溶剂型冷补沥青混合料低温施工和易性定量评价方法

杨威， 金佳宏， 产启刚， 郑木莲*， 刘国强， 闫春梅

(1.济宁市鸿翔公路勘察设计研究院有限公司， 济宁 272100； 2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室， 西安 710064； 3.呼和浩特市交通运输局， 呼和浩特 010010)

近年来，随着车辆的增多，沥青路面的超载现象严重，使路面出现破损开裂，并且在高低温气候条件以及雨水侵蚀的作用下，路面裂缝逐渐扩展，混合料从路面上剥离，最终形成了坑槽。一旦坑槽形成，坑槽在雨水和车辆荷载的作用下将会破坏的更为严重，必须对坑槽进行及时修补[1-2]。

常用的坑槽修补材料有热拌沥青混合料和冷补沥青混合料，其中冷补料具有可就地生产、施工工艺简单、常温和低温下可施工、安全环保等性能优势，并能实现对坑槽病害即现即补，得到了广泛的应用。冷补料主要分为溶剂型、乳化型和反应型三种，中国研究最多的是溶剂型冷补料。近年来，为了提高冷补料的路用性能，中外学者们在冷补料配方设计上进行了深入研究。刘帮银等[3]研究了再生冷补沥青混合料配方设计，张争奇等[4]研究了水性环氧-SBR低温型冷补沥青的研发与制备工艺，徐茜等[5]研究了含餐厨费油冷补料，孙朝杰等[6]研究了纤维冷补沥青混合料的路用性能，Xu等[7]用表面自由能方法评价了冷补沥青的水损害。

虽然中外研发了不同配方的冷补料，但是究其根本溶剂型冷补料可在常温或低温环境下修补坑槽的主要技术原理是采用稀释剂来降低基质沥青黏度，以此保证拌制的冷补料具有较好的施工和易性，因此低温施工和易性通常被认为是冷补料最基本的性能[8]，有必要对冷补料的低温施工和易性进行进一步研究。在冷补料低温施工和易性评价方面，目前中外学者多采用经验法和定量指标评价法[9]。苏联采用落锤冲击试件法，以冷补料试件破坏时的锤击次数作为低温施工和易性定量评价指标；西班牙Cantabria大学提出的改进马歇尔磨耗方法，以马歇尔试件磨耗损失率作为评价冷补沥青混合料低温施工和易性定量评价指标；美国德克萨斯运输部采用单轴无侧限抗压试验对冷补料低温施工和易性进行研究，提出以冷补沥青混合料老化前后抗压强度作为评价指标[9]。中国公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)[10]对冷补料低温施工和易性的要求为松散状态下冷补沥青混合料在-10 ℃冰箱储存24 h后，无明显凝聚结块现象，且用铁铲能方便拌和操作；此外，李峰等[8]采用贯入法来定量评价溶剂型冷补料的低温施工和易性。然而综合上述评价方法发现，采用落锤冲击试验法、马歇尔试件磨耗方法、单轴无侧限抗压试验法以及单轴贯入法评价冷补料低温施工和易性均存在操作困难、设备要求较高等问题。而JTG F40—2004推荐的经验法虽然简单方便，但是过于主观，人为操作误差较大，试验结果可信度较低。目前中国还没有一种评价溶剂型冷补料低温施工和易性简单有效的定量评价方法。

为解决已有的定量方法操作困难，对设备要求高的问题，以及经验法过于主观，人为定性分析不足的问题，设计了一种轻量化定量评价冷补料低温施工和易性的方法，简称“等效圆法”。“等效圆法”设备要求低，操作简单，可定量评价冷补料低温施工和易性，弥补了当前方法存在的不足。采用“等效圆法”对自研冷补料CA、市面在售冷补料LB和XR的低温施工和易性进行评价，并与经验法试验结果对比，最后基于冷补料强度与施工和易性平衡要求，对四种溶剂型冷补料初始强度进行对比分析，推荐冷补料的技术评价指标。

