修補坑槽用冷補瀝青混合料路用性能研究

孔令紳， 李雪萍， 馮志強

（1.河南中州路橋建設有限公司，河南周口 466000； 2.河南省化工研究所有限責任公司，鄭州 450052；3.河南交通職業(yè)技術學院，鄭州 450046）

伴隨經(jīng)濟的增長，為滿足物質(zhì)快速流轉(zhuǎn)，我國交通行業(yè)得到快速發(fā)展，高等級公路網(wǎng)逐漸完善. 早期修建的高等級瀝青路面，隨著使用年限的增加以及交通量尤其是重軸載交通的增長，出現(xiàn)了裂縫、車轍、擁包以及坑槽等路面常見病害. 這些病害如果不及時處治，將導致路面病害進一步惡化，從而影響路面使用性能，同時也會增加后期養(yǎng)護成本［1-4］. 2014 年長沙理工大學鄭健龍院士提出了“基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設計新思想”，指出上面層破壞是瀝青路面破壞的根源［5］. 這一理論的提出，更加體現(xiàn)瀝青路面預防性養(yǎng)護的重要性. 瀝青路面抗水損害能力差是坑槽產(chǎn)生的主要原因，坑槽的出現(xiàn)會嚴重影響行車安全［6-8］. 現(xiàn)階段修補局部坑槽常用的方法是挖掉重新攤鋪熱瀝青混合料，由于修補局部坑槽所需混合料的量較少，且運距跨度較長，作業(yè)面分散，大型機械設備利用率低下，選用熱料換填法不僅會增加養(yǎng)護成本，同時熱瀝青混合料的生產(chǎn)也會造成環(huán)境污染［9-12］. 本文選用LB-16、LB-13（粗型）、LB-13（細型）三種冷補料展開研究，通過對三種冷補料進行高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損害等性能研究，評價三種冷補料的路用性能；通過改變溫度、濕度、黏結(jié)劑種類、黏結(jié)劑撒布量及界面刻槽間隔來研究冷補料與AC-13C混合料之間黏結(jié)能力，為冷補料在路面坑槽修補中的應用提高理論基礎.

1 原材料及配合比設計

1.1 黏結(jié)劑

黏結(jié)劑應具備較好的黏結(jié)性能，能夠保證修補后的界面在車輛軸載、溫縮應力及動水圧的作用下界面不被破壞. 本文選用3種瀝青作為黏結(jié)劑，分別為70#A級道路石油瀝青、SBS I-D改性瀝青及PC-3型乳化瀝青，3種瀝青主要技術指標試驗結(jié)果分別見表1、表2、表3.

1.2 冷補料配合比設計

本文選用中粒式LB-16、細粒式LB-13（粗型）和細粒式LB-13（細型）三種冷補料展開研究. 粗集料為3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm（細型）、10～15 mm（粗型）石灰?guī)r碎石，細集料為0～3 mm石灰?guī)r機制砂，填料為石灰?guī)r磨細的礦粉，三種冷補料最佳油石比及礦料級配設計結(jié)果見表4.

表1 70#A級道路石油瀝青主要技術指標試驗結(jié)果Tab.1 Test results of main technical indexes of 70#A road asphalt

表2 SBS I-D 改性瀝青及普通橡膠瀝青相關指標試驗結(jié)果Tab.2 Test results of related indexes of SBS I-D modified asphalt and ordinary rubber asphalt

表3 PC-3型乳化瀝青主要技術指標試驗結(jié)果Tab.3 Test results of main technical indexes of PC-3 emulsified asphalt

表4 三種冷補料混合料礦料級配設計結(jié)果Tab.4 Aggregate gradation design results of three kinds of cold supplement mixture

1.3 熱拌瀝青混合料配合比設計

本文熱拌瀝青混合料選用的級配類型AC-13C，瀝青選用上文SBS I-D改性瀝青，其礦料級配設計結(jié)果見表5，最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果見表6.

表5 AC-13C混合料礦料級配設計結(jié)果Tab.5 Gradation design results of AC-13C mineral mixture

表6 最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果Tab.6 Optimum oil stone ratio and Marshall test results

2 冷補料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性是評價瀝青路面在高溫環(huán)境下抵抗車輛軸載塑性變形的能力，泛油、車轍、擁包等病害是高溫穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式. 瀝青路面是一種柔性結(jié)構(gòu)層，高溫環(huán)境下，瀝青黏韌性降低，在車輛軸載尤其是重軸載作用下會產(chǎn)生塑性變形而形成車轍［13-14］. 本文選用馬歇爾穩(wěn)定度及動穩(wěn)定度試驗來評價三種類型冷補料高溫穩(wěn)定性能，試驗結(jié)果分別見圖1、圖2. 由圖1可以得出：三種冷補料穩(wěn)定度試驗結(jié)果均滿足規(guī)范不低于8 kN的要求，其中LB-13（粗型）穩(wěn)定度試驗結(jié)果最大，LB-16試驗結(jié)果最小. 由圖2可以得出：三種冷補料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果均滿足規(guī)范普通瀝青混合料1～3區(qū)不低于1000 次/mm的要求，其中LB-13（粗型）動穩(wěn)定度試驗結(jié)果最大，表明LB-13（粗型）高溫穩(wěn)定性能最優(yōu).

