釋劑含量最高，隨著冷補(bǔ)路面開放交通時間的延長，稀釋劑逐漸揮發(fā)，瀝青與石料之間的黏附增強(qiáng)，因此冷補(bǔ)路面鋪筑初期抗水剝離損害的能力最弱。外摻劑的主要作用則在于增強(qiáng)瀝青與礦質(zhì)集料界面間的結(jié)合力，尤其針對摻入較多稀釋劑時，可使冷補(bǔ)料適宜于潮濕及雨雪天氣環(huán)境，摻量宜通過黏附性等級試驗確定。

4 設(shè)計與應(yīng)用實例

依據(jù)上述設(shè)計參數(shù)與性能指標(biāo)的敏感性對應(yīng)關(guān)系，遞變敏感性參數(shù)取值制備冷補(bǔ)料并測試相應(yīng)性能指標(biāo)，據(jù)此確定各設(shè)計參數(shù)取值，拌制成品冷補(bǔ)料進(jìn)行工程應(yīng)用測試。

4.1 確定空隙率

瀝青膜厚度12 μm、專用添加劑摻量3.0%與稀釋劑摻量25%恒定不變，制備不同空隙率的冷補(bǔ)料并測試48 h強(qiáng)度增長率與成型強(qiáng)度，試驗結(jié)果見圖2、3。

圖2 空隙率-48 h強(qiáng)度增長率關(guān)系曲線

圖3 空隙率-成型強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖2、3可知：48 h強(qiáng)度增長率隨空隙率的增大而增大，成型強(qiáng)度也隨之增大，當(dāng)空隙率為21%時成型強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后減小。較大的空隙率有利于稀釋劑揮發(fā)和強(qiáng)度形成，增大至一定程度后雖有更高的強(qiáng)度增長率，但大空隙率對混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響占主導(dǎo)地位引起成型強(qiáng)度的下降，綜合考慮空隙率21%為最佳。

4.2 確定瀝青膜厚度

如上所述，以肯塔堡飛散作為控制指標(biāo)，在空隙率21%、專用添加劑摻量3.0%與稀釋劑摻量25%不變的條件下，拌制不同瀝青膜厚度的冷補(bǔ)料測試飛散損失，瀝青膜厚度-飛散損失關(guān)系曲線見圖4?？纤わw散試驗試件的制備同成型強(qiáng)度試驗，試驗方法與熱拌瀝青混合料試驗方法相同。

由圖4可知：飛散損失隨瀝青膜厚度增大而減小，拐點位于瀝青膜厚度12 μm處，瀝青膜厚度較小則內(nèi)聚力不足，因此厚度不應(yīng)小于12 μm。結(jié)合中國規(guī)范對開級配(OGFC)瀝青混合料飛散損失不大于20%的技術(shù)要求，建議采用13 μm為宜。

圖4 瀝青膜厚度-飛散損失關(guān)系曲線

4.3 確定稀釋劑摻量

空隙率為21%、瀝青膜厚度為13 μm、專用添加劑摻量3%恒定不變，采用不同稀釋劑摻量拌制冷補(bǔ)料并測試施工性能與初期強(qiáng)度，試驗結(jié)果見圖5、6。

圖5 稀釋劑摻量-施工性能關(guān)系曲線

圖6 稀釋劑摻量-初期強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖5、6可知：稀釋劑摻量與施工性能為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，稀釋劑摻量越大施工性能越好，拐點在稀釋劑摻量22%處，稀釋劑摻量應(yīng)不小于22%，否則施工性能急劇下降。初期強(qiáng)度隨稀釋劑摻量的增大線性降低，為保證坑槽修補(bǔ)初期不出現(xiàn)較大輪跡，初期強(qiáng)度應(yīng)不小于2.0 kN，據(jù)此稀釋劑摻量應(yīng)不大于28%。綜合以上分析，為平衡施工性能與初期強(qiáng)度，取下限22%與上限28%的均值25%作為最佳稀釋劑摻量。

4.4 確定外摻劑摻量

在以上所確定各項參數(shù)值不變的條件下，制備添加劑摻量不同的冷補(bǔ)料并測試黏附性等級，結(jié)果如表6所示。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求黏附性等級為5級，此時外摻劑摻量應(yīng)取3.0%。

表6 不同添加劑摻量時冷補(bǔ)料黏附性等級試驗結(jié)果

4.5 工程應(yīng)用

采用以上確定結(jié)果(空隙率21%、瀝青膜厚度13 μm、稀釋劑摻量25%、專用添加劑摻量3.0%)拌制成品冷補(bǔ)料于北京豐科路進(jìn)行實體工程修補(bǔ)測試，經(jīng)連續(xù)兩年跟蹤觀測，修補(bǔ)后路面未見明顯車轍、裂縫、坑槽以及松散等二次病害，修補(bǔ)有效且耐久性能較好。隨后依據(jù)上述方法進(jìn)行多種高低溫氣候類型冷補(bǔ)料設(shè)計，生產(chǎn)成品冷補(bǔ)料應(yīng)用于北京、福建、贊比亞盧薩卡及澳大利亞維多利亞州等地效果良好。

5 結(jié)論

(1) 空隙率是溶劑型冷補(bǔ)料強(qiáng)度增長率和成型強(qiáng)度的敏感性參數(shù)，較大的空隙率有利于稀釋劑揮發(fā)，促進(jìn)強(qiáng)度形成，綜合強(qiáng)度增長率與成型強(qiáng)度，空隙率宜為21%。

(2) 參照開級配熱拌瀝青混合料設(shè)計方法通過成型后冷補(bǔ)料試件的肯塔堡飛散試驗進(jìn)行冷補(bǔ)料瀝青膜厚度確定，瀝青膜厚度宜為13 μm。

(3) 稀釋劑摻量是冷補(bǔ)料施工性能和初期強(qiáng)度的敏感性參數(shù)，稀釋劑摻量越大施工性能越好而初期強(qiáng)度則相反，冷補(bǔ)料設(shè)計時應(yīng)平衡兩者關(guān)系綜合確定稀釋劑摻量。

(4) 摻入稀釋劑會嚴(yán)重降低瀝青與石料的黏附性能，為使冷補(bǔ)料能適宜潮濕、雨雪天氣環(huán)境，必須摻加外摻劑提高黏附性，摻量宜通過黏附性等級試驗確定。

(5) 基于性能敏感性參數(shù)研究并通過系列試驗進(jìn)行設(shè)計參數(shù)取值的確定，據(jù)此設(shè)計的冷補(bǔ)料工程應(yīng)用效果良好，實踐表明方法可行。