1 试验材料

1.1 冷补沥青液

试验选用三种成品溶剂型冷补沥青液制备冷补沥青混合料，分别为课题组自研CA冷补沥青、市面在售四川LB冷补沥青和江西XR冷补沥青。为提高溶剂型冷补沥青黏附性能、抗剥落性能等技术指标，CA、LB和XR冷补沥青均添加了抗剥落剂、树脂类增黏剂等外加剂。对照组仅采用中海70 #基质沥青、0 #柴油来制备普通溶剂型冷补沥青液，基质沥青与柴油掺配比(质量比)为100∶25。在进行冷补沥青混合料最佳沥青用量试验和路用性能试验前，对上述四种溶剂型冷补沥青技术指标进行测试，测试结果如表1所示。

表1 冷补沥青液技术指标

1.2 集料和级配

1.2.1 集料

文中粗细集料均采用石灰岩，粗集料表面干净、粗糙、干燥、无风化，并具有足够强度和耐磨耗性能，填料采用矿粉。采用公路工程集料试验规程(JTG E42—2015)对粗集料物理、力学指标进行测试，测试结果如表2所示。

表2 粗集料试验结果

1.2.2 级配

冷补沥青混合料级配设计主要包括混合料结构类型、集料最大粒径选择以及确定矿粉用量三个方面。溶剂型冷补沥青混合料早期强度形成主要依靠矿料间嵌挤力，因此在结构类型选择方面，应采用骨架密实型结构。冷补沥青混合料通常用于沥青路面上面层修补，修补深度一般小于5 cm，因此冷补沥青混合料中集料最大粒径选择为13.2 mm。参考JTG F40—2004中建议级配类型，本文研究的溶剂型冷补沥青混合料级配类型选择LB-13，设计的冷补料合成级配曲线如图1所示。

图1 矿料合成级配

2 试验方法

首先采用同济大学经验公式法[11]和修正马歇尔试验法确定溶剂型冷补沥青混合料的最佳沥青用量，随后采用“等效圆法”对四种冷补沥青混合料进行低温施工和易性定量评价，将试验结果与规范中推荐的经验方法得到的分级试验结果相结合验证“等效圆法”的可靠性；最后对四种冷补料进行初始强度试验，评价四种冷补料初始强度的优劣，并结合低温施工和易性试验，推荐冷补沥青混合料低温施工和易性定量评价标准。

2.1 最佳沥青用量试验

采用同济大学经验公式法[11]和修正马歇尔试验法相结合方式确定溶剂型冷补沥青混合料最佳沥青用量。首先根据冷补料级配粒径分布，采用同济大学经验公式对溶剂型冷补料沥青用量进行计算；其次通过微调沥青用量计算值，采用改进马歇尔试验法进一步对冷补料沥青用量进行优化，确定冷补料最佳沥青用量。

(1)同济大学经验公式[11]。同济大学吕伟民教授根据冷补沥青混合料矿料级配，提出沥青用量估算公式为

P=0.021a+0.056b+0.099c+0.12d+1.2

(1)

式中：P为基质沥青用量，%；a、b、c、d分别为粒径大于2.36 mm、0.3～2.36 mm、0.075～0.3 mm、小于0.075 mm颗粒的质量百分率，%；

(2)修正马歇尔试验法。经同济大学经验公式初步确定溶剂型冷补沥青混合料沥青用量后，对沥青用量进行微调整，以初步确定的沥青用量为中值确定5组试验沥青用量；接着拌制5种不同沥青用量的冷补沥青混合料，并按照热拌沥青混合料沥青用量试验步骤进行冷补料沥青用量设计。由于溶剂型冷补沥青中含有大量稀释剂，导致马歇尔试件制备工艺与热拌沥青混合料有所不同，具体体现在：冷补料拌和后，首先称取定量的冷补料装入马歇尔试模，双面击实25次后，连同试模在25 ℃恒温箱养生6 h，再双面击实25次；脱模后在25 ℃水槽中养生30 min，立即测试其稳定度[12-13]。

