冷補(bǔ)瀝青的材料設(shè)計(jì)及其混合料性能研究*

徐 文 汪美慧 羅 蓉 郭秀林 王 肖

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)

0 引 言

坑槽是瀝青路面常見(jiàn)的病害形式之一，主要產(chǎn)生于雨季或者冬季凍融后，若未及時(shí)修補(bǔ)，在車(chē)輛荷載的重復(fù)作用下會(huì)繼續(xù)惡化，嚴(yán)重影響行車(chē)舒適性與道路的服役壽命[1].坑槽的修補(bǔ)主要包括熱補(bǔ)和冷補(bǔ)兩種方法，而冷補(bǔ)法具有施工速度快、操作簡(jiǎn)便，并且節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì).冷補(bǔ)瀝青混合料主要包括稀釋瀝青混合料[2-3]、乳化瀝青混合料[4]和反應(yīng)樹(shù)脂型混合料三種形式.乳化瀝青混合料可儲(chǔ)存性能差，一般在氣溫低于5 ℃以下或者雨天不能施工[5]，反應(yīng)樹(shù)脂型混合料價(jià)格昂貴，而稀釋瀝青混合料能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是我國(guó)冷補(bǔ)料的主要類(lèi)型.國(guó)內(nèi)關(guān)于冷補(bǔ)料的設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)并不夠系統(tǒng)和完善，而且相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，不能兼顧冷補(bǔ)料的施工和易性及強(qiáng)度形成時(shí)間，同時(shí)冷補(bǔ)料依舊存在抗水損害能力和耐久性不足等問(wèn)題，造成修補(bǔ)后路面再次出現(xiàn)病害[6-10].本文通過(guò)對(duì)冷補(bǔ)材料的組成特點(diǎn)、強(qiáng)度形成機(jī)理、冷補(bǔ)液性能評(píng)價(jià)方法、技術(shù)指標(biāo)以及混合料路用性指標(biāo)要求進(jìn)行研究，并通過(guò)對(duì)原材料的優(yōu)選和配合比設(shè)計(jì)，研發(fā)一種高性能的冷補(bǔ)瀝青混合料.

1 原材料

1.1 瀝青

為獲得較好的施工及易性和疏松性能，冷補(bǔ)瀝青易采用低稠度瀝青合成.同時(shí)考慮到冷補(bǔ)瀝青合成溫度的控制，選用湖北國(guó)創(chuàng)90#石油瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 90#瀝青基本指標(biāo)

為保證冷補(bǔ)料常溫下的工作性能，基質(zhì)瀝青中必須添加一定量的稀釋劑來(lái)降低其黏度.根據(jù)相似性相容原理，常用的瀝青稀釋劑包括汽油、柴油和煤油等.其中柴油閃點(diǎn)最高、揮發(fā)性適中[11]，為了兼顧冷補(bǔ)料的儲(chǔ)存性能和安全性，選擇當(dāng)?shù)丶佑驼酒毡槭褂玫?號(hào)柴油作為稀釋劑.

1.3 添加劑

針對(duì)冷補(bǔ)液與集料黏附性不足的問(wèn)題，選擇摻入抗剝落劑來(lái)提高兩者間的物理和化學(xué)吸附力，從而提高冷補(bǔ)料的抗水損害能力.稀釋劑最終會(huì)部分殘留在基質(zhì)瀝青中，破壞了其性能[12]，為提高冷補(bǔ)料的強(qiáng)度，選擇摻入增黏樹(shù)脂來(lái)提高混合料強(qiáng)度和耐久性能.選取K1(胺類(lèi))和K2(非胺類(lèi))兩種抗剝落劑，N1(淺黃色固體)和N2(墨綠色固體)兩種樹(shù)脂作為添加劑，見(jiàn)圖1.

圖1 添加劑

1.4 集料與級(jí)配

集料選擇潔凈、干燥，具有良好顆粒形狀的石灰?guī)r.冷補(bǔ)瀝青黏度不高，對(duì)粗集料的握裹力有限，因此，需要控制最大粒徑，見(jiàn)圖2.兩種類(lèi)型級(jí)配的公稱(chēng)最大粒徑為10 mm，并以前期大量試驗(yàn)為基礎(chǔ)確定了兩種級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn).

