冷補(bǔ)瀝青混合料材料設(shè)計(jì)及其性能研究

作者簡介：江 浩（1973—），高級工程師，研究方向：公路工程。

摘要：文章為提高冷補(bǔ)瀝青混合料性能，優(yōu)化冷補(bǔ)瀝青液制備工藝，以0#柴油為稀釋劑，加入自主合成添加劑α，通過加熱溶解，制得液態(tài)冷補(bǔ)瀝青液。通過試驗(yàn)確定了最佳冷補(bǔ)液類型為B，最佳摻量為14%；以AC-13型和LB-13型級配驗(yàn)證冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度特性和路用性能，提出了冷補(bǔ)瀝青混合料馬歇爾初始穩(wěn)定度應(yīng)≥2.5 kN，馬歇爾成型穩(wěn)定度應(yīng)≥4.5 kN，殘留穩(wěn)定度應(yīng)≥75%及凍融劈裂強(qiáng)度比應(yīng)≥70%，破壞應(yīng)變≥2 000 με，破損率應(yīng)≤15%的要求。

關(guān)鍵詞：冷補(bǔ)瀝青混合料；冷補(bǔ)瀝青液；強(qiáng)度特性；路用性能

中圖分類號(hào)：U416.217

0 引言

瀝青路面在外界環(huán)境及荷載作用下會(huì)產(chǎn)生車轍、裂縫及坑槽等嚴(yán)重影響行車安全與舒適性的病害^［1］。目前熱拌瀝青混合料修補(bǔ)坑槽過程中存在能耗高、污染大等缺點(diǎn)，且瀝青是一種黏彈性材料，施工受到溫度與季節(jié)的限制^［2-4］，為解決此類問題，冷補(bǔ)瀝青混合料應(yīng)運(yùn)而生。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對冷補(bǔ)瀝青混合料的研究主要集中在添加劑的研發(fā)和工藝優(yōu)化兩方面。自Cho Young S等^［5］提出以煤油、柴油和汽油作為瀝青稀釋劑以來，英國Emcol公司便以石油為稀釋劑制備冷補(bǔ)瀝青，該產(chǎn)品具有修補(bǔ)速度快、可存儲(chǔ)、成本低及施工溫度范圍廣（-45 ℃～54 ℃）等優(yōu)點(diǎn)^［6］；耿立濤等^［7］基于當(dāng)前冷補(bǔ)瀝青混合料粘聚性較差的缺陷，通過以柴油為稀釋劑的化學(xué)合成方式研制出一種溶劑型冷補(bǔ)瀝青（SCPA），在溫度穩(wěn)定性、與集料的粘附性、混合料粘聚性及拉伸強(qiáng)度上均有明顯改善；馬全紅等^［8］采用礦質(zhì)黏土和稀釋劑制備冷補(bǔ)瀝青混合料，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了混合料的路用性能，提出以柴油-重油作為最佳稀釋劑配合礦質(zhì)黏土使用可取得良好效果。

雖然制備冷補(bǔ)瀝青混合料的方式各異，但大多數(shù)制備工藝復(fù)雜，且沒有完善的評價(jià)體系，限制了其推廣與使用?；诖耍疚膶⑺刑砑觿┲瞥梢环N冷補(bǔ)液，在一定溫度下與基質(zhì)瀝青混合制成冷補(bǔ)瀝青，以簡化冷補(bǔ)瀝青的制備工藝，并提出適用于冷補(bǔ)瀝青混合料的評價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青

冷補(bǔ)瀝青由基質(zhì)瀝青、稀釋劑和添加劑等按照一定比例配制而成。根據(jù)所在地的氣候條件，冷補(bǔ)瀝青可選用70#～110# A級道路石油瀝青。本文選取70#基質(zhì)瀝青為原料瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.1.2 稀釋劑

通常將汽油、煤油、柴油和無水乙醇等有機(jī)溶劑作為稀釋劑加入瀝青中降低其黏度，以保證瀝青混合料的施工和易性。本文選擇揮發(fā)慢、閃點(diǎn)高、易儲(chǔ)存的0#柴油作為稀釋劑，以提高基質(zhì)瀝青的流動(dòng)性和促進(jìn)界面融合^［9］。

1.1.3 添加劑

添加劑的實(shí)質(zhì)是通過對瀝青進(jìn)行改性，從而加強(qiáng)冷補(bǔ)瀝青混合料與原路面的結(jié)合，使混合料強(qiáng)度達(dá)到路用要求^［10］。目前添加劑主要包括橡膠、樹脂和礦質(zhì)黏土。本文采用實(shí)驗(yàn)室自主合成的添加劑α。

