溶劑型冷補瀝青混合料低溫施工和易性定量評價方法

楊威， 金佳宏， 產(chǎn)啟剛， 鄭木蓮*， 劉國強， 閆春梅

(1.濟寧市鴻翔公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 濟寧 272100； 2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室， 西安 710064； 3.呼和浩特市交通運輸局， 呼和浩特 010010)

近年來，隨著車輛的增多，瀝青路面的超載現(xiàn)象嚴(yán)重，使路面出現(xiàn)破損開裂，并且在高低溫氣候條件以及雨水侵蝕的作用下，路面裂縫逐漸擴展，混合料從路面上剝離，最終形成了坑槽。一旦坑槽形成，坑槽在雨水和車輛荷載的作用下將會破壞的更為嚴(yán)重，必須對坑槽進行及時修補[1-2]。

常用的坑槽修補材料有熱拌瀝青混合料和冷補瀝青混合料，其中冷補料具有可就地生產(chǎn)、施工工藝簡單、常溫和低溫下可施工、安全環(huán)保等性能優(yōu)勢，并能實現(xiàn)對坑槽病害即現(xiàn)即補，得到了廣泛的應(yīng)用。冷補料主要分為溶劑型、乳化型和反應(yīng)型三種，中國研究最多的是溶劑型冷補料。近年來，為了提高冷補料的路用性能，中外學(xué)者們在冷補料配方設(shè)計上進行了深入研究。劉幫銀等[3]研究了再生冷補瀝青混合料配方設(shè)計，張爭奇等[4]研究了水性環(huán)氧-SBR低溫型冷補瀝青的研發(fā)與制備工藝，徐茜等[5]研究了含餐廚費油冷補料，孫朝杰等[6]研究了纖維冷補瀝青混合料的路用性能，Xu等[7]用表面自由能方法評價了冷補瀝青的水損害。

雖然中外研發(fā)了不同配方的冷補料，但是究其根本溶劑型冷補料可在常溫或低溫環(huán)境下修補坑槽的主要技術(shù)原理是采用稀釋劑來降低基質(zhì)瀝青黏度，以此保證拌制的冷補料具有較好的施工和易性，因此低溫施工和易性通常被認(rèn)為是冷補料最基本的性能[8]，有必要對冷補料的低溫施工和易性進行進一步研究。在冷補料低溫施工和易性評價方面，目前中外學(xué)者多采用經(jīng)驗法和定量指標(biāo)評價法[9]。蘇聯(lián)采用落錘沖擊試件法，以冷補料試件破壞時的錘擊次數(shù)作為低溫施工和易性定量評價指標(biāo)；西班牙Cantabria大學(xué)提出的改進馬歇爾磨耗方法，以馬歇爾試件磨耗損失率作為評價冷補瀝青混合料低溫施工和易性定量評價指標(biāo)；美國德克薩斯運輸部采用單軸無側(cè)限抗壓試驗對冷補料低溫施工和易性進行研究，提出以冷補瀝青混合料老化前后抗壓強度作為評價指標(biāo)[9]。中國公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)[10]對冷補料低溫施工和易性的要求為松散狀態(tài)下冷補瀝青混合料在-10 ℃冰箱儲存24 h后，無明顯凝聚結(jié)塊現(xiàn)象，且用鐵鏟能方便拌和操作；此外，李峰等[8]采用貫入法來定量評價溶劑型冷補料的低溫施工和易性。然而綜合上述評價方法發(fā)現(xiàn)，采用落錘沖擊試驗法、馬歇爾試件磨耗方法、單軸無側(cè)限抗壓試驗法以及單軸貫入法評價冷補料低溫施工和易性均存在操作困難、設(shè)備要求較高等問題。而JTG F40—2004推薦的經(jīng)驗法雖然簡單方便，但是過于主觀，人為操作誤差較大，試驗結(jié)果可信度較低。目前中國還沒有一種評價溶劑型冷補料低溫施工和易性簡單有效的定量評價方法。