表2 礦料級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

2.1 冷補(bǔ)瀝青及其混合料的制備

將90號(hào)基質(zhì)瀝青在烘箱中預(yù)熱至125 ℃，然后放入加熱套中保持恒溫，并利用數(shù)顯恒速電動(dòng)攪拌器低速攪拌，接著按比例加入增黏樹(shù)脂，并提高轉(zhuǎn)速攪拌10 min，然后按比例加入抗剝落劑，繼續(xù)高速攪拌10 min，停止加熱并按比例加入柴油，繼續(xù)攪拌15 min，接著低速攪拌5 min，以便排出氣泡使其均勻、穩(wěn)定，其中高速攪拌速度控制基準(zhǔn)為反應(yīng)物產(chǎn)生旋渦但不飛濺.將按合成級(jí)配稱(chēng)取的集料加熱至75 ℃，并稱(chēng)取一定量的冷補(bǔ)瀝青液，通過(guò)小型攪拌桶將兩者混合均勻，即獲得冷補(bǔ)瀝青混合料.冷補(bǔ)瀝青液及其混合料制備工藝見(jiàn)圖2.

圖2 冷補(bǔ)瀝青及其混合料制備工藝

2.2 冷補(bǔ)瀝青性能測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)[9]測(cè)定冷補(bǔ)瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度和(與集料)黏附性.為研究冷補(bǔ)瀝青的揮發(fā)性能，采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱進(jìn)行溫度的控制，使其獲得相對(duì)一樣的揮發(fā)速率，同時(shí)分別在25 ℃和110 ℃環(huán)境下固化，研究冷補(bǔ)瀝青早期和最終的揮發(fā)性能，圖3為揮發(fā)試驗(yàn)用鐵盤(pán)和試驗(yàn)過(guò)程.具體操作方法如下：使用同種圓盤(pán)，在圓盤(pán)中澆入一定量冷補(bǔ)液，使冷補(bǔ)液在盤(pán)底能夠形成一薄層，稱(chēng)取其總質(zhì)量；然后將裝有冷補(bǔ)液的圓盤(pán)放置在25 ℃和110 ℃烘箱中保溫3 d和7 d，取出分別稱(chēng)取其質(zhì)量；通過(guò)計(jì)算可以得到冷補(bǔ)液的質(zhì)量損失率.考慮到冷補(bǔ)料減少的質(zhì)量主要來(lái)自溶劑揮發(fā)的質(zhì)量，為了驗(yàn)證其正確性，本文將冷補(bǔ)料制成馬歇爾試件，然后分別放入25 ℃和110 ℃的烘箱中保溫3 d，計(jì)算其質(zhì)量損失率.

圖3 揮發(fā)試驗(yàn)用鐵盤(pán)和試驗(yàn)過(guò)程

2.3 冷補(bǔ)瀝青混合料的性能檢測(cè)

參照文獻(xiàn)[5]測(cè)定冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度.參照文獻(xiàn)[11]測(cè)定冷補(bǔ)瀝青混合料低溫和易性.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

冷補(bǔ)瀝青黏度是影響冷補(bǔ)料施工和易性、壓實(shí)性和強(qiáng)度的重要因素，而冷補(bǔ)瀝青黏度與各組分摻量直接相關(guān).本文通過(guò)控制柴油的摻量、樹(shù)脂種類(lèi)與摻量、抗剝落劑種類(lèi)與摻量，制備冷補(bǔ)瀝青并分別測(cè)其在50、60和70 ℃的旋轉(zhuǎn)黏度.圖4為不同柴油摻量稀釋瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度變化，其中A為柴油與基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比，η為旋轉(zhuǎn)黏度.由圖4可知，摻入柴油后基質(zhì)瀝青的黏度急劇降低.柴油摻量每增加2%，三種遞增溫度下測(cè)試的黏度平均降低分別為31%，28.5%和26%，表明隨著柴油用量的增加，各溫度下黏度減小的速率一致，且溫度越低，變化越明顯.分別對(duì)η和A取對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合，R2均達(dá)到0.99以上，因此，可以通過(guò)該方法獲得的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出冷補(bǔ)瀝青不同配比和溫度下的旋轉(zhuǎn)黏度,見(jiàn)圖5.由圖5可知，保持基質(zhì)瀝青、柴油與K2質(zhì)量比為100∶28∶0.4不變，由同質(zhì)量比的樹(shù)脂N1和N2制備的冷補(bǔ)瀝青黏度相差不大，樹(shù)脂N1的增黏效果優(yōu)于N2，三個(gè)遞增溫度下黏度差分別為345、130和47 mPa·s，因此，后續(xù)試驗(yàn)將采用樹(shù)脂N1進(jìn)行.抗剝落劑種類(lèi)不同，對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度影響較小，同時(shí)對(duì)于抗剝落劑K2的用量增加0.1個(gè)百分點(diǎn)，在三個(gè)遞增溫度下黏度分別增大了4.3%、3.8%和4.9%，據(jù)研究非胺類(lèi)抗剝落劑熱穩(wěn)定性較好，后續(xù)采用抗剝落劑K2進(jìn)行試驗(yàn).由上述分析可知，各因素對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響程度為柴油>樹(shù)脂>抗剝落劑，因此，為了保證冷補(bǔ)瀝青的黏度，就必須控制好柴油和樹(shù)脂用量.分別以樹(shù)脂用量和柴油用量為控制指標(biāo)，研究冷補(bǔ)瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度，見(jiàn)圖6.對(duì)溫度和黏度取對(duì)數(shù)得到黏溫曲線(xiàn)，線(xiàn)性擬合R2均達(dá)到0.98，因此可以采用數(shù)學(xué)公式計(jì)算冷補(bǔ)瀝青的黏度.SHRP瀝青結(jié)合料性能規(guī)范中提出了對(duì)改性瀝青135 ℃黏度不得超過(guò)3 Pa·s的技術(shù)要求，夏冬[12]研究冷補(bǔ)液的60 ℃黏度不應(yīng)超過(guò)2 Pa·s，考慮到冷補(bǔ)瀝青是在常溫下施工，因此本文建議60 ℃黏度不超過(guò)2 Pa·s.

