寒區(qū)冷補瀝青混合料的制備與性能研究

林森林

(遼寧大通公路工程有限公司 沈陽市 110000)

0 引言

在道路養(yǎng)護中，路面坑槽修補可分為熱補法和冷補法，冷補法有其獨特的優(yōu)點，在常溫或低溫下進行修補的冷補料具有施工方便快捷、不封閉交通、環(huán)境污染小、受氣候條件限制小等優(yōu)點，應用前景十分廣泛。前蘇聯(lián)、美國在20世紀30～40年代便開始冷補瀝青混合料的研究與應用，隨后日本、歐洲也相繼對冷補瀝青混合料進行了研究。國外使用的瀝青結(jié)合料主要是乳化瀝青，為了滿足快速開放道路交通的要求，如何控制破乳時間成為關鍵技術難題之一。目前，該技術多為國外生產(chǎn)廠商的專利技術，價格非常昂貴。我國對冷補瀝青的研究起步較晚，大量關于冷補瀝青的研究和應用始于20世紀90年代，但近十多年來相關材料的研究受到越來越多科研機構(gòu)及學者的重視。已有研究多使用稀釋瀝青制備高性能冷補料，同時針對冷補料的制備技術、性能評價方法及應用注意事項進行了探究與總結(jié)。

工程應用中發(fā)現(xiàn)目前常用的冷補瀝青材料在常溫下施工時性能尚可達到要求，但在冬季寒冷氣候條件下使用則存在材料結(jié)塊、和易性差、不易攤鋪碾壓、材料松散、不易形成整體強度以及使用壽命較短等諸多問題。因此，針對寒區(qū)瀝青路面，研究開發(fā)具有優(yōu)越性能的冷補瀝青混合料具有十分重要的現(xiàn)實意義。

從原材料選擇、添加劑調(diào)配、配合比設計與生產(chǎn)工藝等方面著手制備高性能冷補瀝青混合料，研究冷補瀝青混合料的施工工藝，以提出適合寒區(qū)瀝青路面使用的冷補瀝青混合料。

1 原材料及試驗方法

1.1 瀝青

采用90號A級石油瀝青，主要技術指標見表1。

表1 90號A級石油瀝青主要技術指標

1.2 稀釋劑

基于冷補瀝青混合料特殊的路用性能要求，需要加入一定量的稀釋劑，使瀝青粘度降低，保證拌和后冷補瀝青混合料在低溫下不凝結(jié)。稀釋劑可采用極性與瀝青相似的汽油、煤油或柴油。由于冷補瀝青混合料一般需儲存很長時間，一般選用揮發(fā)慢的柴油。

柴油一般分為10號、5號、0號、-10號、-20號、-35號、-50號等型號，不同型號柴油的凝固點不同，適用溫度見表2。依托工程所在地的最低溫度為-29℃，且-35號柴油作為稀釋劑，適合于風險率為10%的最低氣溫在-29°C以上的地區(qū)使用，出于經(jīng)濟性考慮，選擇-35號柴油作為稀釋劑。

表2 各標號柴油適用溫度

1.3 添加劑

冷補瀝青添加劑主要由脂肪酸及脂肪族多胺組成，它不僅能夠提高骨料界面的潤濕程度，還有效增加骨料和瀝青之間的粘附力，提高瀝青低溫流動性能。瀝青在使用冷補添加劑之后，會在石料表面形成一種膠體結(jié)構(gòu)，增加粘結(jié)層的厚度，減少混合物中的溶劑流失，提高混合物的抗壓能力。本文選用美國“科寧”牌冷補瀝青添加劑。

1.4 骨料及級配

由于堿性骨料較酸性骨料與瀝青粘附性更好，且石灰?guī)r在東北地區(qū)分布較廣泛，故采用石灰?guī)r作為骨料。冷補瀝青混合料分為細粒式(LB-10、LB-13)、中粒式(LB-16)和粗粒式(LB-19)。

粗集料采用碎石，抗滑表層的石灰石石料滿足表3的技術要求。粗集料應潔凈、干燥、無風化、無有害雜質(zhì)，且具有一定硬度和強度，具有良好的顆粒形狀。

表3 抗滑表層的石灰石堿性石料技術指標

細集料采用人工砂，應潔凈、干燥、無風化、無有害雜質(zhì)，有適當?shù)念w粒組成，并與改性瀝青具有良好的粘附性，視密度不小于2.5t/m3。

礦粉應由石灰?guī)r中的強基性巖石磨制而成，要求視密度不小于2.5t/m3，含水量不大于1%。

考慮到瀝青冷補材料主要用于瀝青面層的修補，骨料不宜太粗，本文以LB-13型瀝青混合料為研究對象。

1.5 冷補液配合比

冷補液配合比見表4。

表4 冷補液配合比

1.6 最佳油石比

冷補瀝青混合料的制備參照規(guī)范中馬歇爾試驗，確定其油石比為4.8%，試驗結(jié)果見表5。

表5 馬歇爾試驗技術指標

2 冷補瀝青混合料性能研究

2.1 粘附性試驗

通過大量的室內(nèi)外對比試驗，參照現(xiàn)行《公路瀝青路面設計規(guī)范》中對熱拌瀝青混合料的要求，建議冷補瀝青混合料的粘附性等級指標應不小于4級。

