適用于瀝青路面的常溫澆筑式快速修復(fù)材料的研究

唐士潤(rùn)， 高江濤， 魏永鋒

(1.甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司， 甘肅 蘭州 730000；2.甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司； 3.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心)

目前，瀝青冷補(bǔ)料及熱拌料修補(bǔ)是中國(guó)公路瀝青路面出現(xiàn)小型坑槽病害時(shí)的主要修補(bǔ)方法，然而在應(yīng)用中卻存在一些不足之處，冷補(bǔ)料長(zhǎng)期耐久性不足，與舊路面黏結(jié)效果差，適用于路面臨時(shí)應(yīng)急修補(bǔ)；熱補(bǔ)料需要專用的加熱攪拌及運(yùn)輸設(shè)備，施工要求高，適用于地點(diǎn)集中、工程量較大的工程，對(duì)分散、工程量小的路面修復(fù)工程，耗能大且難以壓實(shí)，實(shí)施難度大。而且，在舊路面與新拌熱補(bǔ)瀝青混合料結(jié)合處因存在較大溫差，修補(bǔ)界面明顯，黏結(jié)效果差，在受到外界環(huán)境影響時(shí)容易產(chǎn)生二次裂縫。該文針對(duì)上述情況，研究一種適用于瀝青路面小型缺陷的快速修復(fù)材料，以便簡(jiǎn)化施工，提高與舊路面的黏結(jié)性。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 主要原材料

(1) 乳化瀝青。乳化瀝青的性能決定混合料的拌和效果及耐久性，試驗(yàn)選用相同濃度不同品種的乳化瀝青，其性質(zhì)如表1所示。

表1 乳化瀝青性質(zhì)

(2) 集料。試驗(yàn)用集料為玄武巖級(jí)配碎石，為保證集料組成穩(wěn)定，使用單檔篩分精確配比，選用AC-13級(jí)配，具體粒徑分布如表2所示。

表2 混合料配合比

(3) 自熱礦料。試驗(yàn)使用自熱礦料為鋼渣，經(jīng)破碎篩分選其粒徑4.74～9.5 mm作為微波加熱輔助材料與石料組成選定級(jí)配，其性能規(guī)格如表3所示。

表3 自熱礦料規(guī)格

1.2 試驗(yàn)方法

常溫澆筑式瀝青路面快速修復(fù)材料的組成及應(yīng)用研究，通過(guò)不同乳化瀝青與集料的拌和效果確定黏結(jié)料的種類；綜合分析微波加熱效率及加熱后材料性能，確定集料中自熱礦料的摻量范圍及加熱時(shí)間；通過(guò)確定材料配比，進(jìn)行瀝青路面坑槽修復(fù)，分析常溫澆筑材料應(yīng)用于瀝青路面修復(fù)對(duì)比其他修復(fù)材料的優(yōu)勢(shì)。

(1) 乳化瀝青拌和試驗(yàn)中集料按照AC-13級(jí)配，加入3.5%的潤(rùn)濕水輔助拌和，油石比為4.8%(按照同級(jí)配熱拌瀝青混合料最佳油石比確定)，乳化瀝青摻量按實(shí)際固含量計(jì)算，通過(guò)觀察拌和效果確定修復(fù)材料中使用乳化瀝青的種類。

(2) 微波加熱試驗(yàn)采用頻率為2.45 GHz、功率為0.8 kW的微波發(fā)生器，對(duì)拌和后的修復(fù)材料進(jìn)行加熱，加熱過(guò)程中每2 min測(cè)定一次材料整體溫度，使用熱成像儀獲取材料溫度分布。常溫澆筑材料最佳油石比依據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法確定，常溫澆筑材料性能依據(jù)JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)方法進(jìn)行。試驗(yàn)中瀝青材料使用乳化瀝青，瀝青含量按實(shí)際固含量計(jì)算，材料加熱方式為微波加熱。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 乳化瀝青的類型對(duì)混合料拌和效果的影響