為解決已有的定量方法操作困難，對設(shè)備要求高的問題，以及經(jīng)驗法過于主觀，人為定性分析不足的問題，設(shè)計了一種輕量化定量評價冷補料低溫施工和易性的方法，簡稱“等效圓法”?！暗刃A法”設(shè)備要求低，操作簡單，可定量評價冷補料低溫施工和易性，彌補了當(dāng)前方法存在的不足。采用“等效圓法”對自研冷補料CA、市面在售冷補料LB和XR的低溫施工和易性進行評價，并與經(jīng)驗法試驗結(jié)果對比，最后基于冷補料強度與施工和易性平衡要求，對四種溶劑型冷補料初始強度進行對比分析，推薦冷補料的技術(shù)評價指標(biāo)。

1 試驗材料

1.1 冷補瀝青液

試驗選用三種成品溶劑型冷補瀝青液制備冷補瀝青混合料，分別為課題組自研CA冷補瀝青、市面在售四川LB冷補瀝青和江西XR冷補瀝青。為提高溶劑型冷補瀝青黏附性能、抗剝落性能等技術(shù)指標(biāo)，CA、LB和XR冷補瀝青均添加了抗剝落劑、樹脂類增黏劑等外加劑。對照組僅采用中海70 #基質(zhì)瀝青、0 #柴油來制備普通溶劑型冷補瀝青液，基質(zhì)瀝青與柴油摻配比(質(zhì)量比)為100∶25。在進行冷補瀝青混合料最佳瀝青用量試驗和路用性能試驗前，對上述四種溶劑型冷補瀝青技術(shù)指標(biāo)進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 冷補瀝青液技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料和級配

1.2.1 集料

文中粗細集料均采用石灰?guī)r，粗集料表面干凈、粗糙、干燥、無風(fēng)化，并具有足夠強度和耐磨耗性能，填料采用礦粉。采用公路工程集料試驗規(guī)程(JTG E42—2015)對粗集料物理、力學(xué)指標(biāo)進行測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 粗集料試驗結(jié)果

1.2.2 級配

冷補瀝青混合料級配設(shè)計主要包括混合料結(jié)構(gòu)類型、集料最大粒徑選擇以及確定礦粉用量三個方面。溶劑型冷補瀝青混合料早期強度形成主要依靠礦料間嵌擠力，因此在結(jié)構(gòu)類型選擇方面，應(yīng)采用骨架密實型結(jié)構(gòu)。冷補瀝青混合料通常用于瀝青路面上面層修補，修補深度一般小于5 cm，因此冷補瀝青混合料中集料最大粒徑選擇為13.2 mm。參考JTG F40—2004中建議級配類型，本文研究的溶劑型冷補瀝青混合料級配類型選擇LB-13，設(shè)計的冷補料合成級配曲線如圖1所示。

圖1 礦料合成級配

2 試驗方法

首先采用同濟大學(xué)經(jīng)驗公式法[11]和修正馬歇爾試驗法確定溶劑型冷補瀝青混合料的最佳瀝青用量，隨后采用“等效圓法”對四種冷補瀝青混合料進行低溫施工和易性定量評價，將試驗結(jié)果與規(guī)范中推薦的經(jīng)驗方法得到的分級試驗結(jié)果相結(jié)合驗證“等效圓法”的可靠性；最后對四種冷補料進行初始強度試驗，評價四種冷補料初始強度的優(yōu)劣，并結(jié)合低溫施工和易性試驗，推薦冷補瀝青混合料低溫施工和易性定量評價標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 最佳瀝青用量試驗

采用同濟大學(xué)經(jīng)驗公式法[11]和修正馬歇爾試驗法相結(jié)合方式確定溶劑型冷補瀝青混合料最佳瀝青用量。首先根據(jù)冷補料級配粒徑分布，采用同濟大學(xué)經(jīng)驗公式對溶劑型冷補料瀝青用量進行計算；其次通過微調(diào)瀝青用量計算值，采用改進馬歇爾試驗法進一步對冷補料瀝青用量進行優(yōu)化，確定冷補料最佳瀝青用量。

(1)同濟大學(xué)經(jīng)驗公式[11]。同濟大學(xué)呂偉民教授根據(jù)冷補瀝青混合料礦料級配，提出瀝青用量估算公式為

P=0.021a+0.056b+0.099c+0.12d+1.2

(1)