圖4 不同柴油摻量稀釋瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度變化

圖5 樹(shù)脂與抗剝落劑種類(lèi)與摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響

圖6 柴油和樹(shù)脂用量對(duì)冷補(bǔ)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的影響

3.2 黏附性試驗(yàn)

取粒徑13.2～19 mm形狀接近立方體的規(guī)則石灰石和礫石洗凈烘干，與不同配比的冷補(bǔ)瀝青進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，見(jiàn)表3.由表3可知，冷補(bǔ)瀝青與石灰石的黏附性較好，未加樹(shù)脂和抗剝落劑時(shí)的黏附性等級(jí)達(dá)到4級(jí)，而與礫石黏附性較差，加入樹(shù)脂和抗剝落劑后冷補(bǔ)瀝青與石灰石黏附等級(jí)達(dá)到5級(jí)，與礫石黏附性等級(jí)逐漸提高并最終達(dá)到4級(jí)，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩種集料表面的瀝青膜厚度也逐漸增大，因此，樹(shù)脂和抗剝落劑對(duì)冷補(bǔ)液與集料的黏附性都具有重要影響.另外，礫石在水中浸煮過(guò)程中，從瀝青膜內(nèi)部產(chǎn)生了氣泡，并將部分瀝青帶到水面，并有不規(guī)則的彩色漂浮物，可以斷定加熱使柴油揮發(fā)，部分瀝青膜為柴油所移動(dòng)，并非全部為水所移動(dòng)，因此，水煮法并不能?chē)?yán)格有效的評(píng)價(jià)冷補(bǔ)瀝青與集料的黏附性.為了提高冷補(bǔ)瀝青混合料抵抗水損害的能力，建議冷補(bǔ)液黏附等級(jí)不小于5級(jí).

表3 冷補(bǔ)瀝青與集料的黏附性等級(jí)

3.3 揮發(fā)性試驗(yàn)

溫度與時(shí)間是影響稀釋劑揮發(fā)的關(guān)鍵，隨著稀釋劑的揮發(fā)混合料的強(qiáng)度逐漸增大，見(jiàn)圖7.由圖7a)可知，在25 ℃條件下，冷補(bǔ)液質(zhì)量在前3 d損失得比較快，1周之后冷補(bǔ)液質(zhì)量基本趨于穩(wěn)定，且柴油摻量越多，冷補(bǔ)液質(zhì)量損失越大.由圖7b)可知，在110 ℃條件下，冷補(bǔ)液質(zhì)量損失在前3 d非?？欤降? d左右基本保持不變，揮發(fā)性趨于穩(wěn)定，且柴油與瀝青比例越大，揮發(fā)質(zhì)量越多.由圖7可知，溫度越高，稀釋瀝青揮發(fā)速度越快，并且揮發(fā)損失率越高.表4為冷補(bǔ)料質(zhì)量變化，由表4可知，冷補(bǔ)料在110 ℃時(shí)質(zhì)量損失要比在25 ℃時(shí)要大，這與冷補(bǔ)液的揮發(fā)性規(guī)律一致，由于瀝青在110 ℃下發(fā)生老化較慢，輕質(zhì)組分揮發(fā)較少，因此，冷補(bǔ)瀝青混合料的質(zhì)量損失主要來(lái)自于稀釋劑的揮發(fā).另外，隨著樹(shù)脂用量的增多，冷補(bǔ)料質(zhì)量損失率減小，分析原因可能是由于樹(shù)脂增多，樹(shù)脂與稀釋劑混合均勻時(shí)處于游離狀態(tài)稀釋劑較小，因此，揮發(fā)量較小.冷補(bǔ)液的揮發(fā)性試驗(yàn)及其指標(biāo)的控制，能夠代表冷補(bǔ)料的揮發(fā)性與強(qiáng)度形成規(guī)律.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[13]，本文建議冷補(bǔ)液3 d的質(zhì)量損失率不超過(guò)0.8%.