圖1為集料級(jí)配為AC-13、油石比為4.8%的乳化瀝青拌和1 min后混合料狀態(tài)，圖1中上圖為加入乳化瀝青后拌和效果，下圖為經(jīng)微波加熱乳化瀝青破乳后混合料狀態(tài)。

圖1 不同種類乳化瀝青拌和狀態(tài)

由圖1可以看出：快裂型乳化瀝青PZ-225在拌和1 min后乳化瀝青已完全破乳，尚未與集料混合均勻，集料中尚有少許白料；中裂型乳化瀝青BZ-115與集料攪拌均勻，但拌和后效果略微干散，應(yīng)用于路面修補(bǔ)時(shí)可能不利于瀝青材料對(duì)周圍的滲透；慢裂型乳化瀝青BZ-160拌和效果最好，材料攪拌均勻，整體呈漿體狀具有一定的流動(dòng)性，于路面修復(fù)時(shí)可自動(dòng)充實(shí)于缺陷處。

在乳化瀝青經(jīng)微波加熱完全破乳后，使用PZ-225與BZ-115兩種乳化瀝青的混合料均出現(xiàn)明顯花白料，經(jīng)攪拌后仍未能裹覆完全，使用BZ-160乳化瀝青的混合料在加熱破乳后集料裹覆完全，效果最好。

2.2 自熱礦料的比例對(duì)混合料加熱效果的影響

如表4所示，按照AC-13熱拌瀝青混合料配合比，油石比為4.8%(同級(jí)配熱拌瀝青混合料最佳油石比)，F(xiàn)-1為熱拌瀝青混合料，F(xiàn)-2～F-6為乳化瀝青混合料。

表4 不同自熱礦量摻量混合料性能

由表4可以看出：① 普通乳化瀝青混合料的穩(wěn)定度為同級(jí)配熱拌瀝青混合料的88%，而在集料中加入一定量的自熱礦料，在微波加熱的條件下，隨著自熱礦料摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度有一定波動(dòng)；② 自熱礦料摻量為20%時(shí)，混合料的穩(wěn)定度最大，為熱拌瀝青混合料的98%。摻量在30%以上時(shí)，混合料穩(wěn)定度降低，可能因?yàn)樽詿岬V料的孔隙比較大，在拌和過(guò)程中吸附瀝青量較多，導(dǎo)致整體瀝青含量不足；混合料的水穩(wěn)定性隨自熱礦料摻量先增加后降低，這是因?yàn)樽詿岬V料為堿性礦料，與瀝青之間可以形成很好的吸附，增加了瀝青與集料之間的黏結(jié)力，很好地阻止水分的進(jìn)入，隨著自熱礦料的增加，由于自熱礦料吸附較多的瀝青，混合料整體油膜厚度降低，裹覆力減小，抗水損性能降低；③ 自熱礦料摻量為20%時(shí)，混合料的抗水損性能最高。

圖2為摻加不同比例自熱礦料的乳化瀝青混合料在微波加熱條件下溫度隨時(shí)間變化的情況。

圖2 不同自熱礦料摻量混合料溫度變化

由圖2可以看出：混合料的溫度隨微波加熱時(shí)間增加而升高，曲線分為3個(gè)階段，第一階段為前期快速升溫階段，水與自熱礦料共同促使混合料溫度升高；第二階段為平緩曲線段，在溫度接近100 ℃時(shí)乳化瀝青中水分快速蒸發(fā)，水分未完全蒸發(fā)前，整體溫度基本不變；第三階段為溫度大于100 ℃后的升溫段，水分完全蒸發(fā)后，溫度升高速率較第一階段減小。分析圖2可以發(fā)現(xiàn)：集料中摻入一定比例自熱礦料后，自熱礦料摻量越高，混合料溫度升高越快，在第三階段主要由自熱礦料促進(jìn)混合料溫度升高。當(dāng)自熱礦料摻量為20%時(shí)，加熱12 min即可達(dá)到混合料壓實(shí)溫度。

