浅析冷补沥青混合料强度形成机理

袁雅君

(乌鲁木齐公路管理局)

浅析冷补沥青混合料强度形成机理

袁雅君

(乌鲁木齐公路管理局)

首先介绍冷补沥青混合料的基本性能，并通过分析冷补材料的组成结构及特点，进而研究其强度形成机理，最后论证了它与矿粉用量、粘聚力、骨料的摩擦角的关系。

冷补沥青混合料;组成结构;强度机理

1 冷补沥青混合料基本性能

(1)沥青冷补液能全面裹覆潮湿或全湿的骨料;

(2)低温下的冷补材料的强度与水稳性依旧保持良好，从而有着较好的可施工性;

(3)即使路面坑洞蓄水，冷补沥青混合料的压实性也不受影响，能与路面紧密结合;

(4)冷补沥青混合料能不受坑洞的干燥、多尘等问题的干扰而粘结原有路面;

(5)在高温条件下，冷补沥青混合料有着足够的抵抗能力应对轮胎的负荷;

(6)对于冷补沥青混合料而言仅依靠有限的压实性即可抵抗持续的挤压和车辙;

(7)能够较好地抵抗水损害。

2 沥青冷补材料组成结构及其特点

沥青冷补材料主要成分有矿质集料、粘合剂、添加剂、稀释剂。

首先矿质集料最重要的是骨料的比例，决定着混合料在负荷作用下是否会被推挤。一般来说，施工时常选用完全破碎且不含任何细微材料的骨料作为最佳选择，一方面是因为该骨料具有更好的“内锁”性能和抗推挤或车辙的能力;另一方面它的适用范围较广，而且性能不容易受外界影响，即使在温暖的气候条件下也具有较好的抗推挤能力，主要是因为开级配混合料有更大的空隙率，如果在此基础上增加沥青膜厚度，还能改进其与原有路面材料的结合的能力。

其次是粘合剂，沥青冷补材料常用冷补沥青液结合混合料并粘合原有路面与修补料。其中冷补沥青液主要成分包括沥青、稀释剂和添加剂。这种粘合剂组合的应用机理通过加入添加剂保持沥青稀释后原有沥青基质的性能。

再次是添加剂，主要是通过提供凝胶结构使稀释沥青在低温下也能增粘，促进冷补材料初期强度的形成;这样不仅改进了稀释后的混合料的黏附性能，也一定程度的改善了其在低温条件下的工作性能，促进其与原有多尘或潮湿的路面材料间的结合，还提高自身的水稳性能。

最后还有稀释剂，一般由多种稀释剂混合而成。其主要功能是使混合料在堆放时不会变得太硬，并使其在路上容易压实。应用过程中，尤其要注意其挥发速度，稍有不慎会影响到冷补料强度形成的时间，随着稀释剂及其添加量的改变，冷补材料施工和存储性能也会受到影响。所以利用添加剂配制冷补沥青时要以保持冷补材料的基本性能为基本要求，施工中常用稀释剂主要有柴油稀释剂。

3 冷补沥青混合料强度形成机理

3.1 冷补沥青混合料理论分析

冷补沥青混合料最基本的功能是粘结性能，且其粘结力主要源于沥青的分子作用力，而在其充分湿润时，分子的稠密度很大程度地决定着粘结力大小。作为以沥青为介质的粘结体系，升温和施压都能加强沥青分子热布朗运动，且粘结温度越高，压力越大，扩散作用越强，时间越长，其粘结力就越大。所以说沥青在一定程度上决定着冷补沥青混合料的性能，一方面混合料的强度和水稳性受到沥青与矿料间粘附作用的直接影响;另一方面混合料疏松、易压实与否和强度大小随着不同矿料颗粒表面的沥青之间的相互粘结作用的不同而有所不同。混合料在储存时，要求呈现常温且无外力作用的疏松状态，矿料颗粒间彼此分离。

在路面摊铺施工后，混合料受较大的外部作用力，使得沥青分子之间相互扩散作用增强且距离变小、接触面积增大;随着添加剂的挥发，沥青材料开始变稠，在外部作用力的时间累积效应作用下逐渐形成较强的粘结，随着来行车负载作用混合料相互嵌挤形成强度而逐渐压实至完全成型。

