公路養(yǎng)護(hù)中冷補(bǔ)瀝青混合料的應(yīng)用

黃強(qiáng)

（贛州市公路發(fā)展中心瑞金分中心，江西 瑞金 342500）

0 引言

冷補(bǔ)瀝青混合料主要由瀝青、級配集料、冷補(bǔ)添加劑及稀釋劑等拌制而成，通過混合中冷補(bǔ)瀝青組分配比的調(diào)整，可以滿足不同季節(jié)、不同溫度環(huán)境下的施工需要，尤其適用于低溫季節(jié)及雨雪天氣病害路段的修補(bǔ)。現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50—2017）以及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）對冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能試驗(yàn)方法的規(guī)定較為籠統(tǒng)，已經(jīng)無法滿足冷補(bǔ)瀝青混合料在我國中西部地區(qū)病害瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)方面的需要。為此，必須結(jié)合相關(guān)實(shí)踐，加強(qiáng)對冷補(bǔ)瀝青混合料低溫黏聚性、成型穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度、浸水殘留穩(wěn)定度等性能參數(shù)的試驗(yàn)與控制，從而為提升冷補(bǔ)瀝青路面養(yǎng)護(hù)施工效果提供保證。

1 冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度成型機(jī)理

冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度形成過程和熱瀝青混合料存在較大不同，冷補(bǔ)瀝青混合料主要使用的是熱塑性消失后的改性材料。在施工時，隨著攤鋪碾壓過程的進(jìn)行，冷補(bǔ)瀝青混合料被擠壓和填充至坑槽內(nèi)部各個縫隙，在此后的行車反復(fù)碾壓及自然蒸發(fā)的作用下，混合料中溶劑持續(xù)揮發(fā)，瀝青材料的黏稠度也因此提高，冷補(bǔ)瀝青混合料內(nèi)部的間隙持續(xù)減小，其中的集料顆粒更加均勻、緊湊分布。以上過程約為8d，在此期間，單位路面面積中的冷補(bǔ)瀝青混合料含量不斷增大，填補(bǔ)后的坑槽表面瀝青混合料綿軟的感覺將持續(xù)消失，并在此后的100d時間內(nèi)混合料強(qiáng)度持續(xù)增大，瀝青路面路用性能也達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[1]。

通過以上分析可以看出，冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度的形成分為兩個階段：一是因?yàn)r青材料的黏附性及混合料自身作用，礦料間黏聚力和黏附作用持續(xù)增大，并最終形成有機(jī)整體；二是行車反復(fù)碾壓的影響，使集料顆粒間的間隙持續(xù)減小，摩擦力和強(qiáng)度增大。通過以上兩個階段，冷補(bǔ)瀝青混合料形成初期強(qiáng)度，以承受行車荷載。

冷補(bǔ)瀝青混合料低溫和易性也被稱為混合料的疏松性。一般情況下瀝青混合料和易性是其材料攤鋪前以及攤鋪過程中攤鋪、碾壓施工難易程度的體現(xiàn)，如果冷補(bǔ)瀝青混合料易于鏟挖、刮平、壓實(shí)等操作，則表明其和易性較好。為使冷補(bǔ)瀝青混合料路面修補(bǔ)結(jié)束后能夠承載行車反復(fù)輪載，防止因混合料強(qiáng)度過低而引發(fā)混合料推移、擁包，必須保證冷補(bǔ)瀝青混合料達(dá)到設(shè)計(jì)初始強(qiáng)度。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某二級公路工程位于我國中西部地區(qū)，冬季寒冷，凍土區(qū)年最低溫度達(dá)到-14.5℃，該公路由于處于低溫環(huán)境，瀝青路面出現(xiàn)裂縫病害的可能性較大，裂縫遭遇雨雪侵蝕后，在行車荷載的反復(fù)碾壓作用下，引發(fā)坑槽、松散、唧漿。該公路段道路運(yùn)行形勢嚴(yán)峻，各養(yǎng)護(hù)路段跨度大、養(yǎng)護(hù)里程長，加之當(dāng)前公路管理部門配置的養(yǎng)護(hù)設(shè)備性能較低，養(yǎng)護(hù)任務(wù)十分艱巨。常規(guī)熱補(bǔ)技術(shù)在應(yīng)用過程中受冬季低溫環(huán)境的影響，導(dǎo)致熱拌瀝青難以正常使用。為此，對該病害路段采用冷補(bǔ)瀝青混合料養(yǎng)護(hù)工藝。

