冷补植物沥青混合料制备及应用

赵静存 王鑫 冀磊 丁宇 毛陈琛 庄英斌

1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所， 北京 100081； 2.北京中铁科新材料技术有限公司， 北京 102206

哈齐高速铁路防水保护层长期受雨雪冻融影响，混凝土防水保护层起砂、酥化，形成碎块。这些碎块易被火车高速运行产生的气流裹挟击打车体与轨道，严重影响高速铁路的运营安全和轨道的使用寿命［1-3］。

冷补沥青混合料凭借其良好的抗冻、防水等性能，在铁路领域逐渐得到应用［4-6］。目前应用于铁路的冷补沥青混合料基本以传统石油沥青作为油料，但赖于石油生产的沥青价格居高不下，进而抬高了应用成本。植物沥青是植物油炼制后的废弃物，产量逐渐增大，与石油沥青性能接近，且属于可再生资源，应用成本低，可以用来作为石油沥青的替代品。廖晓峰等［7］用植物沥青与基质沥青、SBS（Styrene‑Butadiene‑Styrene）改性沥青共混改性，研究了质量共混比对植物沥青共混物路用性能的影响，结果表明植物沥青能显著提高沥青混合料的低温抗裂性，而高温性能有所下降。薛金顺等［8］采用植物沥青作为改性剂，研究了植物沥青掺量对改性植物沥青性能的影响，结果表明当植物沥青掺量为12%（质量分数）时，改性植物沥青混合料综合性能较优。董泽蛟等［9］采用玉米加工过程中的副产品DC‑I 型植物沥青，制备了混合植物沥青及SBS 改性混合植物沥青，试验证明了采用一定技术措施处理后的植物沥青混合料路用性能优良。

既有研究大多是将植物沥青作为一种改性剂，从改善热拌沥青混合料路用性能方面展开研究，而关于以植物沥青作为冷补沥青混合料胶结料的研究尚不多，也较少涉及冷补植物沥青混合料低温性能研究。因此，本文以植物沥青、级配集料、助剂等制备冷补植物沥青混合料，研究油石比对冷补植物沥青混合料高温抗变形、低温抗开裂、防渗及水稳定性的影响，并通过工程实例对其应用效果进行评价分析。

1 试验方案

1.1 试验材料及仪器设备

试验所用植物沥青为芳香烃含量30%的棕油，由江苏新越沥青产业研发有限公司生产。根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试植物沥青的物理性质，结果见表1。集料采用石灰岩碎石，由西安捷利德建筑材料有限公司生产。根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》测试集料的物理性质，结果见表2。根据实际工况和文献［10］对集料进行级配，见表3。其他助剂为市售产品。

表1 植物沥青技术指标

表2 集料的技术指标

表3 集料级配

试验设备：沧州泽睿试验仪器有限公司的BH‑20型沥青混合料搅拌机和LHGR‑Ⅰ型沥青混凝土贯入度仪；沧州华恒试验仪器有限公司的HDSSⅢ型渗水仪和SYD‑0720 型冻融劈裂试验仪；新三思（上海）企业发展有限公司的CMT4000型SANS万能试验机。

1.2 冷补植物沥青混合料制备

将植物沥青加入反应釜中加热至105 ℃，然后边搅拌边加入助剂，恒温恒速搅拌20 min，保温备用。

启动拌和设备，拌和温度控制在125 ℃，分别以5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%的油石比，将添加有助剂的植物沥青和混合均匀的集料投入到拌和设备中，采取边投集料边投植物沥青的方式。投入完毕后再拌和45 s，即可得到冷补植物沥青混合料（简称混合料）。

1.3 试验方法

根据JTG E20—2011，按照表3，以油石比5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%制备测试试件。

参考文献［10］进行贯入试验；根据JTG E20—2011 进行渗水试验、弯曲试验和冻融劈裂试验。①贯入试验：测试贯入度，以评价混合料的高温抗变形能力。②渗水试验：测试渗水系数，以评价混合料的水密性能。③弯曲试验：测试低温弯拉强度，以评价混合料的低温抗开裂性能。④冻融劈裂试验：测试冻融循环后试件的劈裂抗拉强度、未冻融循环试件的劈裂抗拉强度并计算得到冻融劈裂抗拉强度比（冻融劈裂抗拉强度比=冻融后劈裂抗拉强度/冻融前劈裂抗拉强度 × 100%），以评价混合料的水稳定性。

1.4 冷补植物沥青混合料路用性能指标

参考科技基〔2008〕74 号《客运专线铁路无砟轨道路基面防水层沥青混合料暂行技术条件》，结合无砟轨道线间防水层的实际工况，提出了冷补植物沥青混合料性能指标技术要求，见表4。