圖3為同一容器中不同自熱礦料摻量與未摻加自熱礦料的集料同時(shí)間微波加熱熱成像圖。由圖3可以發(fā)現(xiàn)：① 受微波激發(fā)作用，自熱礦料的溫度明顯高于普通石料，且受熱傳遞效應(yīng)，在集料中均勻分布的自熱礦料附近的石料溫度也明顯高于未摻加自熱礦料的集料；② 自熱礦料摻量越高，集料攪拌越均勻，其顆粒間溫差越小。

圖3 集料加熱效果

2.3 常溫修復(fù)材料對(duì)坑槽修復(fù)效果評(píng)價(jià)

常溫修復(fù)材料對(duì)瀝青路面坑槽修復(fù)時(shí)，集料使用AC-13級(jí)配，自熱礦料摻量為20%，乳化瀝青為慢裂型乳化瀝青“BZ-160”，油石比為4.8%(乳化瀝青用量按照固含量計(jì)算)，加熱方式為微波加熱。

圖4為修復(fù)材料對(duì)路面坑槽修補(bǔ)時(shí)的加熱效果熱成像圖，當(dāng)使用微波對(duì)修復(fù)路面進(jìn)行加熱時(shí)，受微波激發(fā)及熱傳遞影響，原有路面雖不能迅速升高溫度，但溫度仍有提升，在修復(fù)材料溫度達(dá)到壓實(shí)溫度時(shí)，原路面混合料軟化，在碾壓后新舊路面可以良好地形成整體。

圖4 微波激發(fā)修補(bǔ)路面溫度

圖5為不同修復(fù)材料對(duì)混合料坑槽修復(fù)效果剖面。從圖5可以看出：熱拌瀝青混合料在對(duì)坑槽進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，界面處有明顯的接縫，而常溫修復(fù)材料可與原混合料無(wú)縫相接。圖6為熱拌瀝青混合料修補(bǔ)部位切開(kāi)效果，當(dāng)受到外力作用時(shí)，在界面處完全分離。這是因?yàn)闊岚铻r青混合料修補(bǔ)過(guò)程中，修補(bǔ)料在壓實(shí)作用下單獨(dú)成為整體，且由于舊混合料的存在，修補(bǔ)料的邊角處無(wú)法充分壓實(shí)，導(dǎo)致界面黏結(jié)力不足。而使用微波激發(fā)的常溫修復(fù)材料，由于舊料溫度升高發(fā)生一定程度的軟化，加上乳化瀝青的滲透，經(jīng)過(guò)碾壓后新舊混合料可以同時(shí)成型，黏結(jié)形成整體結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯界面。

圖5 不同修復(fù)材料修復(fù)效果切面

圖6 熱拌瀝青混合料修補(bǔ)切開(kāi)結(jié)果

3 結(jié)論

為研究快速修復(fù)瀝青混合料路面修補(bǔ)材料的性質(zhì)進(jìn)行了不同乳化瀝青類型、不同拌和方法的瀝青混合料性能試驗(yàn)，可得如下結(jié)論：

(1) 常溫澆筑修復(fù)材料使用慢裂型乳化瀝青的拌和效果最佳，集料裹覆良好，具有一定的流動(dòng)性。

(2) 綜合常溫澆筑修復(fù)材料的施工效率及性能，集料中自熱礦料摻量不宜超過(guò)20%，在20%摻量時(shí)，使用頻率2.45 GHz、功率0.8 kW的微波激發(fā)14 min即可使修復(fù)材料溫度達(dá)到壓實(shí)溫度，施工快速簡(jiǎn)便。

(3) 使用微波加熱的常溫澆筑修復(fù)材料較普通熱拌瀝青混合料，界面黏結(jié)效果更好，可以與原路面形成整體結(jié)構(gòu)。