式中：P為基質(zhì)瀝青用量，%；a、b、c、d分別為粒徑大于2.36 mm、0.3～2.36 mm、0.075～0.3 mm、小于0.075 mm顆粒的質(zhì)量百分率，%；

(2)修正馬歇爾試驗法。經(jīng)同濟大學(xué)經(jīng)驗公式初步確定溶劑型冷補瀝青混合料瀝青用量后，對瀝青用量進行微調(diào)整，以初步確定的瀝青用量為中值確定5組試驗瀝青用量；接著拌制5種不同瀝青用量的冷補瀝青混合料，并按照熱拌瀝青混合料瀝青用量試驗步驟進行冷補料瀝青用量設(shè)計。由于溶劑型冷補瀝青中含有大量稀釋劑，導(dǎo)致馬歇爾試件制備工藝與熱拌瀝青混合料有所不同，具體體現(xiàn)在：冷補料拌和后，首先稱取定量的冷補料裝入馬歇爾試模，雙面擊實25次后，連同試模在25 ℃恒溫箱養(yǎng)生6 h，再雙面擊實25次；脫模后在25 ℃水槽中養(yǎng)生30 min，立即測試其穩(wěn)定度[12-13]。

(3)最佳瀝青用量和油石比。油石比是指瀝青混凝土中瀝青質(zhì)量和礦料(石料)質(zhì)量比的百分?jǐn)?shù)；最佳瀝青用量是指瀝青質(zhì)量與瀝青混合料質(zhì)量比的百分?jǐn)?shù)。兩者之間的換算關(guān)系為：最佳瀝青用量=油石比/(1+油石比)，相反如果已知最佳瀝青用量，那么油石比=最佳瀝青用量/(1-最佳瀝青用量)。為了拌制瀝青混合料，可按照同濟大學(xué)經(jīng)驗公式法和修正馬歇爾試驗法確定的最佳瀝青用量計算出最佳油石比，從而根據(jù)礦料的質(zhì)量計算出拌制混合料所需要的瀝青質(zhì)量。

2.2 “等效圓法”試驗

溶劑型冷補料優(yōu)異的低溫施工和易性是指其在低溫環(huán)境下便于拌和、攤鋪和碾壓。根據(jù)冷補瀝青混合料工程實踐要求和室內(nèi)試驗驗證，結(jié)合現(xiàn)有方法存在的問題，本文設(shè)計出一種操作簡單、可定量對其低溫施工和易性進行評價的方法，稱之為“等效圓法”，“等效圓法”的試驗步驟如下。

(1)準(zhǔn)備若干直徑為100 mm、高100 mm，能夠打開與合閉圓柱體塑料試模。試驗前將其內(nèi)部擦干，然后將上述5種不同油石比的溶劑型冷補瀝青混合料呈松散狀裝滿塑料試模，人工簡單壓平。

(2)將塑料試模連同冷補料用塑料袋密封，放入-5 ℃恒溫冰箱中冷凍24 h。

(3)達到冷凍時間后，快速打開試模，取出圓柱狀混合料試件放在白紙上，將7 kg砝碼放置在試件頂面進行施壓并開始計時。

(4)施壓2 min后取下砝碼，此時混合料試件散落成不規(guī)則圓形，靜置1 min，使混合料達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(5)用筆沿混合料散落邊緣畫線，形成近似圓形，采用十字平均法用直尺沿十字方向分別測其x方向最小直徑dx以及y方向最小直徑dy，取其平均直徑ˉd=(dx+dy)/2，進一步計算出冷補料散落面積S=π(d/2)2。散落面積S越大，冷補料的低溫施工和易性越好，因此選用散落面積作為“等效圓法”的定量評價指標(biāo)。其中需要注意的是試驗中砝碼中心要對準(zhǔn)試件中心，防止試件出現(xiàn)偏心受壓。