(3)最佳沥青用量和油石比。油石比是指沥青混凝土中沥青质量和矿料(石料)质量比的百分数；最佳沥青用量是指沥青质量与沥青混合料质量比的百分数。两者之间的换算关系为：最佳沥青用量=油石比/(1+油石比)，相反如果已知最佳沥青用量，那么油石比=最佳沥青用量/(1-最佳沥青用量)。为了拌制沥青混合料，可按照同济大学经验公式法和修正马歇尔试验法确定的最佳沥青用量计算出最佳油石比，从而根据矿料的质量计算出拌制混合料所需要的沥青质量。

2.2 “等效圆法”试验

溶剂型冷补料优异的低温施工和易性是指其在低温环境下便于拌和、摊铺和碾压。根据冷补沥青混合料工程实践要求和室内试验验证，结合现有方法存在的问题，本文设计出一种操作简单、可定量对其低温施工和易性进行评价的方法，称之为“等效圆法”，“等效圆法”的试验步骤如下。

(1)准备若干直径为100 mm、高100 mm，能够打开与合闭圆柱体塑料试模。试验前将其内部擦干，然后将上述5种不同油石比的溶剂型冷补沥青混合料呈松散状装满塑料试模，人工简单压平。

(2)将塑料试模连同冷补料用塑料袋密封，放入-5 ℃恒温冰箱中冷冻24 h。

(3)达到冷冻时间后，快速打开试模，取出圆柱状混合料试件放在白纸上，将7 kg砝码放置在试件顶面进行施压并开始计时。

(4)施压2 min后取下砝码，此时混合料试件散落成不规则圆形，静置1 min，使混合料达到稳定状态。

(5)用笔沿混合料散落边缘画线，形成近似圆形，采用十字平均法用直尺沿十字方向分别测其x方向最小直径dx以及y方向最小直径dy，取其平均直径¯d=(dx+dy)/2，进一步计算出冷补料散落面积S=π(d/2)2。散落面积S越大，冷补料的低温施工和易性越好，因此选用散落面积作为“等效圆法”的定量评价指标。其中需要注意的是试验中砝码中心要对准试件中心，防止试件出现偏心受压。

“等效圆法”试验图和冷补料散落面积图如图2和图3所示。

图2 “等效圆法”试验图

图3 冷补料散落面积图

(1)试模尺寸的选择。由于冷补料试件也按照标准马歇尔试件成型，参考标准马歇尔试件模具尺寸为内直径101.6 mm±0.2 mm，高度87 mm，故本方法所用模具直径也参考标准马歇尔试件尺寸，直径采用100 mm。由于试验方法为将冷补料松装入试模，故试模高度选择略大于标准马歇尔试件高度的100 mm。

(2)砝码形状的选择。砝码形状需满足砝码底面积近似于试件被压成不规则圆形后的近似面积，本研究选用砝码的底面积直径为15 cm。

(3)砝码重量以及施压时间的选择。砝码重量的确定没有一个固定的标准。砝码重量越大，试件被压成不规则圆形的速度越快；考虑到试验时间越长，试件温度恢复越多，会影响试验结果。故需选择一个合适的砝码重量来控制施压时间，即砝码质量不宜过小。经调查得知，在低温环境下，人工摊铺冷补料时使用力的大小与平时人们提7 kg左右物品的使用力大小相近，因此利用冷补料在7 kg砝码压力下的松散性来模拟实际低温环境下冷补料在人们施工操作时的疏松性，较为贴合实际。为了验证所选砝码重量的可行性，选择了5、7、9 kg三种不同质量的砝码对试验过程以及将试件压成不规则圆形的时间进行对比，试验结果如表3所示。其中施压结束时间以试件散落幅度无明显变化为标准。

表3 不同质量砝码施压过程及结束时间

由表3可知，当砝码重量为5 kg时，施压过程为5 min，时间太长会导致试件温度恢复影响试验结果；当砝码重量为9 kg时，施压速度过快，施压过程出现试件散落不均匀，不平衡的现象；当砝码重量为7 kg时，施压速度适中，试件散落均匀，试验过程较为顺利。因此最后综合考虑选择砝码重量为7 kg。并且使用7 kg砝码进行试验，发现试件在40 s时出现裂缝，有散开的迹象，40～100 s时散落的幅度较大，到2 min后散落的幅度较小，基本散开。最后确定试验时间为2 min。