圖7 不同溫度下稀釋瀝青揮發(fā)性試驗(yàn)

表4 冷補(bǔ)料質(zhì)量變化

3.4 冷補(bǔ)料強(qiáng)度試驗(yàn)

3.4.1兩種級(jí)配的冷補(bǔ)料性能

冷補(bǔ)料普遍存在的一個(gè)問(wèn)題就是初始強(qiáng)度低，為了保證冷補(bǔ)料在修補(bǔ)坑槽后的初期不致產(chǎn)生推移、擁包等現(xiàn)象，必須控制冷補(bǔ)瀝青混合料的初始強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外對(duì)冷補(bǔ)瀝青初始強(qiáng)度控制約為2 kPa.同時(shí)為了保證混合料的最終強(qiáng)度，施工規(guī)范要求冷補(bǔ)料的成型強(qiáng)度不小于3 kN.采用表2中的兩種級(jí)配，分別在6%和6.5%用油量下制備馬歇爾試件，然后測(cè)其初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5.結(jié)果表明，兩種級(jí)配制備的混合料均能滿(mǎn)足要求，并且成型強(qiáng)度遠(yuǎn)大于3 kN，因此本文建議冷補(bǔ)料的初始強(qiáng)度大于3 kN，成型強(qiáng)度大于5 kN，同時(shí)混合料級(jí)配選用LP-10型進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

表5 兩種級(jí)配的混合料性能

3.4.2礦粉用量對(duì)性能影響

礦粉用量越大，能使更多的瀝青成為結(jié)構(gòu)瀝青，混合料的強(qiáng)度也就越大，但是其施工和易性變差，同時(shí)不利于儲(chǔ)存.為了確定礦粉用量，在保持冷補(bǔ)液種類(lèi)和用油量不變的情況下，制備出不同礦粉含量的冷補(bǔ)料，然后進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)與施工和易性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6.結(jié)果表明，隨著礦粉用量的增加，冷補(bǔ)瀝青混合料的初期強(qiáng)度逐步提高，然而混合料的施工和易性在逐漸變差.檔礦粉含量為2%和4%時(shí)，混合料的施工和易性較好，但含量為6%時(shí)，和易性已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足施工要求.因此，根據(jù)實(shí)際拌和和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，初擬礦粉含量為4%.

表6 不同礦粉用量的冷補(bǔ)料性能 (級(jí)配：LP-10)

3.4.3稀釋劑摻量對(duì)性能影響

在前文的研究基礎(chǔ)上，采用表2中LP-10的級(jí)配類(lèi)型，礦粉用量為4%，稀釋劑柴油的摻量分別為20%,22%,24%和28%，進(jìn)行混合料的制備，并對(duì)其常溫和易性、強(qiáng)度以及低溫和易性進(jìn)行研究.表7為不同柴油用量下混合料的常溫施工和易性與低溫施工和易性結(jié)果，隨著柴油摻量的增加，混合料的可操作性能越好，表面也越光亮.常溫下，當(dāng)摻量為20%時(shí)，混合料干燥并且結(jié)團(tuán)，較難打開(kāi).低溫和易性試驗(yàn)方法為：制備不同柴油產(chǎn)量的冷補(bǔ)料然后用塑料袋將其密封好，放進(jìn)-5 ℃的冰箱中24 h，再取出，看是否能用鐵鏟方便地拌和操作.結(jié)果表明，混合料的低溫和易性與常溫和易性變化趨勢(shì)一致，柴油摻量在22%～28%之間時(shí)，冷補(bǔ)料具有較好的低溫施工和易性.圖8為不同柴油用量下冷補(bǔ)料的強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果表明，混合料的初始強(qiáng)度很接近，因?yàn)榛旌狭系某跏紡?qiáng)度主要是由集料間的內(nèi)摩阻力提供，黏聚力對(duì)初始強(qiáng)度的影響較小.隨著柴油摻量的增大，混合料的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)摻有摻量從24%增加至28%時(shí)，強(qiáng)度減小幅度變大.同時(shí)，柴油摻量在20%～24%時(shí)，混合料的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度分別大于3和5 kN.為兼顧冷補(bǔ)料的強(qiáng)度與較好的施工和易性，本文最終確定柴油摻量為24%.