“等效圓法”試驗圖和冷補料散落面積圖如圖2和圖3所示。

圖2 “等效圓法”試驗圖

圖3 冷補料散落面積圖

(1)試模尺寸的選擇。由于冷補料試件也按照標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件成型，參考標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件模具尺寸為內(nèi)直徑101.6 mm±0.2 mm，高度87 mm，故本方法所用模具直徑也參考標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件尺寸，直徑采用100 mm。由于試驗方法為將冷補料松裝入試模，故試模高度選擇略大于標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件高度的100 mm。

(2)砝碼形狀的選擇。砝碼形狀需滿足砝碼底面積近似于試件被壓成不規(guī)則圓形后的近似面積，本研究選用砝碼的底面積直徑為15 cm。

(3)砝碼重量以及施壓時間的選擇。砝碼重量的確定沒有一個固定的標(biāo)準(zhǔn)。砝碼重量越大，試件被壓成不規(guī)則圓形的速度越快；考慮到試驗時間越長，試件溫度恢復(fù)越多，會影響試驗結(jié)果。故需選擇一個合適的砝碼重量來控制施壓時間，即砝碼質(zhì)量不宜過小。經(jīng)調(diào)查得知，在低溫環(huán)境下，人工攤鋪冷補料時使用力的大小與平時人們提7 kg左右物品的使用力大小相近，因此利用冷補料在7 kg砝碼壓力下的松散性來模擬實際低溫環(huán)境下冷補料在人們施工操作時的疏松性，較為貼合實際。為了驗證所選砝碼重量的可行性，選擇了5、7、9 kg三種不同質(zhì)量的砝碼對試驗過程以及將試件壓成不規(guī)則圓形的時間進行對比，試驗結(jié)果如表3所示。其中施壓結(jié)束時間以試件散落幅度無明顯變化為標(biāo)準(zhǔn)。

表3 不同質(zhì)量砝碼施壓過程及結(jié)束時間

由表3可知，當(dāng)砝碼重量為5 kg時，施壓過程為5 min，時間太長會導(dǎo)致試件溫度恢復(fù)影響試驗結(jié)果；當(dāng)砝碼重量為9 kg時，施壓速度過快，施壓過程出現(xiàn)試件散落不均勻，不平衡的現(xiàn)象；當(dāng)砝碼重量為7 kg時，施壓速度適中，試件散落均勻，試驗過程較為順利。因此最后綜合考慮選擇砝碼重量為7 kg。并且使用7 kg砝碼進行試驗，發(fā)現(xiàn)試件在40 s時出現(xiàn)裂縫，有散開的跡象，40～100 s時散落的幅度較大，到2 min后散落的幅度較小，基本散開。最后確定試驗時間為2 min。

2.3 低溫施工和易性經(jīng)驗性評價方法

JTG F40—2004中提出的冷補瀝青混合料低溫施工和易性經(jīng)驗性評價方法為：將松散狀態(tài)下的冷補瀝青混合料在-10 ℃恒溫冰箱中保持24 h，觀察有無明顯的凝聚結(jié)塊現(xiàn)象，且是否能用鐵鏟方便地拌和操作。依據(jù)冷補料松散狀態(tài)和操作難易程度將冷補瀝青混合料低溫施工和易性劃分為5個等級，具體評定標(biāo)準(zhǔn)如表4所示[14]。本文中采用經(jīng)驗法對四種不同類型的冷補料進行測試確定低溫施工和易性等級，并與“等效圓法”試驗結(jié)果進行對比。

表4 低溫施工和易性等級評定標(biāo)準(zhǔn)

2.4 初始強度試驗

為平衡冷補瀝青混合料低溫施工和易性和初始強度之間的矛盾，對選用的四種冷補料進行初始強度試驗以評價四種冷補料初始強度的優(yōu)劣。并綜合低溫施工和易性能，找到兩者的平衡點，推薦冷補瀝青混合料低溫施工性能定量評價標(biāo)準(zhǔn)和建議初始強度技術(shù)指標(biāo)。冷補瀝青混合料初始強度試驗方法同2.1節(jié)修正馬歇爾試驗法。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 最佳瀝青用量試驗結(jié)果

