冷补沥青的材料设计及其混合料性能研究*

徐 文 汪美慧 罗 蓉 郭秀林 王 肖

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)

0 引 言

坑槽是沥青路面常见的病害形式之一，主要产生于雨季或者冬季冻融后，若未及时修补，在车辆荷载的重复作用下会继续恶化，严重影响行车舒适性与道路的服役寿命[1].坑槽的修补主要包括热补和冷补两种方法，而冷补法具有施工速度快、操作简便，并且节能环保的优势.冷补沥青混合料主要包括稀释沥青混合料[2-3]、乳化沥青混合料[4]和反应树脂型混合料三种形式.乳化沥青混合料可储存性能差，一般在气温低于5 ℃以下或者雨天不能施工[5]，反应树脂型混合料价格昂贵，而稀释沥青混合料能够长时间储存，且环境适应性强，是我国冷补料的主要类型.国内关于冷补料的设计方法和评价指标并不够系统和完善，而且相关产品质量参差不齐，不能兼顾冷补料的施工和易性及强度形成时间，同时冷补料依旧存在抗水损害能力和耐久性不足等问题，造成修补后路面再次出现病害[6-10].本文通过对冷补材料的组成特点、强度形成机理、冷补液性能评价方法、技术指标以及混合料路用性指标要求进行研究，并通过对原材料的优选和配合比设计，研发一种高性能的冷补沥青混合料.

1 原材料

1.1 沥青

为获得较好的施工及易性和疏松性能，冷补沥青易采用低稠度沥青合成.同时考虑到冷补沥青合成温度的控制，选用湖北国创90#石油沥青，其基本技术指标见表1.

表1 90#沥青基本指标

为保证冷补料常温下的工作性能，基质沥青中必须添加一定量的稀释剂来降低其黏度.根据相似性相容原理，常用的沥青稀释剂包括汽油、柴油和煤油等.其中柴油闪点最高、挥发性适中[11]，为了兼顾冷补料的储存性能和安全性，选择当地加油站普遍使用的0号柴油作为稀释剂.

1.3 添加剂

针对冷补液与集料黏附性不足的问题，选择掺入抗剥落剂来提高两者间的物理和化学吸附力，从而提高冷补料的抗水损害能力.稀释剂最终会部分残留在基质沥青中，破坏了其性能[12]，为提高冷补料的强度，选择掺入增黏树脂来提高混合料强度和耐久性能.选取K1(胺类)和K2(非胺类)两种抗剥落剂，N1(浅黄色固体)和N2(墨绿色固体)两种树脂作为添加剂，见图1.

图1 添加剂

1.4 集料与级配

集料选择洁净、干燥，具有良好颗粒形状的石灰岩.冷补沥青黏度不高，对粗集料的握裹力有限，因此，需要控制最大粒径，见图2.两种类型级配的公称最大粒径为10 mm，并以前期大量试验为基础确定了两种级配进行试验.

表2 矿料级配

2 试验方法

2.1 冷补沥青及其混合料的制备

将90号基质沥青在烘箱中预热至125 ℃，然后放入加热套中保持恒温，并利用数显恒速电动搅拌器低速搅拌，接着按比例加入增黏树脂，并提高转速搅拌10 min，然后按比例加入抗剥落剂，继续高速搅拌10 min，停止加热并按比例加入柴油，继续搅拌15 min，接着低速搅拌5 min，以便排出气泡使其均匀、稳定，其中高速搅拌速度控制基准为反应物产生旋涡但不飞溅.将按合成级配称取的集料加热至75 ℃，并称取一定量的冷补沥青液，通过小型搅拌桶将两者混合均匀，即获得冷补沥青混合料.冷补沥青液及其混合料制备工艺见图2.

