溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)研究

郭忠寶

(遼寧省交通建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110000)

瀝青路面在服役過(guò)程中，在光、氧、水以及車輛荷載的作用下，加之施工因素的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生坑槽病害[1]。而溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料作為坑槽病害修補(bǔ)的常用材料，一直是研究人員和工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)[2]。但由于稀釋劑的加入，與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料不同，在其材料組成設(shè)計(jì)中，不僅重點(diǎn)關(guān)注其體積指標(biāo)和相關(guān)性能指標(biāo)，其各種添加劑的組成同樣重要，對(duì)于冷補(bǔ)瀝青混合料的長(zhǎng)期使用性能起到至關(guān)重要的作用[3]，要結(jié)合混合料的路用性能采用綜合設(shè)計(jì)方法。因此主要針對(duì)溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料的材料組成設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 材料的選擇

冷補(bǔ)瀝青混合料與傳統(tǒng)改性瀝青熱拌混合料材料組成相同外，為提高其早期強(qiáng)度及路用性能，本研究在溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料中加入改性劑、增粘劑、抗剝落劑、稀釋劑等。其中，改性劑為線性SBS，增粘劑為樹(shù)脂類材料，稀釋劑為柴油，抗剝落劑為含有聚酰胺成分的液體添加劑。

2 冷補(bǔ)瀝青混合料材料組成設(shè)計(jì)

為對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料設(shè)計(jì)參數(shù)及所用材料比例進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)空隙率、稀釋劑用量以及各種外摻劑用量。首先選擇設(shè)計(jì)空隙率、增粘劑摻量、稀釋劑摻量、抗剝落劑四項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行冷補(bǔ)料性能的敏感性分析，試驗(yàn)因素與水平如表1所示。然后分別對(duì)各冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行粘附性試驗(yàn)、粘聚性試驗(yàn)、初期強(qiáng)度試驗(yàn)、后期強(qiáng)度試驗(yàn)并計(jì)算黏附等級(jí)、粘聚性殘留率、穩(wěn)定度殘留率等指標(biāo)。分別對(duì)冷補(bǔ)料的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行敏感性因素分析，選出各單項(xiàng)性能指標(biāo)最優(yōu)時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)組合方案，并對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性進(jìn)行排序。

表1 試驗(yàn)因素與水平

3 冷補(bǔ)瀝青混合料性能測(cè)試

3.1 粘聚性試驗(yàn)

為保證填補(bǔ)材料的穩(wěn)定性以及與原有瀝青路面形成一個(gè)有效傳遞拉壓應(yīng)力的整體，冷補(bǔ)瀝青混合料必須具有良好的粘聚性。本次研究采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)提供的方法進(jìn)行試驗(yàn)，以殘留率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 粘聚性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表2可以看出，各試驗(yàn)組合的混合料的破損率均極低，粘聚性好。說(shuō)明9種配方的冷補(bǔ)瀝青混合料均易于與原鋪裝結(jié)構(gòu)形成整體，界面性弱，結(jié)合緊實(shí)。此結(jié)果也與級(jí)配穩(wěn)定度高、油石比含量適宜有關(guān)。

3.2 初期強(qiáng)度

冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度測(cè)試與熱拌瀝青混合料不同，在初期強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，將雙面擊實(shí)50次的馬歇爾試件置于恒溫箱中15℃保溫至恒溫后測(cè)試其穩(wěn)定度。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1～圖4所示。

表3 初期強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖1 早期強(qiáng)度與設(shè)計(jì)空隙率關(guān)系

圖2 早期強(qiáng)度與增粘劑摻量關(guān)系

圖3 早期強(qiáng)度與稀釋劑摻量關(guān)系

圖4 早期強(qiáng)度與抗剝落劑摻量關(guān)系

由表3及圖1～圖4可以看出，稀釋劑用量越小、增粘劑摻量越高、空隙率越小則冷補(bǔ)料的初期強(qiáng)度越好，其敏感性因素為稀釋劑摻量、增粘劑摻量和設(shè)計(jì)空隙率，抗剝落劑因素影響不顯著，且稀釋劑對(duì)拌和性的影響更為明顯，因此為提高冷補(bǔ)瀝青混合料的初期強(qiáng)度，需對(duì)空隙率、增粘劑摻量和稀釋劑摻量進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)。

初期強(qiáng)度對(duì)于冷補(bǔ)料具有重要意義，冷補(bǔ)路面的強(qiáng)度是隨著開(kāi)放交通時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大的，初期強(qiáng)度反而成為制約冷補(bǔ)路面耐久性的關(guān)鍵因素?？紤]到初期強(qiáng)度的最佳組合方案中，增粘劑摻量應(yīng)取最大值，空隙率應(yīng)取最小值，且空隙率對(duì)初期強(qiáng)度的影響敏感性居中，但對(duì)于后期強(qiáng)度而言，空隙率的影響遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)的影響，因此在提高設(shè)計(jì)空隙率保證冷補(bǔ)料有一個(gè)較快的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率和初期強(qiáng)度的同時(shí)，空隙率又不能太大，以防造成冷補(bǔ)料初期強(qiáng)度過(guò)低的缺陷，應(yīng)對(duì)此有所考慮，所以選取中值。

