《武汉工程大学学报》  2021年02期 192-196   出版日期：2021-04-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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冷补沥青混合料的制备工艺研究及性能评价


沥青路面因其平整、密实、少尘，且具有较好的耐老化性、耐磨性、温度稳定性和抗行车损坏能力，在国内外得到了广泛的应用［1-2］。但沥青路面在长期的使用过程中出现的路面坑槽会严重影响行车舒适性与安全性［3-5］。针对该问题，国外学者们开发出了高效便捷的修补材料——冷补沥青混合料［6］。不同于热拌沥青混合料，冷补沥青混合料便于制备，施工简单，随取随用，储存性能好，且能应用于低温及雨季路面坑槽修补［7-8］。因此国内越来越多的道路养护单位开始使用冷补沥青混合料。但目前国内有关冷补沥青混合料的设计与性能研究，还未形成一个完善的系统体系［9-10］。我国有关冷补沥青混合料级配设计的研究仍然表现出很大的差别。虽然目前国内冷补沥青混合料的代表性级配是JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中提出的LB型级配，但依然存在许多其它矿料级配，如北京安通科宁建筑材料有限责任公司采用的KN型级配、吉林省公路局采用的AC型级配、山西公路局太原分局采用的AM型级配［11］、同济大学研究时采用的LP型级配［12］。同样对于冷补沥青混合料制备工艺的研究，研究人员也有不同的观点：李峰等［13］提出应采用双面击实25次，养护后再双面击实25次的方法成型马歇尔试件，规范中则采用50次+25次的击实方式；在拌制沥青冷补液时，部分国内厂家与学者选择了加拿大宁枫公司采用的方法，即先将添加剂与稀释剂混合均匀后再与基质沥青混合制成冷补液［14-15］，而另一部分人则认为使用将稀释剂、添加剂依次加入基质沥青中搅拌制成冷补液的工艺即可［16］。冷补沥青混合料作为道路坑槽修补材料，必须具有一定的强度与水稳定性，而国内大多数研究采用测定110 ℃下养护24 h的冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度的方法评价混合料的马歇尔性能与水稳定性［17］，但该方法忽视了少量柴油挥发时冷补沥青混合料的强度与水稳定性。针对上述问题，本文选择SMA-13与LB-13两种骨架型级配，使用热拌法制备不同级配类型的混合料，测定其体积参数与马歇尔稳定度对冷补沥青混合料的级配进行比选分析，在此基础上制备冷补沥青混合料，通过改变冷补沥青混合料的马歇尔试件成型方式与沥青冷补液拌制工艺进行修正马歇尔试验，研究冷补沥青混合料的不同工艺方式对其马歇尔性能与水稳定性的影响。改变冷补沥青混合料的养护条件模拟冷补沥青混合料柴油挥发程度的不同阶段，通过修正马歇尔试验，研究柴油挥发程度对冷补沥青混合料的马歇尔稳定性与水稳定性的影响。最后，通过修正马歇尔试验、黏聚性试验和贯入试验对采用最优工艺方式制备的冷补沥青混合料进行性能评价。1　实验部分1.1　实验原料1）基质沥青：实验采用A级道路石油沥青制备热拌沥青混合料与冷补沥青混合料，根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试A级道路石油沥青的针入度、软化点与延度等参数，结果见表1。表1 　A级道路石油沥青性能指标Tab. 1　Performance indices of grade-A paving asphalt[试验项目 检测结果 技术标准 针入度（25 ℃，5 s，100 g） / 0.1 mm 60～80 65 软化点 / ℃ ≥45 66 60 ℃动力黏度 / （Pa·s） ≥160 200 延度 / cm ≥25 30 闪点 / ℃ ≥260 273 密度（15 ℃） / （g/cm3） 实测记录 1.02 质量变化不大于 ≤±0.8 -0.298 残留针入度比（25 ℃）不小于 ≥61 65 残留延度（10 ℃）不小于 ≥6 15 ]2）稀释剂：沥青中加入稀释剂可以降低沥青的黏度，使沥青在常温下能够保持一定的流动性。