图2 冷补沥青及其混合料制备工艺

2.2 冷补沥青性能测试

根据文献[9]测定冷补沥青的旋转黏度和(与集料)黏附性.为研究冷补沥青的挥发性能，采用旋转薄膜烘箱进行温度的控制，使其获得相对一样的挥发速率，同时分别在25 ℃和110 ℃环境下固化，研究冷补沥青早期和最终的挥发性能，图3为挥发试验用铁盘和试验过程.具体操作方法如下：使用同种圆盘，在圆盘中浇入一定量冷补液，使冷补液在盘底能够形成一薄层，称取其总质量；然后将装有冷补液的圆盘放置在25 ℃和110 ℃烘箱中保温3 d和7 d，取出分别称取其质量；通过计算可以得到冷补液的质量损失率.考虑到冷补料减少的质量主要来自溶剂挥发的质量，为了验证其正确性，本文将冷补料制成马歇尔试件，然后分别放入25 ℃和110 ℃的烘箱中保温3 d，计算其质量损失率.

图3 挥发试验用铁盘和试验过程

2.3 冷补沥青混合料的性能检测

参照文献[5]测定冷补沥青混合料的初始强度和成型强度.参照文献[11]测定冷补沥青混合料低温和易性.

3 试验结果与分析

3.1 旋转黏度试验

冷补沥青黏度是影响冷补料施工和易性、压实性和强度的重要因素，而冷补沥青黏度与各组分掺量直接相关.本文通过控制柴油的掺量、树脂种类与掺量、抗剥落剂种类与掺量，制备冷补沥青并分别测其在50、60和70 ℃的旋转黏度.图4为不同柴油掺量稀释沥青的旋转黏度变化，其中A为柴油与基质沥青的质量比，η为旋转黏度.由图4可知，掺入柴油后基质沥青的黏度急剧降低.柴油掺量每增加2%，三种递增温度下测试的黏度平均降低分别为31%，28.5%和26%，表明随着柴油用量的增加，各温度下黏度减小的速率一致，且温度越低，变化越明显.分别对η和A取对数进行拟合，R2均达到0.99以上，因此，可以通过该方法获得的数学模型计算出冷补沥青不同配比和温度下的旋转黏度,见图5.由图5可知，保持基质沥青、柴油与K2质量比为100∶28∶0.4不变，由同质量比的树脂N1和N2制备的冷补沥青黏度相差不大，树脂N1的增黏效果优于N2，三个递增温度下黏度差分别为345、130和47 mPa·s，因此，后续试验将采用树脂N1进行.抗剥落剂种类不同，对冷补沥青黏度影响较小，同时对于抗剥落剂K2的用量增加0.1个百分点，在三个递增温度下黏度分别增大了4.3%、3.8%和4.9%，据研究非胺类抗剥落剂热稳定性较好，后续采用抗剥落剂K2进行试验.由上述分析可知，各因素对冷补沥青黏度的影响程度为柴油>树脂>抗剥落剂，因此，为了保证冷补沥青的黏度，就必须控制好柴油和树脂用量.分别以树脂用量和柴油用量为控制指标，研究冷补沥青的旋转黏度，见图6.对温度和黏度取对数得到黏温曲线，线性拟合R2均达到0.98，因此可以采用数学公式计算冷补沥青的黏度.SHRP沥青结合料性能规范中提出了对改性沥青135 ℃黏度不得超过3 Pa·s的技术要求，夏冬[12]研究冷补液的60 ℃黏度不应超过2 Pa·s，考虑到冷补沥青是在常温下施工，因此本文建议60 ℃黏度不超过2 Pa·s.

图4 不同柴油掺量稀释沥青的旋转黏度变化

图5 树脂与抗剥落剂种类与掺量对冷补沥青黏度的影响

图6 柴油和树脂用量对冷补沥青旋转黏度的影响

3.2 黏附性试验

取粒径13.2～19 mm形状接近立方体的规则石灰石和砾石洗净烘干，与不同配比的冷补沥青进行黏附性试验，见表3.由表3可知，冷补沥青与石灰石的黏附性较好，未加树脂和抗剥落剂时的黏附性等级达到4级，而与砾石黏附性较差，加入树脂和抗剥落剂后冷补沥青与石灰石黏附等级达到5级，与砾石黏附性等级逐渐提高并最终达到4级，同时试验过程中发现两种集料表面的沥青膜厚度也逐渐增大，因此，树脂和抗剥落剂对冷补液与集料的黏附性都具有重要影响.另外，砾石在水中浸煮过程中，从沥青膜内部产生了气泡，并将部分沥青带到水面，并有不规则的彩色漂浮物，可以断定加热使柴油挥发，部分沥青膜为柴油所移动，并非全部为水所移动，因此，水煮法并不能严格有效的评价冷补沥青与集料的黏附性.为了提高冷补沥青混合料抵抗水损害的能力，建议冷补液黏附等级不小于5级.