2.2 冷補(bǔ)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 原材料選用

該公路段冷補(bǔ)瀝青混合料生產(chǎn)主要使用基質(zhì)瀝青、礦料、稀釋劑和冷補(bǔ)添加劑等原料。以上原料按照一定配合比和制備溫度進(jìn)行拌制，所以混合料的性能在很大程度上取決于各原料性能。

（1）基質(zhì)瀝青：該公路段結(jié)合工程實(shí)際，采用AH-110#瀝青，瀝青材料25℃針入度為109.0（0.1mm），針入度指數(shù)-0.38，軟化點(diǎn)43.4℃，5℃延度為27.6cm，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱殘留物實(shí)驗(yàn)的針入度比為71.1%、15℃延度為81.4mm。各項(xiàng)性能均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2017）中提出的道路石油瀝青技術(shù)要求。

（2）礦料：該公路段使用工程所在地產(chǎn)細(xì)砂和礫石為集料，考慮工程所在地其余公路病害修補(bǔ)用熱拌瀝青混合料中通常不摻加礦粉，因此，該路段冷補(bǔ)瀝青混合料制備時也不使用礦粉，僅使用粒徑10～25mm的粗集料和粒徑3～5mm及0～3mm的細(xì)砂。集料篩分結(jié)果見表1。

表1 集料篩分結(jié)果

（3）稀釋劑：因冷補(bǔ)添加劑具有較大的初始黏度，不方便添加，因此在添加劑使用前必須通過符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的0#柴油作為稀釋劑進(jìn)行稀釋。該型號柴油閃點(diǎn)為63℃，20℃運(yùn)動黏度8mm2/s，冷濾點(diǎn)-1℃，20℃密度為0.87g/cm3，凝固點(diǎn)為-4℃。

（4）冷補(bǔ)添加劑：該病害路段養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)使用的是自主研發(fā)冷補(bǔ)添加劑，25℃黏度不高于1.5Pa.s，密度為0.915g/cm3，外觀形態(tài)為棕褐色液體，固含量不低于75%，閃點(diǎn)為170℃。

2.2.2 配合比設(shè)計(jì)

修補(bǔ)病害路段坑槽時應(yīng)結(jié)合坑槽深度確定冷補(bǔ)瀝青混合料配合比。對深度不大且病害不嚴(yán)重的坑槽應(yīng)采用細(xì)粒式冷補(bǔ)瀝青混合料，而對于深度大、病害面積大的坑槽，應(yīng)采用粗粒式或中粒式冷補(bǔ)瀝青混合料。冷補(bǔ)瀝青混合料在較低環(huán)境溫度下壓實(shí)后會存在較大孔隙率，坑槽底部冷補(bǔ)瀝青混合料因包含一定的稀釋劑成分，強(qiáng)度增長緩慢，所以對面積及深度較大的坑槽一次填補(bǔ)后，底部混合料強(qiáng)度低。為此，對于深度大的嚴(yán)重坑槽必須按照3～5cm的厚度分層攤鋪和碾壓，并加強(qiáng)混合料粒徑控制，深坑槽和淺坑槽修補(bǔ)粒徑應(yīng)不得超出13.2mm和4.75mm[4]。