通過水煮法試驗，試塊瀝青膜保存完好，破損率小于40%，剝離面積趨于0，黏附性性能等級均為5級，說明冷補料的粘附性較好。

2.2 冷補瀝青混合料浸水馬歇爾試驗

用冷補瀝青混合料成型馬歇爾試件，將其置于60℃恒溫水箱中，進行浸水馬歇爾試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 冷補瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，A、B兩種冷補液的冷補瀝青混合料均具有較高的穩(wěn)定度，且兩種混合料的殘留穩(wěn)定度都達到了95%左右，滿足殘留穩(wěn)定度大于75%的要求，B型混合料殘留穩(wěn)定度略高于A型。

2.3 冷補瀝青混合料凍融劈裂試驗

冷補瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果如表7所示。

表7 冷補瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明，A、B兩種冷補液的冷補瀝青混合料的凍融劈裂強度比均大于90%，滿足凍融劈裂強度比大于70%的要求，在實際工程中，可較好地抵抗雨雪凍融。

對比A、B兩種冷補液的冷補瀝青混合料，A型冷補液效果較好。因為雖然從穩(wěn)定度上B型冷補瀝青混合料的強度更高，但是其劈裂強度比相對較低。考慮到北方地區(qū)長期低溫凍融的環(huán)境條件，A型冷補瀝青混合料能更好抵抗雨雪凍融，更適合于工程應用。

3 冷補瀝青混合料生產(chǎn)及施工工藝

3.1 冷補液制備

(1)將瀝青加熱到120～140℃。

(2)按比例將柴油加入到基質(zhì)瀝青中。

(3)按比例加入添加劑。

(4)攪拌均勻即可。

3.2 冷補瀝青混合料制備

宜采用拌和場機械拌和，拌和時間不宜超過30s，拌和溫度不超過40℃。

(1)將集料在拌和樓內(nèi)完成烘干、除塵和篩分，并按設計配比輸入拌缸干拌，冷卻至40℃左右。

(2)加入冷補瀝青進行二次攪拌。

3.3 冷補瀝青混合料的包裝及儲存

為防止冷補瀝青混合料中輕質(zhì)油分揮發(fā)，應采用具有防揮發(fā)功能的雙層密封包裝袋包裝，每袋重量控制在20～50kg為宜。

為保障冷補材料具有較好的和易性和使用效果，該材料應采用庫房儲存，庫房的環(huán)境溫度應在-15～25℃范圍內(nèi)為宜，堆放高度不得超過10袋。

3.4 試驗路鋪筑

為了驗證冷補瀝青混合料的路用性能，對其進行了試驗路鋪筑。坑槽修補工藝如下：

(1)用切割機具將坑槽切割成幾何圖形，保證坑壁直立，清除坑內(nèi)雜物。

(2)根據(jù)實際用量將冷補材料倒入坑內(nèi)，整平，整平后虛鋪厚度應高于原路面2cm。

(3)用平板夯夯實，夯實后保證路面平整。

(4)施工結(jié)束后即開放交通。

修補后效果如圖1所示。經(jīng)過3個月的使用后，通過行車荷載的碾壓，密實度、強度逐漸提高，沒有出現(xiàn)松散、破損等病害，實際使用效果良好，能夠滿足沈陽地區(qū)冬季路面維修的需要。

3.5 經(jīng)濟性分析

(1)社會效益

隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市機動車保有量逐漸增加，交通擁堵時有發(fā)生，以往道路維修的那種封閉道路方式已經(jīng)不適合，要滿足城市道路維修“快進、快出”的要求，使用冷補料可將維修施工對交通影響降到最小。特別是北方城市冬季無法生產(chǎn)熱料時，冷補料就更能顯現(xiàn)出優(yōu)勢。一般情況下使用冷補料修補道路比傳統(tǒng)熱料修補可節(jié)省時間30min以上。冷補料在道路維修的小面積應急搶修和冬季道路維修方面創(chuàng)造了很高的社會價值，這是無法用經(jīng)濟來衡量的價值。

(2)經(jīng)濟效益

冷補料市場上應用較多，價格差距較大，質(zhì)量也參差不齊。本文探索研究適合東北氣候特點的冷補料，價格上與進口冷補料或其他產(chǎn)品比較，存在較大優(yōu)勢。且投入的人工、機械等均能節(jié)省大量資金。因此，使用冷補料進行城市道路養(yǎng)護較快捷、便利，對交通影響小，具有可觀的社會價值和經(jīng)濟價值。

4 結(jié)論

(1)寒冷地區(qū)，由74%基質(zhì)瀝青、24%柴油、2%添加劑組成的冷補液所制備的冷補瀝青混合料更適用于北方寒冷氣候。

(2)按照本文研究的冷補瀝青混合料配合比及生產(chǎn)工藝對瀝青路面的坑槽進行現(xiàn)場修補試驗，效果良好。

(3)研究的適合寒冷地區(qū)特點的冷補料在材料成本與施工價格上與進口冷補料或其他產(chǎn)品相比均存在較大優(yōu)勢，可快速修復道路，對交通影響小，具有可觀的社會價值和經(jīng)濟價值。