表3 冷补沥青与集料的黏附性等级

3.3 挥发性试验

温度与时间是影响稀释剂挥发的关键，随着稀释剂的挥发混合料的强度逐渐增大，见图7.由图7a)可知，在25 ℃条件下，冷补液质量在前3 d损失得比较快，1周之后冷补液质量基本趋于稳定，且柴油掺量越多，冷补液质量损失越大.由图7b)可知，在110 ℃条件下，冷补液质量损失在前3 d非常快，到第6 d左右基本保持不变，挥发性趋于稳定，且柴油与沥青比例越大，挥发质量越多.由图7可知，温度越高，稀释沥青挥发速度越快，并且挥发损失率越高.表4为冷补料质量变化，由表4可知，冷补料在110 ℃时质量损失要比在25 ℃时要大，这与冷补液的挥发性规律一致，由于沥青在110 ℃下发生老化较慢，轻质组分挥发较少，因此，冷补沥青混合料的质量损失主要来自于稀释剂的挥发.另外，随着树脂用量的增多，冷补料质量损失率减小，分析原因可能是由于树脂增多，树脂与稀释剂混合均匀时处于游离状态稀释剂较小，因此，挥发量较小.冷补液的挥发性试验及其指标的控制，能够代表冷补料的挥发性与强度形成规律.结合试验结果和文献[13]，本文建议冷补液3 d的质量损失率不超过0.8%.

图7 不同温度下稀释沥青挥发性试验

表4 冷补料质量变化

3.4 冷补料强度试验

3.4.1两种级配的冷补料性能

冷补料普遍存在的一个问题就是初始强度低，为了保证冷补料在修补坑槽后的初期不致产生推移、拥包等现象，必须控制冷补沥青混合料的初始强度，国内外对冷补沥青初始强度控制约为2 kPa.同时为了保证混合料的最终强度，施工规范要求冷补料的成型强度不小于3 kN.采用表2中的两种级配，分别在6%和6.5%用油量下制备马歇尔试件，然后测其初始强度和成型强度，试验结果见表 5.结果表明，两种级配制备的混合料均能满足要求，并且成型强度远大于3 kN，因此本文建议冷补料的初始强度大于3 kN，成型强度大于5 kN，同时混合料级配选用LP-10型进行后续试验.

表5 两种级配的混合料性能

3.4.2矿粉用量对性能影响

矿粉用量越大，能使更多的沥青成为结构沥青，混合料的强度也就越大，但是其施工和易性变差，同时不利于储存.为了确定矿粉用量，在保持冷补液种类和用油量不变的情况下，制备出不同矿粉含量的冷补料，然后进行强度试验与施工和易性试验，试验结果见表6.结果表明，随着矿粉用量的增加，冷补沥青混合料的初期强度逐步提高，然而混合料的施工和易性在逐渐变差.档矿粉含量为2%和4%时，混合料的施工和易性较好，但含量为6%时，和易性已经无法满足施工要求.因此，根据实际拌和和试验的基础上，初拟矿粉含量为4%.

