基于PAV和RTFOT法的冷拌沥青混合料性能研究

黄蓉斌

(广西玉林城区公路管理局，广西 玉林 537000)

0 引言

随着公路事业的发展，沥青路面的广泛应用造成其在长期荷载作用下形成坑槽。目前，针对路面坑槽修补的方法主要是热拌沥青混合料，不仅浪费能源，而且还污染环境，过程复杂，若不能及时修复坑槽，会造成雨水慢慢地沿着裂缝浸入路基，导致道路受损情况越来越严重[1]。

冷拌沥青可以密封保存的储存性能是其最突出的优点之一，可以增加路面使用寿命，及时改善路面坑槽，降低维护费用。最常用的冷拌沥青有两种，一种是稀释溶化基质沥青，另外一种是乳化沥青和改性乳化沥青形成的冷混沥青[2]。但这两种冷拌沥青混合物的耐久性评估导致其在市场上并不能充分发挥自身的优势。因此，有必要开展冷拌沥青混合料性能的研究，建立和完善评价指标，提高冷拌沥青混合料的耐久性，延长其使用寿命。

1 冷拌沥青混合料的分类

1.1 溶化型冷拌沥青混合料

溶化型冷拌沥青混合料作为应用最广泛的沥青混合料，主要由基质沥青、冷补剂、冷料、混合骨料组成。采用溶化型冷拌沥青混合料用来修复坑槽，由于加入了冷补剂，使溶化型冷拌沥青混合料具有良好的加工性和储存性，降低了对路面的温度要求，冷补剂的加入也可以改善道路性能。

1.2 乳化型冷拌沥青混合料

乳化型沥青(或改性乳化沥青)与骨料混合形成乳化冷拌沥青混合料，它的使用材料成分简单，其强度主要取决于乳化沥青破乳后产生的强度。

2 冷拌沥青混合料的特性及其要求

2.1 冷拌沥青混合料的特性

(1)存储比较简单，施工便利。

(2)适用于雨天和温度较低的环境，适应性较强。

(3)环境污染较低。

(4)不限制交通、方便运输。

2.2 冷拌沥青混合料的性能要求

冷拌沥青混合料的性能目前尚无规范要求，但冷拌沥青的施工和加工性能较好，优良的沥青混合料必须满足表1要求[3]：

表1 冷拌沥青混合料的性能要求表

2.3 冷拌沥青老化性能评价方法

研究沥青的老化是研究冷拌沥青混合料耐久性的关键问题。老化是指沥青从拌合阶段开始受阳光、水等环境影响发生一系列化学反应，导致沥青的结构破坏、性能变得低劣。沥青的老化从发生的阶段可以划分为短期老化和长期老化。针对于溶化型冷铺沥青采用压力老化(PAV)来模拟自然老化，针对于乳化型冷铺沥青采用薄膜烘箱加速老化试验(RTFOT)来模拟乳化沥青的自然老化。

2.3.1 压力老化试验(PAV)

压力老化试验(PAV)模拟沥青在高温高压下的化学反应，通过压力老化试验来加速冷拌沥青混合料的老化，用来评价沥青的抗老化能力。压力老化试验(PAV)所使用沥青样品为溶化型(包括柴油，白油、机油)冷拌沥青，该方法包括以下步骤：

(1)采样50 g±0.5 g，置于样品盘中，设定老化温度。

(2)当温度接近老化温度时，立即供应2.0 MPA±0.1 MPA的空气压力，并保持20 h±10 min。

(3)完成20 h±10 min的老化阶段后，打开压力释放阀，使容器内的压力与外部压力相同。打开压力容器，取出残渣，测试残留物的性能。

(4)残留物的质量损失公式(减值为负，加值为正)如下计算：

(1)

式中：LT——试样压力老化加热质量变化(%)；

m0——试样瓶质量，单位g；

m1——实验前样品和容器总重，单位g；

m2——实验后样品和容器总重，单位g。

(5)经PAV试验后，残留物针入度KP变化按下式进行计算：

(2)