表7 不同柴油用量施工和易性

圖8 不同柴油用量冷補(bǔ)料的強(qiáng)度

3.5 最佳有效瀝青用量

添加劑的使用，能有效的增強(qiáng)瀝青與集料的黏附性，以及瀝青膜厚度，綜合前文的研究基礎(chǔ)，本文確定樹(shù)脂N1和抗剝落劑K2的摻量分別為5%和0.5%.瀝青膜厚度直接影響到混合料的各種性能，用油量過(guò)大，會(huì)造成混合料結(jié)塊以及析漏現(xiàn)象；用油量過(guò)少，集料不能被完全裹附，容易產(chǎn)生弱界面層，耐久性較差.因此，控制瀝青膜厚度顯得尤為重要.本文首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式法估測(cè)最佳瀝青用量，按照式(1)計(jì)算出的最佳油石比P=5.721%.需注意的是，混合料中起黏結(jié)作用的是冷補(bǔ)瀝青中的有效瀝青，稀釋劑不起黏結(jié)作用，所以按照瀝青膜厚度理論計(jì)算所得的P應(yīng)為有效瀝青用量.對(duì)P取整，擬定有效瀝青用量為6%，然后控制其他條件不變，以 5.5%,6%,6.5%的有效瀝青用量進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9.試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著瀝青用量的增加，混合料的強(qiáng)度先增加后減小，可以確定最佳有效瀝青用量約為6%，同時(shí)證明了式(1)在初步估算冷補(bǔ)瀝青用量的有效性.

P=0.021A+0.056B+

0.099C+0.12D+1.2

(1)

式中：P為冷補(bǔ)瀝青混合料結(jié)合料用量，%；A為大于2.36 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；B為0.3～2.36 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；C為0.075～0.3 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；D為小于0.75 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.

圖9 不同油石比下冷補(bǔ)料的強(qiáng)度

4 結(jié) 論

1) 由旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)可知，各因素對(duì)冷補(bǔ)瀝青黏度的影響程度為柴油>樹(shù)脂>抗剝落劑，為保證冷補(bǔ)瀝青的黏度，就必須控制好柴油和樹(shù)脂用量；數(shù)據(jù)擬合表明黏度與各組分摻量具有良好的數(shù)學(xué)關(guān)系，可通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出不同摻量下的冷補(bǔ)液粘度；本文建議冷補(bǔ)液60 ℃旋轉(zhuǎn)粘度不大于2 Pa·s.

2) 由黏附性試驗(yàn)表明，樹(shù)脂與抗剝落劑能夠有效提高冷補(bǔ)液與集料的黏附性以及瀝青膜厚度； 由于稀釋劑的影響，水煮法評(píng)價(jià)冷補(bǔ)液與集料的黏附性具有局限性；本文建議冷補(bǔ)液與集料的黏附等級(jí)不小于5級(jí).

3) 由揮發(fā)性試驗(yàn)表明，無(wú)論是25 ℃還是110 ℃，冷補(bǔ)液質(zhì)量在前3 d損失較快，7 d基本穩(wěn)定，且柴油摻量越多，冷補(bǔ)液質(zhì)量損失越大；本文建議冷補(bǔ)液3 d的質(zhì)量損失率不超過(guò)0.8%.

4) 通過(guò)正交試驗(yàn)，確定了新型冷補(bǔ)液的各組分質(zhì)量比，基質(zhì)瀝青：柴油：N1∶K2=100∶24∶5∶0.5，冷補(bǔ)料的級(jí)配采用LP-10，有效瀝青用量為6%，礦粉用量為4%，以此制備的冷補(bǔ)料具有優(yōu)良的初始強(qiáng)度、成型強(qiáng)度以及低溫施工和易性.

5)由于時(shí)間與文章篇幅有限，本文主要對(duì)冷補(bǔ)料的強(qiáng)度與施工和易性進(jìn)行了研究，后續(xù)將進(jìn)一步研究冷補(bǔ)料在抗車(chē)轍和抗水損害方面的性能.