表6 不同矿粉用量的冷补料性能 (级配：LP-10)

3.4.3稀释剂掺量对性能影响

在前文的研究基础上，采用表2中LP-10的级配类型，矿粉用量为4%，稀释剂柴油的掺量分别为20%,22%,24%和28%，进行混合料的制备，并对其常温和易性、强度以及低温和易性进行研究.表7为不同柴油用量下混合料的常温施工和易性与低温施工和易性结果，随着柴油掺量的增加，混合料的可操作性能越好，表面也越光亮.常温下，当掺量为20%时，混合料干燥并且结团，较难打开.低温和易性试验方法为：制备不同柴油产量的冷补料然后用塑料袋将其密封好，放进-5 ℃的冰箱中24 h，再取出，看是否能用铁铲方便地拌和操作.结果表明，混合料的低温和易性与常温和易性变化趋势一致，柴油掺量在22%～28%之间时，冷补料具有较好的低温施工和易性.图8为不同柴油用量下冷补料的强度变化规律，结果表明，混合料的初始强度很接近，因为混合料的初始强度主要是由集料间的内摩阻力提供，黏聚力对初始强度的影响较小.随着柴油掺量的增大，混合料的初始强度和成型强度都呈现减小的趋势，当掺有掺量从24%增加至28%时，强度减小幅度变大.同时，柴油掺量在20%～24%时，混合料的初始强度和成型强度分别大于3和5 kN.为兼顾冷补料的强度与较好的施工和易性，本文最终确定柴油掺量为24%.

表7 不同柴油用量施工和易性

图8 不同柴油用量冷补料的强度

3.5 最佳有效沥青用量

添加剂的使用，能有效的增强沥青与集料的黏附性，以及沥青膜厚度，综合前文的研究基础，本文确定树脂N1和抗剥落剂K2的掺量分别为5%和0.5%.沥青膜厚度直接影响到混合料的各种性能，用油量过大，会造成混合料结块以及析漏现象；用油量过少，集料不能被完全裹附，容易产生弱界面层，耐久性较差.因此，控制沥青膜厚度显得尤为重要.本文首先根据经验公式法估测最佳沥青用量，按照式(1)计算出的最佳油石比P=5.721%.需注意的是，混合料中起黏结作用的是冷补沥青中的有效沥青，稀释剂不起黏结作用，所以按照沥青膜厚度理论计算所得的P应为有效沥青用量.对P取整，拟定有效沥青用量为6%，然后控制其他条件不变，以 5.5%,6%,6.5%的有效沥青用量进行马歇尔稳定度试验，试验结果见图9.试验结果表明，随着沥青用量的增加，混合料的强度先增加后减小，可以确定最佳有效沥青用量约为6%，同时证明了式(1)在初步估算冷补沥青用量的有效性.

P=0.021A+0.056B+

0.099C+0.12D+1.2

(1)

式中：P为冷补沥青混合料结合料用量，%；A为大于2.36 mm颗粒质量分数，%；B为0.3～2.36 mm颗粒质量分数，%；C为0.075～0.3 mm颗粒质量分数，%；D为小于0.75 mm颗粒质量分数，%.

图9 不同油石比下冷补料的强度

4 结 论

1) 由旋转黏度试验可知，各因素对冷补沥青黏度的影响程度为柴油>树脂>抗剥落剂，为保证冷补沥青的黏度，就必须控制好柴油和树脂用量；数据拟合表明黏度与各组分掺量具有良好的数学关系，可通过数学模型计算出不同掺量下的冷补液粘度；本文建议冷补液60 ℃旋转粘度不大于2 Pa·s.

2) 由黏附性试验表明，树脂与抗剥落剂能够有效提高冷补液与集料的黏附性以及沥青膜厚度； 由于稀释剂的影响，水煮法评价冷补液与集料的黏附性具有局限性；本文建议冷补液与集料的黏附等级不小于5级.

3) 由挥发性试验表明，无论是25 ℃还是110 ℃，冷补液质量在前3 d损失较快，7 d基本稳定，且柴油掺量越多，冷补液质量损失越大；本文建议冷补液3 d的质量损失率不超过0.8%.

4) 通过正交试验，确定了新型冷补液的各组分质量比，基质沥青：柴油：N1∶K2=100∶24∶5∶0.5，冷补料的级配采用LP-10，有效沥青用量为6%，矿粉用量为4%，以此制备的冷补料具有优良的初始强度、成型强度以及低温施工和易性.

5)由于时间与文章篇幅有限，本文主要对冷补料的强度与施工和易性进行了研究，后续将进一步研究冷补料在抗车辙和抗水损害方面的性能.