圖1 穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.1 Stability test results

圖2 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.2 Dynamic stability test results

2.2 水穩(wěn)定性

松散、坑槽等病害是瀝青路面水穩(wěn)定性差的主要表現(xiàn)形式. 夏季雨季、冬季雨雪天氣會使瀝青路面長期受到雨水與車輛軸載的共同作用，尤其受到長期凍融循環(huán)作用，降低瀝青與礦料之間的黏附性，最終導致瀝青膠漿從礦料間脫落形成輕微裂縫，這些輕微裂縫如果不能夠及時處治就會惡化成塊裂、龜裂以及坑槽等嚴重病害［15-16］. 本文選用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗來評價三種類型冷補料抗水損害能力，試驗結(jié)果分別見圖3、圖4. 可以看出：三種冷補料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果均滿足規(guī)范普通瀝青混合料不低于80%、75%的要求，其中LB-13（粗型）試驗結(jié)果均最大，表明LB-13（粗型）抗水損害性能最優(yōu).

圖3 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果Fig.3 Test results of Marshall residual stability in water immersion

圖4 凍融劈裂殘留強度比試驗結(jié)果Fig.4 Test results of freeze-thaw splitting residual strength ratio

2.3 低溫抗裂性

北方季節(jié)性冰凍區(qū)，當瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生的溫縮應力大于混合料間的極限容許拉應力時，會形成裂縫病害［17-18］. 本文選用低溫抗彎拉強度及低溫彎曲破壞應變試驗來評價三種冷補料低溫抗開裂能力，試驗結(jié)果分別見圖5、圖6. 由圖5可以得出：LB-13（粗型）抗彎拉強度試驗結(jié)果最大，LB-16試驗結(jié)果最小. 由圖6可以得出：三種冷補料彎曲破壞應變試驗結(jié)果均滿足規(guī)范普通瀝青混合料1-3區(qū)不小于2000 με的要求，其中LB-13（細型）試驗結(jié)果最大，綜合考慮，LB-13（細型）低溫抗開裂能力最優(yōu).

圖5 抗彎拉強度試驗結(jié)果Fig.5 Test results of flexural tensile strength

圖6 彎曲破壞應變試驗結(jié)果Fig.6 Test results of bending failure strain

3 冷補料與舊路面間黏結(jié)性能

冷補料與舊路面之間的黏結(jié)特性關系到冷補料的使用壽命，二者之間黏結(jié)特性受到材料性能、外界環(huán)境和施工工藝等多種因素影響［19-20］. 選用斜剪試驗來研究不同濕度、溫度、界面粗糙程度、黏結(jié)劑種類及撒布量對冷補料與AC-13C混合料之間黏結(jié)性能的影響. 本次試驗以試驗未浸水、溫度為25 ℃、不刻槽、PC-3型乳化瀝青黏結(jié)劑及撒布量為0.3 kg/m2為基準試驗條件，當分析其中一種因素時其他因素為基準試驗條件.

不同溫度、濕度條件時冷補料與AC-13混合料之間抗剪強度試驗結(jié)果分別見圖7、圖8. 由圖7可以得出：隨著溫度的升高，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均逐漸降低，相同溫度時LB-13（細型）抗剪強度最大，LB-16抗剪強度最小. 由圖8可以得出：隨著試件浸水時間的增加，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均逐漸降低，相同浸水時間時LB-13（細型）抗剪強度最大，LB-16抗剪強度最小.

圖7 溫度與抗剪強度關系Fig.7 Relationship between temperature and shear strength

圖8 濕度與抗剪強度關系Fig.8 Relationship between humidity and shear strength

不同黏結(jié)劑種類、黏結(jié)劑撒布量條件時冷補料與AC-13 混合料之間抗剪強度試驗結(jié)果分別見圖9、圖10.由圖9可以得出：黏結(jié)劑為PC-3型乳化瀝青時，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均最大，黏結(jié)劑為70#A 級道路石油瀝青時，三種冷補料與AC-13C 混合料之間的抗剪強度均最小. 由圖10 可以得出：隨著PC-3 型乳化瀝青黏結(jié)劑撒布量的增加，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其中當撒布量為0.3 kg/m2時，LB-13（細型）、LB-13（粗型）、LB-16 三種冷補料與AC-13C 混合料之間的抗剪強度均達到峰值，分別為0.671、0.611、0.586 MPa.

圖9 黏結(jié)劑種類與抗剪強度關系Fig.9 Relationship between adhesive types and shear strength

不同刻槽間隔條件時冷補料與AC-13 混合料之間抗剪強度試驗結(jié)果分別見圖11. 可以看出，隨著刻槽間隔的增加，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均逐漸降低，刻槽間隔相同時LB-13（細型）抗剪強度最大，LB-16抗剪強度最小.

圖10 黏結(jié)劑撒布量與抗剪強度關系Fig.10 Relationship between binder distribution amount and shear strength

圖11 刻槽間隔與抗剪強度關系Fig.11 The relationship between groove interval and shear strength

4 結(jié)論

本文通過對三種冷補料進行高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害及與AC-13C混合料之間黏結(jié)性能研究得出以下結(jié)論：

1）LB-13（粗型）高溫穩(wěn)定性及抗水損害能力最優(yōu)，LB-13（細型）低溫抗開裂能力最優(yōu).

2）相同溫度、相同浸水時間及相同刻槽間隔時LB-13（細型）與AC-13C混合料之間的抗剪強度最大；黏結(jié)劑為PC-3型乳化瀝青時，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均最大；PC-3型乳化瀝青撒布量為0.3 kg/m2時，三種冷補料與AC-13C混合料之間的抗剪強度均最大.