2.3 低温施工和易性经验性评价方法

JTG F40—2004中提出的冷补沥青混合料低温施工和易性经验性评价方法为：将松散状态下的冷补沥青混合料在-10 ℃恒温冰箱中保持24 h，观察有无明显的凝聚结块现象，且是否能用铁铲方便地拌和操作。依据冷补料松散状态和操作难易程度将冷补沥青混合料低温施工和易性划分为5个等级，具体评定标准如表4所示[14]。本文中采用经验法对四种不同类型的冷补料进行测试确定低温施工和易性等级，并与“等效圆法”试验结果进行对比。

表4 低温施工和易性等级评定标准

2.4 初始强度试验

为平衡冷补沥青混合料低温施工和易性和初始强度之间的矛盾，对选用的四种冷补料进行初始强度试验以评价四种冷补料初始强度的优劣。并综合低温施工和易性能，找到两者的平衡点，推荐冷补沥青混合料低温施工性能定量评价标准和建议初始强度技术指标。冷补沥青混合料初始强度试验方法同2.1节修正马歇尔试验法。

3 试验结果分析

3.1 最佳沥青用量试验结果

采用同济大学经验公式法初步计算自研溶剂型冷补沥青混合料(CA)沥青用量结果为4.5%，在此基础上，以0.5%为梯度设定冷补沥青混合料沥青用量为3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%，拌制五种不同沥青用量下的冷补沥青混合料进行修正马歇尔试验和低温施工和易性试验，试验结果如图4所示。

图4 不同沥青用量初始强度和低温施工和易性试验结果

由图4知，随着沥青用量增大，冷补料初始强度呈现先增大后减小的趋势，当冷料沥青用量为4.5%时，其初始强度最高为2.77 kN；而当沥青用量为3.5%和5.5%，冷补料初始强度分别为1.66 kN和1.94 kN；这说明沥青用量过大或过小均会对冷补料初始强度产生不利影响。在低温施工和易性结果方面，冷补料散落面积S随着沥青用量的增加而逐渐减小；当沥青用量为3.5%时，冷补料散落面积S最大为57.76π cm2，此时冷补料中的矿料无法被冷补沥青充分裹覆，压实后易松散；而当沥青用量为5.5%时，冷补料散落面积S最小为32.49π cm2，此时冷补料完全黏聚在一起，结团严重，无法满足使用需求。冷补料散落面积S越大，表明其低温施工性能越好，但与此相对应的是其初始强度越低。因此在综合考虑冷补沥青混合料初始强度与低温施工和易性能后，确定自研冷补沥青混合料沥青用量为4.5%。修正马歇尔试验结果与同济大学经验公式法的计算结果相匹配，同时也验证了经验公式法的准确性。

3.2 “等效圆法”试验结果

在确定冷补沥青混合料最佳沥青用量后，将所选四种冷补沥青混合料分别按2.2节提出的“等效圆法”进行低温施工和易性试验，四种冷补沥青混合料沥青用量均采用4.5%，试验结果如表5所示。

表5 冷补料低温施工和易性试验结果

由表5可知，对照组的散落面积S最大为54.76π cm2，其次为冷补料CA和冷补料XR，散落面积S分别为47.61π cm2和46.24π cm2，最差的为冷补料LB，散落面积S为38.44π cm2。散落面积S与冷补料低温施工和易性正相关，即四种冷补沥青混合料低温施工和易性排序为：对照组>CA>XR>LB。对照组散落面积S较大，说明对照组的低温施工和易性能较好，主要原因是混合料中稀释剂含量过高，导致冷补沥青黏度过低，与矿料黏附性不足；而CA、XR、LB型冷补沥青中由于掺加了抗剥落剂、树脂类增黏剂等外加剂，其黏度和矿料黏附性均得到明显提升，因此这三种冷补沥青混合料低温施工和易性有所下降。试验表明采用散落面积S作为定量评价指标可以较为直观的判断冷补料的低温施工和易性的优劣。