根據(jù)試驗(yàn)，油石比取4.9%、5.2%和5.5%時的冷補(bǔ)瀝青混合料存儲后出現(xiàn)疏松性特征，且無明顯結(jié)團(tuán)，而油石比取5.8%和6.0%時混合料因?yàn)r青用量較大而出現(xiàn)不同程度的結(jié)團(tuán)。對油石比4.9%、5.2%和5.5%的混合料因?yàn)r青用量不同而具有不同的初始強(qiáng)度，并隨著瀝青用量的增加，其初始強(qiáng)度呈增大趨勢，且其穩(wěn)定度在瀝青用量為5.5%時達(dá)到最大。該公路兩種類型冷補(bǔ)瀝青混合料配比結(jié)果具體見表2。

表2 兩種類型冷補(bǔ)瀝青混合料配比

2.3 混合料生產(chǎn)

冷補(bǔ)瀝青混合料性能受到材料配比、材料性能、存儲方式以及混合料制備過程中的瀝青加熱溫度、礦料加熱溫度、拌和溫度等影響較大，為此必須從以上環(huán)節(jié)出發(fā)，保證冷補(bǔ)瀝青混合料品質(zhì)性能。

該病害路段采用生產(chǎn)能力20t的強(qiáng)制式間歇性熱拌瀝青拌和樓進(jìn)行冷補(bǔ)瀝青混合料生產(chǎn)，考慮添加劑具備較大的初始黏度，因此應(yīng)在拌和開始前先按設(shè)計(jì)要求稀釋添加劑。柴油添加劑用量為瀝青混合料的40%～60%。拌和前還必須全面調(diào)試拌和設(shè)備的性能，避免出現(xiàn)礦料級配大幅度波動。此次使用AH-110#瀝青，應(yīng)將瀝青加熱溫度控制在120～125℃，礦料由于含水量不高，加熱溫度應(yīng)為75～91℃。瀝青混合料拌和溫度應(yīng)控制在95℃左右，如果溫度過高，可能會破壞添加劑的有效成分，影響改性效果；引發(fā)添加劑中可燃物質(zhì)揮發(fā)，不利于施工安全。相反，如果混合料拌和溫度過低，則會因礦料含水量大或?yàn)r青黏度過高而降低瀝青和礦料之間的黏附性。待達(dá)到預(yù)定時間后出料，該公路冷補(bǔ)瀝青混合料的出料溫度應(yīng)不超出90～100℃的范圍。

2.4 混合料存儲

冷補(bǔ)瀝青混合料中包含的揮發(fā)性輕質(zhì)油分是保持該混合料路用性能的關(guān)鍵組分，如果將制備完成的混合料長期裸露放置，其中所含輕質(zhì)油分必將快速揮發(fā)，甚至因外接環(huán)境溫濕度、日照等條件的改變，使混合料出現(xiàn)黏結(jié)團(tuán)粒、結(jié)塊硬化，造成混合料無法使用。為此，必須加強(qiáng)冷補(bǔ)瀝青混合料的存儲，該病害路段可以采取的混合料存儲方式有兩種：一是長期袋裝存儲，二是短期堆放存儲。

2.5 冷補(bǔ)瀝青混合料施工

2.5.1 坑槽處理

在修補(bǔ)病害路面前必須對病害處開槽處理，在確定坑槽深度的基礎(chǔ)上，劃出平行或垂直于路面中心線的開槽修補(bǔ)線，并保證修補(bǔ)線每邊占據(jù)完好路面8～10cm，以確保將病害路面松散、破舊混合料徹底挖除。成型后的坑槽壁面應(yīng)垂直于路平面，坑槽底部的穩(wěn)定性和平整性應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，以準(zhǔn)確確定攤鋪施工量，增強(qiáng)冷補(bǔ)混合料和原路面結(jié)構(gòu)的黏結(jié)，防止養(yǎng)護(hù)結(jié)束后運(yùn)行過程中，修補(bǔ)過的路面在車輛荷載反復(fù)作用下剝離、脫落。該病害路段坑槽開挖采用切割機(jī)，在開挖前沿修補(bǔ)線先切割出整齊的切割縫，再通過破碎機(jī)破碎坑槽內(nèi)的舊瀝青混合料。