式中：Kp——残留物针入度(%)；

P1——实验前的针入度，单位0.1 mm；

P2——实验后的针入度，单位0.1 mm。

(6)完成压力老化试验(PAV)后，残留物软化点ΔT变化按下式进行计算：

ΔT=T2-T1

(3)

式中：ΔT——软化点增值(%)；

T1——实验前的软化点，单位℃；

T2——实验后的软化点，单位℃。

针对溶化型冷拌沥青的老化，由于物料混合温度≤40 ℃，所以沥青在搅拌过程中不会出现短期老化。因此，在氧化还原反应过程中，用压力老化试验制备的沥青直接用于旋转薄膜烘箱法测得的残余样品的压缩。根据压力老化试验(PAV)来评价溶化型沥青的老化性能，通过20 h压力老化试验，结果见表2：

表2 溶化型沥青压力老化试验结果表

以上数据分析可得，柴油型、白油型、机油型三种质量百分比的增加均呈阳性，质量仍正在上升，说明这一结果是随着老化时间的增加，有机物溶化挥发，可渗透性逐渐降低，耐老化性更强。从表2可以看出，白油型、机油型和柴油型三种材料软化沥青的软化点相差不大，都具有较好的抗老化能力。柴油型老化指数为0.055 14，白油型老化指数为0.042 35，机油型老化指数为0.045 68。根据压力老化试验(PAV)得出结论，溶化型冷拌沥青抗老化能力强弱顺序为白油型<机油型<柴油型。

2.3.2 旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)

旋转薄膜烘箱试验法(RTFOT)是指沥青样品通过旋转薄膜烘箱加热，保留残留物，再通过一系列的残留物性能分析(如质量变化，渗透性，软化点变化等)评价沥青老化特性[4]，其步骤如下：

(1)洗瓶(数量应≥8)，干燥后称重，计质量为M0。调整环形加热炉，预热160 ℃±0.5 ℃不低于16 h，调整气流的流量为4 000 ml/min±200 ml/min。称重两种乳化沥青(乳化沥青W-5，改性沥青1468型)35 g±0.5 g，放入试验瓶，称重，计质量为M。

(2)旋转薄膜烘箱上面放置集流器，测定每个测试样本的空气流速。启动仪器，使热空气进入旋转薄膜烘箱超过75 min。

(3)在达到所需时间后，去除质量损失、冷却至室温、称重。

(4)残留物质量损失公式(减值为负，加值为正)与上述相同。

根据乳化沥青的老化性能，主要采用质量损失、残留针入度比和软化点增量等评价方法。实验组由W-5乳化沥青和1468型改性乳化沥青组成。旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)结果见表3：

表3 乳化型沥青旋转薄膜烘箱老化试验结果表

从表3的数据分析可以得出结论：由于沥青的老化，乳剂型沥青残留物的质量增加，同时，由于沥青硬化，导致残余物可渗透性降低，变相提高了沥青抗老化性能。软化点升高，沥青的抗老化性能更好。从质量损失、针入度、软化点等性质分析，1468型乳化型沥青整体抗老化性能优于W-5型。

2.4 冷拌沥青混合料的性能评价方法和指标

参考国内外评价体系，修正并综合热拌沥青混合料评价方法，本文制定出对冷拌沥青混合料性能的评价体系：采用马歇尔试验测定冷拌沥青混合料的初始和成型强度；采用修正浸水马歇尔实验测定混合料的水稳定性；采用车辙试验评价混合料高温稳定性。

2.4.1 初始强度评价方法

在本文中，马歇尔稳定性方法用于评估初始强度。测试程序如下：

(1)使用气密袋，均匀混合约1 000 g冷拌沥青，放置于室温2 h。

(2)取出密封的冷拌沥青，制成马歇尔试验标本。在室温下，样品正反面击打达到75次。

(3)马歇尔稳定性可以在压力释放后测量，测量值为初始强度。

通过上述步骤检测冷拌沥青的初始强度。结果如表4所示。

表4 初始强度试验结果表

从表4可以看出，初始强度从大到小排序为柴油型>1486型>白油型>机油型>W-5型。

2.4.2 成型强度评价方法

影响冷拌沥青强度的因素很多，由于成型过程时间长，试验采用110 ℃旋转薄膜烘箱加热方式，加快样品成型，步骤如下：

(1)取冷拌沥青混合料约为1 000 g，室温下进行马歇尔试验，压实高度为63.5 mm±1.0 mm；然后取马歇尔试验样品放置在烤箱中，温度控制在110 ℃，加热24 h。