表4 冷拌植物沥青混合料性能指标技术要求

2 试验结果及分析

2.1 油石比对混合料高温抗变形能力的影响

测试温度为40 ℃时，不同油石比下混合料的贯入度见图1。可知：随着油石比增大，贯入度由1.07 mm增至1.28 mm，增幅较小。这是因为随着油石比增大，试件压实度增加，虽然油石比增大会导致混合料变软而使贯入度增大，但足够的密实度也会阻止贯入度过度增大。可见，混合料的高温抗变形能力较好。

图1 测试温度40 ℃时贯入度随油石比变化曲线

2.2 油石比对混合料低温弯拉强度的影响

测试温度为-20 ℃时，不同油石比下混合料弯拉强度见图2。可知：随着油石比增大，混合料的低温弯拉强度先增大后减小，在油石比为7.0%时，低温弯拉强度出现峰值，为12.3 MPa。这是因为植物沥青本身低温性能好，较大的油石比有利于混合料低温弯拉强度的提高；但当油石比超过7.0%时，过多的自由植物沥青导致混合料之间形成滑移面，低温弯拉强度降低。因此，油石比大于等于6.5%时，混合料的低温弯拉强度大于12 MPa，满足技术要求。

图2 测试温度-20 ℃时弯拉强度随油石比变化曲线

2.3 油石比对混合料渗水系数的影响

不同油石比下混合料渗水系数见图3。可知：随着油石比增大，混合料的渗水系数逐渐减小。这是因为较大的油石比增强了植物沥青对集料的填充作用，降低了沥青混合料间的空隙，致使可以连通的路面空隙数量减少，水难以进入沥青混合料中，从而混合料的不透水性逐渐增强。油石比大于等于6.0%时，混合料的渗水系数小于20 mL/min，满足技术要求。

图3 渗水系数随油石比变化曲线

2.4 油石比对混合料水稳定性的影响

劈裂试验结果见图4。可知：①随着油石比增大，混合料冻融前后劈裂抗拉强度的变化趋势相近，均呈现先增大后减小的趋势，且均在油石比为6.5%时出现最大值，分别为0.8945、0.7235 MPa。②冻融劈裂抗拉强度比随着油石比增大而逐渐增大，油石比大于6.0%时冻融劈裂抗拉强度比高于75%。这是因为油石比越大，混合料的空隙率越小，沥青膜越厚，水越难渗入沥青膜与集料的界面，从而在冻融循环中进入试件中的水分相对较少，试件受到的水损害较小，对混合料的水稳定性有利。因此，油石比宜取6.5%。

图4 冻融前后劈裂抗拉强度及其比值随油石比变化曲线

综上，油石比为6.5%时，混合料综合性能较好。

3 整治技术及应用效果

选取油石比6.5%制备的冷补植物沥青混合料，对哈齐高速铁路线间防水保护层粉化进行整治应用。

3.1 整治工艺

1）基面清理。对松散的线间防水层混凝土进行清理，清理至坚硬层，对尖角、凸起部位进行剔除并打磨平缓；用铁钩、尖嘴锤等工具清理出失效的横向伸缩缝材料。

2）喷涂渗透防水材料。在清理干净的混凝土基面上涂刷防护材料，采用渗透防水材料进行防水处理。一般情况下，渗透防水材料涂刷两遍，每遍喷涂量为350 ～ 400 g/m2，每遍喷涂至少5 s，目测喷涂均匀为合格。

3）接缝处理。冷补植物沥青混合料摊铺前，在大转角、混凝土接缝处等部位涂刷封缝膏防水材料，确保这些部位的防水效果。

4）摊铺夯实冷补植物沥青混合料。用摊铺机把冷补植物沥青混合料均匀摊铺在基面上，摊铺厚度为45 ～ 50 mm。用电动夯实机和小型压路机进行振动夯实，压实后厚度不小于30 mm。振动夯实过程中，用水平尺检测排水坡度，不满足排水要求的进行人工补料、压实，保证排水顺畅。

整治效果见图5。

图5 防水保护层整治效果

3.2 验收检测

整治后进行验收检测，结果见表5。其中，厚度和压实度的技术要求参照《哈大客专高性能柔性沥青砂混合料整治防水保护层粉化暂行技术条件》。可知：无砟轨道线间摊铺压实的冷补植物沥青混合料厚度、渗水系数及压实度均满足技术要求，由其摊铺形成的防水保护层横向和纵向排水坡度满足要求，排水通畅，整治效果良好。

表5 工后验收检测结果

4 结论

1）随着油石比增大，冷补植物沥青混合料的贯入度由1.07 mm 增加到1.28 mm，增量较小。在一定范围内，油石比的变化对冷补料的贯入度影响不大。

2）随着油石比增大，冷补植物沥青混合料的低温弯拉强度先增大后减小，渗水系数逐渐减小，冻融劈裂抗拉强度比逐渐增大。油石比为6.5%时，综合性能较好。

3）采用油石比6.5%制备的冷补植物沥青混合料对寒区无砟轨道防水保护层粉化整治后，冷补植物沥青混合料防水层平整密实，厚度、渗水系数、压实度均符合要求，防水保护层横向和纵向排水坡度满足要求，应用效果良好。