2.5.2 噴灑黏層油

通過破碎機(jī)和切割機(jī)將病害瀝青路面裂縫、坑洞、坑槽等部位開槽處理后，向坑槽壁面和底面均勻噴灑一層黏層油，將坑槽內(nèi)表面裸露的石料完全浸潤后再填補(bǔ)冷補(bǔ)瀝青混合料。

2.5.3 攤鋪

在攤鋪冷補(bǔ)瀝青混合料前應(yīng)根據(jù)待修補(bǔ)坑槽實(shí)際尺寸、體積及病害嚴(yán)重程度等，通過待修補(bǔ)坑槽體積與冷補(bǔ)瀝青混合料壓實(shí)成型后的實(shí)際密度、松鋪系數(shù)等準(zhǔn)確確定混合料投料量。按照確定出的量投料進(jìn)行坑槽攤鋪，保證填滿并攤鋪后的坑槽中央呈弧形，高度略高于四周路面。

考慮冷補(bǔ)瀝青混合料在施工初期強(qiáng)度低，產(chǎn)生車轍的可能性較大，為此在攤鋪過程中必須適當(dāng)減少混合料中的稀釋劑摻加量。松鋪系數(shù)的取值應(yīng)以坑槽攤鋪后高度超出原路面2.0～3.0cm為宜，此后在行車的反復(fù)碾壓下，稀釋劑逐漸揮發(fā)，冷補(bǔ)瀝青混合料的密實(shí)度、強(qiáng)度等也持續(xù)增大，按照現(xiàn)在的交通規(guī)模，該病害路段通車1年后修補(bǔ)路面高度將會下降，直至與原路面齊平。對深度超出5cm的坑槽，必須分成3～5層進(jìn)行修補(bǔ)，并分層攤鋪和壓實(shí)。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)該公路工程施工實(shí)踐并結(jié)合原材料市場價格變化，生產(chǎn)冷補(bǔ)瀝青混合料的原材料價格統(tǒng)計(jì)見表3。通過表中統(tǒng)計(jì)資料及分析結(jié)果可以看出，生產(chǎn)每噸冷補(bǔ)瀝青混合料所需原材料的價格為320.485元/t，比熱拌瀝青混合料高。

表3 生產(chǎn)冷補(bǔ)瀝青混合料的原材料價格

但是在冷補(bǔ)瀝青混合料施工過程中能耗將大幅降低，有助于能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)，并能一次性大規(guī)模生產(chǎn)，按要求儲存后隨用隨取。施工結(jié)束后可立即開放交通，對環(huán)境溫度較低的地區(qū)或時間段內(nèi)病害瀝青路面的養(yǎng)護(hù)十分適用。結(jié)合對病害路段的考察發(fā)現(xiàn)，冬季產(chǎn)生的坑槽等病害如果不及時修補(bǔ)，次年春季坑槽面積會快速擴(kuò)大，在雨雪等滲入坑槽地基后，會引發(fā)多坑槽聚集。

4 結(jié)語

綜上所述，冷補(bǔ)瀝青混合料強(qiáng)度及穩(wěn)定性好，在修補(bǔ)后能快速增強(qiáng)病害路面的整體性和耐久性，且待混合料攤鋪碾壓成型后即可開放交通；此外，冷補(bǔ)瀝青混合料生產(chǎn)及攤鋪碾壓過程中均無須進(jìn)行瀝青材料加熱，既能避免有害氣體的生成，又能避免施工中產(chǎn)生廢料，有助于節(jié)約能耗。最后，冷補(bǔ)瀝青混合料修補(bǔ)病害路面能夠真正實(shí)現(xiàn)全天候施工，施工過程可以擺脫材料供應(yīng)、運(yùn)輸條件、環(huán)境溫度等方面的限制，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。