采用同濟大學(xué)經(jīng)驗公式法初步計算自研溶劑型冷補瀝青混合料(CA)瀝青用量結(jié)果為4.5%，在此基礎(chǔ)上，以0.5%為梯度設(shè)定冷補瀝青混合料瀝青用量為3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%，拌制五種不同瀝青用量下的冷補瀝青混合料進行修正馬歇爾試驗和低溫施工和易性試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同瀝青用量初始強度和低溫施工和易性試驗結(jié)果

由圖4知，隨著瀝青用量增大，冷補料初始強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)冷料瀝青用量為4.5%時，其初始強度最高為2.77 kN；而當(dāng)瀝青用量為3.5%和5.5%，冷補料初始強度分別為1.66 kN和1.94 kN；這說明瀝青用量過大或過小均會對冷補料初始強度產(chǎn)生不利影響。在低溫施工和易性結(jié)果方面，冷補料散落面積S隨著瀝青用量的增加而逐漸減??；當(dāng)瀝青用量為3.5%時，冷補料散落面積S最大為57.76π cm2，此時冷補料中的礦料無法被冷補瀝青充分裹覆，壓實后易松散；而當(dāng)瀝青用量為5.5%時，冷補料散落面積S最小為32.49π cm2，此時冷補料完全黏聚在一起，結(jié)團嚴(yán)重，無法滿足使用需求。冷補料散落面積S越大，表明其低溫施工性能越好，但與此相對應(yīng)的是其初始強度越低。因此在綜合考慮冷補瀝青混合料初始強度與低溫施工和易性能后，確定自研冷補瀝青混合料瀝青用量為4.5%。修正馬歇爾試驗結(jié)果與同濟大學(xué)經(jīng)驗公式法的計算結(jié)果相匹配，同時也驗證了經(jīng)驗公式法的準(zhǔn)確性。

3.2 “等效圓法”試驗結(jié)果

在確定冷補瀝青混合料最佳瀝青用量后，將所選四種冷補瀝青混合料分別按2.2節(jié)提出的“等效圓法”進行低溫施工和易性試驗，四種冷補瀝青混合料瀝青用量均采用4.5%，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 冷補料低溫施工和易性試驗結(jié)果

由表5可知，對照組的散落面積S最大為54.76π cm2，其次為冷補料CA和冷補料XR，散落面積S分別為47.61π cm2和46.24π cm2，最差的為冷補料LB，散落面積S為38.44π cm2。散落面積S與冷補料低溫施工和易性正相關(guān)，即四種冷補瀝青混合料低溫施工和易性排序為：對照組>CA>XR>LB。對照組散落面積S較大，說明對照組的低溫施工和易性能較好，主要原因是混合料中稀釋劑含量過高，導(dǎo)致冷補瀝青黏度過低，與礦料黏附性不足；而CA、XR、LB型冷補瀝青中由于摻加了抗剝落劑、樹脂類增黏劑等外加劑，其黏度和礦料黏附性均得到明顯提升，因此這三種冷補瀝青混合料低溫施工和易性有所下降。試驗表明采用散落面積S作為定量評價指標(biāo)可以較為直觀的判斷冷補料的低溫施工和易性的優(yōu)劣。

3.3 低溫施工和易性經(jīng)驗法試驗結(jié)果

采用2.3節(jié)經(jīng)驗法對所選四種冷補料進行低溫施工和易性測試，根據(jù)試驗結(jié)果建立低溫施工和易性等級與散落面積S間的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 散落面積與經(jīng)驗法低溫施工和易性等級對比

由圖5知，冷補瀝青混合料低溫施工和易性等級與散落面積S具有明顯的相關(guān)性，等級參數(shù)越大，其散落面積S越大。由表3等級評定標(biāo)準(zhǔn)知，當(dāng)?shù)燃墔?shù)大于4時，冷補料僅存在少量結(jié)團，用鐵鏟可輕易拌和操作，即冷補料能滿足基本低溫施工要求。四種冷補瀝青混合料中，CA、XR低溫施工和易性等級參數(shù)為4，相應(yīng)的散落面積S分別為47.6π cm2和46.24 cm2；而對照組低溫施工和易性等級參數(shù)為5，散落面積S=54.76π cm2，兩種試驗方法得到的試驗結(jié)果均表明CA、XR和對照組冷補料具有較好的低溫施工和易性能。通過對圖5進一步分析知，當(dāng)施工和易性等級參數(shù)為4時，對應(yīng)的散落面積S為44π cm2，此時冷補瀝青混合料在施工過程中可輕易被揉搓攤鋪，無明顯結(jié)團現(xiàn)象。因此采用“等效圓法”定量評價冷補瀝青混合料低溫施工和易性時，推薦評價指標(biāo)值為散落面積S≥44π cm2。