1.1.4 集料及其級配

本文所用集料為石灰?guī)r，技術(shù)指標(biāo)如下頁表2～3所示，礦粉技術(shù)指標(biāo)如下頁表4所示。

本文采用AC-13和LB-13型礦料級配進(jìn)行冷補(bǔ)瀝青混合料級配設(shè)計(jì)，級配曲線如下頁圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 冷補(bǔ)瀝青性能測試

為獲得柴油和添加劑α的最佳摻量，設(shè)計(jì)并制備多組冷補(bǔ)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行60 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和粘附性測試。

1.2.1.1 冷補(bǔ)液及冷補(bǔ)瀝青的制備

將裝有100 g柴油的圓底燒瓶置于40 ℃磁力攪拌器上，設(shè)置轉(zhuǎn)速為120 r/min對其加熱攪拌，攪拌的同時(shí)加入稱量好的添加劑α，添加完成后繼續(xù)攪拌1 h，同時(shí)利用直流冷凝管對其冷卻回流，冷卻后即制得冷補(bǔ)液。

將基質(zhì)瀝青加熱至140 ℃～150 ℃后加入定量的冷補(bǔ)液，用玻璃棒攪拌均勻后即制得冷補(bǔ)瀝青，之后保溫待用。

1.2.1.2 瀝青黏度

選用三種類型配比和8%、10%、12%、14%及16%五種摻量，采用60 ℃旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)研究冷補(bǔ)瀝青黏度變化規(guī)律和冷補(bǔ)液最佳摻量。冷補(bǔ)液配比如表5所示。

1.2.1.3 與集料的粘附性

瀝青混合料的性能很大程度上取決于瀝青與集料的粘附性。本文采用水煮法評價(jià)冷補(bǔ)瀝青與集料的粘附性。

1.2.2 冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度特性

初步確定AC-13和LB-13的最佳瀝青用量分別為5.58%和5.3%，采用初始穩(wěn)定度試驗(yàn)確定最佳冷補(bǔ)液及其最佳含量，并在該最佳含量下測試?yán)溲a(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度特性。

1.2.2.1 冷補(bǔ)瀝青混合料的制備

在“熱油冷料”的條件下，先將粗集料和冷補(bǔ)瀝青加入拌和機(jī)中拌和90 s，再將細(xì)集料與礦粉一起加入拌和機(jī)中拌和300 s，自動(dòng)拌和完成后即制得冷補(bǔ)瀝青混合料。

1.2.2.2 冷補(bǔ)液及其最佳摻量確定

冷補(bǔ)瀝青路面須具備一定的強(qiáng)度來抵抗車輛荷載作用，進(jìn)而保證早期開放交通時(shí)路面不被破壞^［11］。本文選用LB-13型級配進(jìn)行混合料的初始穩(wěn)定度試驗(yàn)。

1.2.2.3 馬歇爾穩(wěn)定度

粱建生等^［12］提出冷補(bǔ)瀝青混合料初期穩(wěn)定度應(yīng)≥2 kN，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）^［13］中規(guī)定混合料成型穩(wěn)定度應(yīng)≥3 kN。本文采用AC-13和LB-13兩種級配，選取最佳油石比和不同冷補(bǔ)液制備瀝青混合料，并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。

1.2.3 冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能

采用最佳冷補(bǔ)液，并在其最佳摻量下，參考規(guī)范測試瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫性能和粘聚性。

1.2.3.1 水穩(wěn)定性

現(xiàn)有規(guī)范中并沒有對冷補(bǔ)瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行要求，但較多研究人員提出殘留穩(wěn)定度應(yīng)≥75%及凍融劈裂強(qiáng)度比≥70%的要求^［14］，本文參照該要求，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)測試混合料的水穩(wěn)定性。

1.2.3.2 低溫性能

在低溫環(huán)境下瀝青逐漸變脆，瀝青混合料易出現(xiàn)裂縫，基于此，本文參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行混合料低溫彎曲試驗(yàn)。

1.2.3.3 粘聚性

為防止新舊路面接縫處的混合料在雨水和荷載的反復(fù)作用下產(chǎn)生剝離脫落，冷補(bǔ)瀝青混合料應(yīng)具有一定的粘聚性。本文參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），同時(shí)結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)的混合料粘聚性試驗(yàn)^［15］。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷補(bǔ)瀝青性能測試結(jié)果