(2)加热完成后，取出样品进行马歇尔试验，正方面击打25次后，室温下养护24 h。

(3)取出样品放入60℃水箱中养护30 min，再进行马歇尔稳定性试验，即成型强度值。

结果如表5所示。

表5 成型强度试验结果表

表5冷拌沥青混合料的成型强度值由大到小依次为柴油型>1486型>白油型>机油型>W-5型。

2.4.3 冷拌沥青混合料水稳定性评价方法

本文采用改良浸水马歇尔试验对冷拌沥青混合料进行水稳定性分析：

(1)测量冷拌沥青混合料1 000 g，制成马歇尔试验标本，正反面击打50次，温度设定为110 ℃，养护24 h，然后取出，再进行正反面击打25次，试验标本高度控制在63.5±1.0 mm。

(2)取出后，将样品分为两组，保存在烘箱中(30 ℃，48 h)，测定水稳定性。另一组浸入恒温水浴(30 ℃，48 h)。

(3)根据以下公式计算冷拌沥青混合料的残余物水稳定性：

(4)

式中：MS0——浸水残留稳定度(%)；

MS1——浸水马歇尔稳定度，单位kN；

MS——成型马歇尔稳定度，单位kN。

修正浸水马歇尔试验结果见表6：

表6 浸水马歇尔试验结果表

结果表明，残留物水稳定性都不高，维持在70%～85%。1468型乳化沥青残渣水稳定性最好，机油型水稳定性最差。

2.4.4 高温性能评价方法

冷拌沥青混合料高温车辙试验方法如下：

(1)冷拌沥青混合料在车辙试验前应达到成型强度。

(2)碾压后车辙试样放置在110 ℃烘箱中24 h，再次碾压。

(3)车辙试件板冷却之后，开始车辙试验。

根据以上试验方法测得的车辙试验数据见表7：

表7 车辙试验结果表

从上述数据可以看出，溶化型冷拌沥青混合料的动态稳定性较低，但这并不意味着溶化型冷拌沥青混合物不能应用于道路修复，因为冷拌沥青混合料主要用于修补坑槽，由于坑槽一般都为小坑，承受的车辆荷载较小，所以单纯的车辙试验并不能反映实际路面修复效果。

2.5 冷拌冷铺沥青混合料评价体系的建立

本文参考国内外评价方法，配合改性沥青混合料的热拌混合评价方法，建立冷拌沥青混合料道路性能评价指标体系。通过使用上述的试验方法，开发了一种冷拌冷铺沥青混合料评价体系[5]，如表8所示。

表8 冷拌冷铺沥青混合料性能评价体系表

2.6 技术标准划分

目前，无论是溶化型冷拌沥青混合料还是乳化型冷拌沥青混合料，其技术规范并不具体、完整。根据《公路沥青路面施工技术规范》，结合国内外路面施工技术规范，主要依据材料性质，制定了冷拌沥青混合料适用情况技术规范表(见表9)。

3 结语

本文主要研究了两种冷拌混合沥青料的耐久性性能分析。通过按顺序增强冷拌期，提高沥青混合料的耐久性；参考国内外评价方法，结合改性沥青混合料的热拌混合评价方法，建立冷拌沥青混合料的道路性能评价体系；分别采用制备冷流体和冷拌沥青混合料的应力老化试验(PAV)和旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)，对冷沥青混合料进行强度试验、改良浸水马歇尔试验、车辙试验，通过改性剂提高材料的耐久性；比较不同类型的冷拌沥青混合料的老化性能、强度性能、路用性能，同时也对溶化型和乳化型冷拌沥青混合料的耐久性进行了比较，根据材料性能的优劣，划分其适用的道路等级。

表9 冷拌沥青混合料适用情况技术规范表