3.4 初始強度試驗結(jié)果

冷補瀝青混合料應(yīng)具有一定的初始強度，以滿足坑槽修補后的開放交通的需求。表6匯總了國內(nèi)外幾種溶劑型冷補瀝青混合料初始強度要求。采用2.4節(jié)試驗方法對選用的四種冷補瀝青混合料進行初始強度試驗，分析初始強度與低溫施工和易性之間的關(guān)系，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同類型冷補料初始強度和低溫施工和易性試驗結(jié)果

由表6知，中外幾種冷補料初始強度均不大，大多是為了滿足較好的低溫施工和易性能而降低對初始強度的要求。由圖6可知，四種冷補瀝青混合料中，對照組初始強度最小，為1.7 kN；而其他三組冷補料初始強度均大于2.5 kN，依次為 LB：3.39 kN、 CA：2.77 kN和XR：2.56 kN。冷補瀝青混合料初始強度與低溫施工和易性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即散落面積S越大，其初始強度越低。如LB冷補料初始強度最大，但其散落面積S最小僅為38.44π cm2，且試驗過程中冷補料大部分結(jié)團，散落速度較慢。通過對圖6進一步分析知，當(dāng)冷補料散落S=44π cm2時，冷補瀝青混合料初始強度值為2.4 kN，此時CA和XR型冷補瀝青混合料初始強度和散落面積S均滿足要求。文獻[11]提出冷補料初始強度不低于2 kN。因此通過“等效圓法”試驗和初始強度試驗，推薦冷補瀝青混合料低溫施工和易性和初始強度技術(shù)指標(biāo)，如表7所示。

表6 國外幾種溶劑型冷補瀝青混合料初始強度

表7 推薦技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有溶劑型冷補瀝青混合料低溫和易性定量評價方法的不足，采用“等效圓法”對四種冷補瀝青混合料進行低溫施工和易性定量評價，主要結(jié)論如下。

(1)基于同濟大學(xué)經(jīng)驗公式和修正馬歇爾試驗法確定冷補瀝青混合料最佳瀝青用量為4.5%。

(2)采用“等效圓法”作為冷補料低溫施工和易性定量評價方法具有試驗操作簡單、流程直觀、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點，并能較為客觀的評價冷補料的低溫施工和易性。其中需要注意試驗中砝碼中心要對準(zhǔn)試件中心防止試件出現(xiàn)偏心受壓。

(3)與經(jīng)驗法劃分施工和易性等級的試驗結(jié)果相比，發(fā)現(xiàn)兩種方法的試驗結(jié)果具有很好相關(guān)性，推薦采用“等效圓法”定量評價冷補料低溫施工和易性技術(shù)指標(biāo)為：散落面積S≥44π cm2。

(4)通過對四種冷補料低溫施工和易性和初始強度試驗結(jié)果進行分析，推薦冷補料初始強度技術(shù)指標(biāo)為：初始強度≥2.4 kN，此時冷補瀝青混合料不僅具有較好的低溫施工和易性，而且其初始強度能滿足開放交通需求。

(5)只對冷補瀝青混合料的低溫施工和易性進行了研究，而沒有考慮冷補料的常溫施工和易性，原因是常溫型冷補料在室溫條件下的施工和易性普遍都滿足要求，人工能輕易地用小鏟拌和。

(6)推薦的技術(shù)指標(biāo)彌補了冷補料低溫施工和易性定量評價方面的不足，為冷補料的選擇和進一步深入研究提供了技術(shù)思路和參考依據(jù)。