2.1.1 瀝青黏度

60 ℃旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著A、B、C三種冷補(bǔ)液摻量的增加，冷補(bǔ)瀝青60 ℃黏度也逐漸增加；在相同摻量下，三種冷補(bǔ)瀝青60 ℃黏度大小排序?yàn)?C型gt;B型gt;A型。當(dāng)冷補(bǔ)液摻量介于14%～16%時(shí)，三種冷補(bǔ)瀝青的60 ℃黏度變化均較小。SHRP瀝青規(guī)范中提出瀝青135 ℃黏度≤3 Pa·s^［16］，考慮到冷補(bǔ)瀝青混合料的施工條件較熱拌瀝青更為嚴(yán)苛，本文建議冷補(bǔ)瀝青60 ℃黏度應(yīng)≤2.5 Pa·s。

2.1.2 與集料的粘附性

水煮法試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，三種類型的冷補(bǔ)瀝青與集料的粘附性等級均滿足不低于4級的要求。在粘附性試驗(yàn)中，由于作為稀釋劑，在試驗(yàn)過程中會(huì)有一定溢出和揮發(fā)，對瀝青的粘附性有一定的降低作用。因此，本文建議冷補(bǔ)瀝青混合料的粘附性等級應(yīng)為最高級5級。

2.2 冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度特性

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著冷補(bǔ)液摻量的增加，冷補(bǔ)瀝青混合料的初始穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。分析原因可知，當(dāng)冷補(bǔ)液摻量較低時(shí)，冷補(bǔ)瀝青黏度較大，易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)，難以拌和，此時(shí)混合料初始穩(wěn)定度不足。摻量達(dá)到一定值后，礦粉與瀝青發(fā)生交互作用形成結(jié)構(gòu)瀝青，使得瀝青混合料初始強(qiáng)度增加，但當(dāng)冷補(bǔ)液增加到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)瀝青轉(zhuǎn)換為自由瀝青，馬歇爾穩(wěn)定度下降

A型、B型、C型冷補(bǔ)液摻量分別達(dá)到12%、14%、14%時(shí)，各自初始穩(wěn)定度達(dá)到最大值，分別為2.65kN、3.15kN、3.07kN。通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入14%的B型冷補(bǔ)液時(shí)，冷補(bǔ)瀝青混合料和易性較好，初始穩(wěn)定度最大。

綜合考慮冷補(bǔ)瀝青60 ℃黏度、與集料的粘附性和初始馬歇爾穩(wěn)定度，最終確定冷補(bǔ)液為B型，摻量為14%。

2.3 冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能

2.3.1 水穩(wěn)定性

2.3.1.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

由表7可知，兩種級配的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度均＞75%。AC-13型混合料的馬歇爾強(qiáng)度＞LB-13型。對比后建議冷補(bǔ)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度應(yīng)≥75%。

2.3.1.2 凍融劈裂試驗(yàn)

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）進(jìn)行混合料的凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

由表8可知，AC-13型比LB-13型混合料劈裂強(qiáng)度比大。兩種級配的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比均＞70%，符合對普通熱拌瀝青混合料的要求。對比后建議冷補(bǔ)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比應(yīng)≥70%。

2.3.2 低溫性能

混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

由表9知，兩種類型的冷補(bǔ)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度都達(dá)到了2 000με，AC-13型冷補(bǔ)瀝青混合料的破壞應(yīng)變大于LB-13型，說明其低溫性能優(yōu)于LB-13型。對比后本文建議冷補(bǔ)瀝青混合料的破壞應(yīng)變應(yīng)≥2 000 με。

2.3.3 粘聚性

粘聚性試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

由表10可知，兩種級配的冷補(bǔ)瀝青混合料的破損率均滿足規(guī)范要求。從滿足使用性能要求及技術(shù)難度兩方面均衡考慮，建議選用破損率作為冷補(bǔ)瀝青與集料之間粘聚性的評價(jià)指標(biāo)，且破損率應(yīng)≤15%。

3 結(jié)語

（1）摻加14% B型冷補(bǔ)液的冷補(bǔ)瀝青混合料綜合性能最優(yōu)。

（2）建議冷補(bǔ)瀝青60 ℃黏度應(yīng)≤2.5 Pa·s，冷補(bǔ)瀝青混合料的粘附性等級應(yīng)為5級。

（3）建議冷補(bǔ)瀝青混合料的初始穩(wěn)定度應(yīng)≥2.5 kN，成型穩(wěn)定度應(yīng)≥4.5 kN；冷補(bǔ)瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度應(yīng)≥75%，劈裂強(qiáng)度比應(yīng)≥70%。冷補(bǔ)瀝青混合料破壞應(yīng)變應(yīng)≥2 000 με?？蛇x用破損率作為冷補(bǔ)瀝青與集料之間粘聚性的評價(jià)指標(biāo)，且破損率應(yīng)≤15%。

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收稿日期：2023-04-17