常用的稀释剂有柴油、煤油、植物油和汽油等。本实验选取0 #柴油作为稀释剂。3）添加剂：采用树脂类增黏剂来提高冷补沥青混合料强度与冷补液黏度；使用胺类抗剥落剂来增加沥青与集料之间的黏附性，提高混合料的水稳定性。4）集料：实验所用的集料为洁净、干燥、表面粗糙且有棱角的天然石灰石。其表观密度为2.62 g/cm3、吸水率为1.08%、压碎值为9.7%。1.2　实验方案级配设计研究参考JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的SMA-13型级配与LB-13型级配，混合料合成级配见表2，油石比选用5.0。使用2种级配设计制备热拌沥青混合料，通过网篮法与马歇尔试验测定SMA-13型热拌沥青混合料的体积参数与马歇尔稳定度，通过体积法与马歇尔试验测定LB-13型热拌沥青混合料的体积参数与马歇尔稳定度。在研究冷补沥青混合料制备工艺时，实验采用LB-13型级配设计，其合成级配见表2，通过纸迹试验确定最佳油石比为5.0。采用该级配设计制备冷补沥青混合料，使用双面击实25次+养护后再双面击实25次（25次+25次）与双面击实50次+养护后再双面击实25次（50次+25次）2种不同击实方式成型马歇尔试件，通过修正马歇尔试验［11］测定冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度；采用将稀释剂、添加剂依次加入基质沥青中搅拌（工艺1），以及将添加剂和稀释剂混合均匀后再与基质沥青混合（工艺2）2种不同沥青冷补液拌制工艺制备冷补沥青混合料，使用25次+25次的击实方式成型马歇尔试件，通过修正马歇尔试验测定冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度。在研究柴油挥发程度对冷补沥青混合料马歇尔性能及水稳定性的影响时，采用将试件在25、40、110 ℃温度条件下养护24 h分别模拟柴油几乎不挥发、部分挥发、几乎完全挥发下的冷补沥青混合料强度形成的状态，通过修正马歇尔试验测定冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度。采用最优工艺方式制备冷补沥青混合料，通过修正马歇尔试验、黏聚性试验和贯入试验分别测定沥青混合料的马歇尔稳定度、浸水残留稳定度、破损率与贯入强度。表2　SMA-13型与LB-13型沥青混合料级配Tab. 2　Gradations of SMA-13 and LB-13 asphalt mixtures[筛孔尺寸 / mm SMA-13型级配 LB-13型级配 级配中值 / % 合成级配 / % 级配中值 / % 合成级配 / % 13.200 95.0 97.8 95.0 98.3 9.500 62.5 77.1 77.5 84.3 4.750 27.0 32.0 45.0 39.4 2.360 20.5 21.1 25.0 22.3 1.180 19.0 18.1 12.5 17.1 0.600 16.0 14.9 7.5 11.7 0.300 13.0 13.0 6.0 8.5 0.150 12.0 12.2 4.0 7.2 0.075 10.0 10.0 2.5 3.5 ]1.3　实验方法1）冷补沥青混合料的制备。将基质沥青加热至（130±10） ℃后，将适量的0 #柴油、冷补剂、抗剥落剂加入基质沥青中搅拌均匀，降温直到冷补液温度为（90±10） ℃。将加热到（75±5） ℃的集料放入温度为（75±5） ℃的搅拌锅内搅拌5~10 s。将冷补液与集料均匀拌合35~40 s制备得到冷补沥青混合料。2）修正马歇尔试验。参考李峰等［13］的修正马歇尔试验，将定量的冷补沥青混合料在常温下装入马歇尔试模中，双面击实使沥青混合料初步成型。再将模具与混合料一起侧面竖立方式置于110 ℃烘箱中养护24 h，取出后再双面击实25次，成型马歇尔试件。将试件脱模后在25 ℃的恒温水槽中养护30 min，进行马歇尔试验。将试件脱模后在25 ℃恒温水槽中养护48 h，进行马歇尔试验，计算浸水残留稳定度。