3.2 冷补沥青混合料强度形成特点

常温状态下能够保持较好的粘结性与疏松性是冷补沥青混合料最主要的特点，但随着温度的降低热拌沥青混合料会凝结成块，从而达不到低温状态下混合料的工作性能。因此冷补沥青混合料的基质部分需要加入一定量稀释剂进行改性，使其粘度降低，低温下拌和后能有一定的疏松性，满足工作性能要求。具有可塑性与流动性的混合料进行摊铺、碾压施工时，能被挤压至坑槽中不规则之处，一部分溶剂在行车和空气的作用下逐渐挥发，混合料颗粒之间的分布更加紧密，稠度变强，且空隙率减小，更加粘结牢固，路面逐渐失去松软感，强度增高，使用后，热沥青混合料变形和强度会逐步稳定，最后足以超越其冷却后的标准性能。

3.3 冷补沥青混合料强度形成影响因素

(1)内因影响。

通过摩尔—库仑理论对沥青混合料的强度进行粘结力C和内摩阻角Φ两项重要指标分析发现，干燥骨料的C=0而Φ≠0，热沥青混合料的Φ=0而C≠0。而这两项指标主要受到前期沥青材料存储状态以及材料间的作用力的影响。由于冷补沥青混合料储存时，骨料之间没有相互嵌挤，因而Φ较小，混合料中沥青膜厚度适中且用油量适宜，矿料表面的沥青多能与其相互作用而形成粘性好的结构沥青，而还有部分粘性不强的自由沥青，分子间的作用力小，有着较好的润滑作用。总之，混合料在储存时，颗粒分离，呈疏松状态，因而没有形成强度。

当混合料在路面上摊铺压实后，其强度主要由材料粘性和外部作用力两种因素形成;具体来说是指在改性沥青与矿料相互作用后使混合料产生了巨大的内聚力和粘附力而构成冷补沥青混合料的强度，它们使得矿料颗粒容易形成不易分离的整体，巨大的粘结力也使混合料与原表面不易剥离或推移，混合料经碾压后颗粒间的嵌挤、锁结作用主要是由混合料内摩擦阻力所构成，这两部分力构成了其初始强度，以抵御车辆荷载作用。

表1 初始马歇尔强度

从上表可看出，冷补沥青混合料的初始强度和成型强度主要受沥青用量与级配的影响。粘度相同时，初始马歇尔强度也随着沥青结合料级配的不同而有所差别。

如下表2所示，即为A、B、C三种矿料级配的范围。

表2 矿料级配范围

表3 沥青用量与初始马歇尔强度的关系

从上表3及图1可以看出，选用不同沥青用量时，混合料的初始稳定度差别较大，在用量达5.2%前，两者呈现正相关关系，在用量达5.2%时，初始稳定度取最大值，在用量达5.2%之后，随着骨料相互间的自由沥青增多，两者呈现正相关关系。

图1 沥青用量与初始稳定度的关系

(2)外因影响。

由于时间效应、车辆荷载、外界环境等的长期作用，稀释剂由快渐慢的逐渐挥发，沥青的粘度逐渐增大，使得矿料表面因分子间的作用力增大而相互溶合，C值也不断增大，使得混合料更为牢固且整体性更强，在长期行车负载作用下逐渐压实并完全成型。这样，粘聚力C值增量与增长速度快慢决定了混合料成型时的强度和时间。因Φ值是一个常数，所以骨料的摩擦角对强度作用较小。

通过马歇尔稳定度室内与室外试验来探讨车辆荷载、气温、工期长短对冷补沥青混合料成型强度的影响大小。

表4 不同击实次数马歇尔稳定度对比

运用击实次数增加试验来模拟车辆荷载对混合料的碾压次数的增加，从图2可以看出，稳定度与击实次数明显呈现正相关关系。图3表明流值随击实次数的增加逐渐变小，这说明矿料表面的沥青分子之间相互扩散作用与车辆荷载碾压次数呈现正相关关系，同时随着矿料颗粒相互嵌挤，混合料也变得越来越密实，强度也就越来越高。

图2 稳定度与击实次数的关系

图3 流值与击实次数的关系

图4 时间与稳定度的关系(3月修补)

图4和图5是在60℃试验温度下由钻芯取样而测得的稳定度。从图4可以看出在修补路面施工过程中钻芯取样试件稳定度值在第7 d时并没有达到设计要求。而在图5中，日均温为30℃情况下钻芯取样试件稳定度在第一天就达到了设计要求。所以当修补时，随着外界环境气温升高，混合料强度形成的越快;反之，则越慢。

图5 时间与稳定度的关系(8月修补)

从图4和图5也可以明显看出，混合料强度同时受到由于稀释剂的挥发，沥青粘性，材料间的作用力、时间的累积效应等四个方面的影响，也呈现正相关关系。

U416.217

C

1008-3383(2012)03-0003-02

2012-01-08