3.3 低温施工和易性经验法试验结果

采用2.3节经验法对所选四种冷补料进行低温施工和易性测试，根据试验结果建立低温施工和易性等级与散落面积S间的关系，试验结果如图5所示。

图5 散落面积与经验法低温施工和易性等级对比

由图5知，冷补沥青混合料低温施工和易性等级与散落面积S具有明显的相关性，等级参数越大，其散落面积S越大。由表3等级评定标准知，当等级参数大于4时，冷补料仅存在少量结团，用铁铲可轻易拌和操作，即冷补料能满足基本低温施工要求。四种冷补沥青混合料中，CA、XR低温施工和易性等级参数为4，相应的散落面积S分别为47.6π cm2和46.24 cm2；而对照组低温施工和易性等级参数为5，散落面积S=54.76π cm2，两种试验方法得到的试验结果均表明CA、XR和对照组冷补料具有较好的低温施工和易性能。通过对图5进一步分析知，当施工和易性等级参数为4时，对应的散落面积S为44π cm2，此时冷补沥青混合料在施工过程中可轻易被揉搓摊铺，无明显结团现象。因此采用“等效圆法”定量评价冷补沥青混合料低温施工和易性时，推荐评价指标值为散落面积S≥44π cm2。

3.4 初始强度试验结果

冷补沥青混合料应具有一定的初始强度，以满足坑槽修补后的开放交通的需求。表6汇总了国内外几种溶剂型冷补沥青混合料初始强度要求。采用2.4节试验方法对选用的四种冷补沥青混合料进行初始强度试验，分析初始强度与低温施工和易性之间的关系，试验结果如图6所示。

图6 不同类型冷补料初始强度和低温施工和易性试验结果

由表6知，中外几种冷补料初始强度均不大，大多是为了满足较好的低温施工和易性能而降低对初始强度的要求。由图6可知，四种冷补沥青混合料中，对照组初始强度最小，为1.7 kN；而其他三组冷补料初始强度均大于2.5 kN，依次为 LB：3.39 kN、 CA：2.77 kN和XR：2.56 kN。冷补沥青混合料初始强度与低温施工和易性呈负相关关系，即散落面积S越大，其初始强度越低。如LB冷补料初始强度最大，但其散落面积S最小仅为38.44π cm2，且试验过程中冷补料大部分结团，散落速度较慢。通过对图6进一步分析知，当冷补料散落S=44π cm2时，冷补沥青混合料初始强度值为2.4 kN，此时CA和XR型冷补沥青混合料初始强度和散落面积S均满足要求。文献[11]提出冷补料初始强度不低于2 kN。因此通过“等效圆法”试验和初始强度试验，推荐冷补沥青混合料低温施工和易性和初始强度技术指标，如表7所示。

表6 国外几种溶剂型冷补沥青混合料初始强度

表7 推荐技术指标

4 结论

针对现有溶剂型冷补沥青混合料低温和易性定量评价方法的不足，采用“等效圆法”对四种冷补沥青混合料进行低温施工和易性定量评价，主要结论如下。

(1)基于同济大学经验公式和修正马歇尔试验法确定冷补沥青混合料最佳沥青用量为4.5%。

(2)采用“等效圆法”作为冷补料低温施工和易性定量评价方法具有试验操作简单、流程直观、数据可靠等优点，并能较为客观的评价冷补料的低温施工和易性。其中需要注意试验中砝码中心要对准试件中心防止试件出现偏心受压。

(3)与经验法划分施工和易性等级的试验结果相比，发现两种方法的试验结果具有很好相关性，推荐采用“等效圆法”定量评价冷补料低温施工和易性技术指标为：散落面积S≥44π cm2。

(4)通过对四种冷补料低温施工和易性和初始强度试验结果进行分析，推荐冷补料初始强度技术指标为：初始强度≥2.4 kN，此时冷补沥青混合料不仅具有较好的低温施工和易性，而且其初始强度能满足开放交通需求。

(5)只对冷补沥青混合料的低温施工和易性进行了研究，而没有考虑冷补料的常温施工和易性，原因是常温型冷补料在室温条件下的施工和易性普遍都满足要求，人工能轻易地用小铲拌和。

(6)推荐的技术指标弥补了冷补料低温施工和易性定量评价方面的不足，为冷补料的选择和进一步深入研究提供了技术思路和参考依据。