3）黏聚性试验。黏聚性试验参照JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中的试验方法进行。4）贯入试验。参考李峰等［13］开发的贯入试验，将冷补料松散装满测试盒，将测试盒放入4 ℃冰箱中保温超过3 h。将强度仪的贯入头以恒定的速度完全插入测试盒侧壁的小孔中，维持4 s左右，记录读数，取至少3个试件的平均值记为贯入强度。2　结果与讨论2.1　级配设计研究SMA-13属于骨架密实型结构，LB-13属于骨架空隙型结构，对这2种沥青混合料的体积参数与马歇尔稳定度进行研究可以有效评价出适用于冷补沥青混合料的级配类型，因此实验制备了SMA-13与LB-13两种热拌沥青混合料，测得SMA-13与LB-13两种级配类型沥青混合料的体积参数与马歇尔稳定度，如表3所示。由表3可知，SMA-13型沥青混合料和LB-13型沥青混合料的马歇尔稳定度差异不大，分别为8.92和7.37 kN。这说明骨架型结构中集料的嵌挤作用可以为沥青混合料提供很高的强度，所以冷补沥青混合料选用骨架型结构是合适的。而SMA-13沥青混合料空隙率为3.54%，矿料间隙率为14.89%，沥青饱和度为76.2%；LB-13沥青混合料空隙率为13.42%，矿料间隙率为23.73%，沥青饱和度为43.4%。SMA-13沥青混合料的空隙率与矿料间隙率明显低于LB-13沥青混合料。由于冷补沥青混合料强度形成与柴油挥发量有关，若采用骨架密实型结构的SMA制备冷补沥青混合料，柴油难以挥发导致混合料强度无法形成，所以采用LB骨架空隙型结构更有利于柴油挥发，使得沥青混合料强度形成。2.2　成型工艺及柴油挥发量对冷补沥青混合料性能的影响改变冷补沥青混合料马歇尔试件击实方式分别为25次+25次与50次+25次，采用修正马歇尔试验研究击实方式对冷补沥青混合料马歇尔性能与水稳定性的影响，结果如如图1（a）所示。由图1（a）可知，当冷补沥青混合料马歇尔试件的击实方式由25次+25次变为50次+25次后，混合料的马歇尔稳定度由5.89 kN增加到7.12 kN，浸水残留稳定度由80.6%增加到84.4%，冷补沥青混合料的马歇尔性能与水稳定性均上升。这是由于击实次数的增加，使得冷补料结构更加密实，集料间的内摩擦阻力增强，混合料强度上升；且随着沥青混合料密实性更好，冷补沥青混合料内部空隙总量、连通性和孔径分布发生改变，使其抗水渗透能力增强，混合料水稳定性提高。因此，综合马歇尔稳定度与浸水残留稳定度，建议选取50次+25次的试件成型方式比较合适。采用工艺1与工艺2两种不同沥青冷补液拌制方法制备冷补沥青混合料，通过修正马歇尔试验研究冷补液拌制工艺对冷补沥青混合料马歇尔稳定度与浸水残留稳定度的影响，如图1（b）所示。由图1（b）可知，采用工艺1拌制沥青冷补液制得的冷补沥青混合料马歇尔稳定度为5.89 kN，浸水残留稳定度为80.6%；而采用工艺2拌制沥青冷补液制得的冷补沥青混合料马歇尔稳定度为6.86 kN，浸水残留稳定度度为84.1%。使用工艺2制得的沥青混合料马歇尔性能与水稳定性明显高于使用工艺1制得的沥青混合料。这是因为柴油的稀释作用，会使得抗剥落剂与冷补剂在与基质沥青搅拌时扩散作用增强，分布更加均匀从而使得冷补液各处性能保持一致。根据增黏剂理论，若增黏剂在沥青中的扩散效果越好，则沥青与集料之间的黏结强度越大［18］。而如果采用在沥青中加入冷补剂与抗剥落剂的工艺，则会因沥青稠度太大使得添加剂的扩散作用减弱。因此，在拌制冷补液时，建议采用工艺2的方法，即先将稀释剂与冷补剂、抗剥落剂混合均匀后，再加到基质沥青中搅拌均匀。将马歇尔试件置于25、40、110 ℃温度下养护24 h后，测定马歇尔稳定度与浸水残留稳定度，以此来研究柴油挥发对冷补沥青混合料马歇尔性能与水稳定性的影响，实验结果如图1（c）所示。由图1（c）可知，当养护温度为25 ℃时，试件遇水松散，无法测试马歇尔稳定度，表明冷补沥青混合料在柴油几乎不挥发的情况下强度无法形成。当养护温度为40 ℃时，冷补沥青混合料的马歇尔稳定度为1.67 kN，浸水残留稳定度为35.0%，此时柴油部分挥发，冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度虽然很小，但混合料已经开始具备一定的强度与水稳定性。当养护温度为110 ℃时，冷补沥青混合料的马歇尔稳定度为5.89 kN，浸水残留稳定度为80.6%，此时柴油已大量挥发，冷补沥青混合料的马歇尔性能与水稳定性均达到较好的水平，说明混合料的强度基本已经形成。综上可得，随着柴油挥发量的增多，冷补沥青混合料的马歇尔性能与水稳定性逐渐增强。这是由于试件内稀释剂柴油的挥发量很少的情况下，冷补沥青混合料的强度仍然主要依靠骨架间的嵌挤作用，但当水进入冷补料的结构空隙后，由于沥青黏度太小，无法起到黏结集料作用。在水动力作用下，集料间黏结力丧失从而发生破坏。而当柴油大量挥发后，沥青黏度增强从而可以有效增加沥青混合料强度与水稳定性。由于柴油挥发程度对冷补沥青混合料强度形成影响较大，所以在实际生产中应注意冷补液柴油掺量，施工时避免过度压实导致柴油挥发缓慢。2.3　最佳工艺制备的冷补沥青混合料性能评价采用50次+25次的击实方式与工艺2的冷补液拌制工艺制备冷补沥青混合料，通过修正马歇尔试验、黏聚性试验、贯入试验测定冷补沥青混合料马歇尔稳定度、浸水残留稳定度、破损率与贯入强度，结果如表4所示。表4　最佳工艺制备的冷补沥青混合料的主要性能参数Tab. 4　Main performance parameters of cold patch asphalt mixtures prepared by optimum process[级配类型 马歇尔稳定度 / kN 浸水48 h后的稳定度 / kN 浸水残留稳定度 / % 贯入强度 / MPa 破损率 / % LB-13 8.04 6.98 86.8 3.02 5.3 ]由表4可知，使用50次+25次的击实方式与工艺2的冷补液拌制工艺制备冷补沥青混合料，其马歇尔稳定度可达8.04 kN，浸水残留稳定度可达86.8%，贯入强度可达3.02 MPa，破损率为5.3%，采用此工艺方式制备的冷补沥青混合料性能优良。3　结　论1）SMA-13热拌沥青混合料马歇尔稳定度略高于LB-13热拌沥青混合料。但SMA-13沥青混合料空隙率为3.54%，矿料间隙率为14.89%；LB-13沥青混合料空隙率为13.42%，矿料间隙率为23.73%，LB-13沥青混合料的空隙率与矿料间隙率高于SMA-13沥青混合料。综合冷补沥青混合料强度形成机理，大空隙结构更有利于柴油的挥发，从而后期强度可快速增加，所以选择LB-13型级配制备冷补沥青混合料。2）增加击实次数可以提高冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度，当击实次数为50次+25次时，沥青混合料马歇尔稳定度可达7.18 kN，浸水残留稳定度可达84.4%。冷补液采用工艺1制得的沥青混合料马歇尔稳定度为5.89 kN，浸水残留稳定度为80.6%；而冷补液采用工艺2制得的沥青混合料马歇尔稳定度为6.86 kN，浸水残留稳定度为84.1%，高于使用工艺1制得的沥青混合料。因此制备冷补沥青混合料成型击实方式应选择50次+25次，沥青冷补液拌制时采用将添加剂与稀释剂混合均匀后再与基质沥青混合的拌制方法。3）随着养护温度的升高，所模拟的冷补沥青混合料中柴油挥发周期增加，则混合料柴油挥发量也逐渐增多，冷补沥青混合料的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度逐渐上升。当养护温度为110 ℃时，混合料内部柴油几乎完全挥发，混合料的马歇尔稳定度为5.89 kN，浸水残留稳定度为80.6%，冷补沥青混合料的马歇尔性能与水稳定性均达到一定水平，可满足坑槽修补后路面的使用要求，而养护温度为25 ℃时，试件遇水发生松散，冷补沥青混合料强度无法形成。所以柴油挥发程度对于冷补沥青混合料的强度的形成影响较大。4）使用50次+25次的击实方式与工艺2的冷补液拌制工艺可制得性能优良的冷补沥青混合料，其马歇尔稳定度可达8.04 kN，浸水残留稳定度可达86.8%，贯入强度可达3.02 MPa，破损率为5.3%。