3.3 后期強(qiáng)度及殘留穩(wěn)定度

隨著稀釋劑的揮發(fā)，冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度逐漸提高，因此，其后期強(qiáng)度同樣作為一種重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度前，需將試件同試模一起以側(cè)面豎立方式置110℃烘箱中養(yǎng)生，取出后再雙面擊實(shí)25次[5]。同時(shí)，由于混合料的空隙率較大，抗水損害能力是其長(zhǎng)期使用性能至關(guān)重要的一點(diǎn)。研究采用的冷補(bǔ)瀝青混合料穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 穩(wěn)定度及殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表4及圖5～圖12可以看出，對(duì)于后期強(qiáng)度性能而言，空隙率的影響遠(yuǎn)大于稀釋劑和增粘劑摻>量的影響，并且后期強(qiáng)度是受空隙率影響較大的性能指標(biāo)，空隙率15%±0.5%略好于20%±0.5%，差別不顯著，空隙率為10%±0.5%時(shí)后期強(qiáng)度各項(xiàng)指標(biāo)明顯偏低。因此，建議冷補(bǔ)瀝青混合料空隙率控制在15%～18%之間，既滿足初期強(qiáng)度的要求，又使混合料的后期強(qiáng)度較高。

圖5 后期強(qiáng)度(60min)與設(shè)計(jì)空隙率關(guān)系

圖6 后期強(qiáng)度(60min)與增粘劑摻量關(guān)系

圖7 后期強(qiáng)度(60min)與稀釋劑摻量關(guān)系

圖8 后期強(qiáng)度(60min)與抗剝落劑摻量關(guān)系

圖9 后期強(qiáng)度(48h)與設(shè)計(jì)空隙率關(guān)系

圖10 后期強(qiáng)度(48h)與增粘劑摻量關(guān)系

圖11 后期強(qiáng)度(48h)與稀釋劑摻量關(guān)系

圖12 后期強(qiáng)度(48h)與抗剝落劑摻量關(guān)系

殘留穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果如圖13～圖16所示?？梢钥闯?，殘留穩(wěn)定度的敏感性因素主要為增粘劑和抗剝落劑，尤以增粘劑影響最大，不同于后期穩(wěn)定性的敏感性因素，添加劑對(duì)殘留穩(wěn)定度的影響明顯>增強(qiáng)。這說(shuō)明隨著增粘劑和抗剝落劑摻量的提高，冷補(bǔ)瀝青混合料的粘接力越來(lái)越高。當(dāng)改性瀝青加入稀釋劑后，原有改性瀝青的性能被破壞，添加劑的加入使冷補(bǔ)液的性能得到改善，使其冷補(bǔ)料具有更好長(zhǎng)期穩(wěn)定的黏附性能。增粘劑對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的影響遠(yuǎn)大于其他幾種材料，且增粘劑摻量在4%時(shí)，殘留穩(wěn)定度最高。

圖13 殘留穩(wěn)定度與設(shè)計(jì)空隙率關(guān)系

圖14 殘留穩(wěn)定度與增粘劑摻量關(guān)系

圖15 殘留穩(wěn)定度與稀釋劑摻量關(guān)系

圖16 殘留穩(wěn)定度與抗剝落劑摻量關(guān)系

3.4 冷補(bǔ)瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)比選

冷補(bǔ)瀝青混合料性能的影響因素排序如表5所示，由上述分析可以看出，初期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度(1h)、后期強(qiáng)度(48h)、殘留穩(wěn)定度的影響因素分別為：稀釋劑、空隙率、抗剝落劑、增粘劑。通過(guò)對(duì)影響冷補(bǔ)瀝青混合料性能關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，對(duì)空隙率、添加劑、稀釋劑等進(jìn)行篩選，逐步優(yōu)化冷補(bǔ)瀝青混合料的配比。最終確定設(shè)計(jì)空隙率為15%±0.5%、線性SBS改性劑5%、增粘劑摻量4%、抗剝落劑摻量3.5%，而稀釋劑的摻量宜根據(jù)使用環(huán)境溫度進(jìn)行確定，確保混合料在不同溫度下的施工和易性。

表5 冷補(bǔ)料后期強(qiáng)度穩(wěn)定性最優(yōu)參數(shù)組合方案及敏感性排序

4 結(jié)論

(1)采用正交試驗(yàn)，對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的材料組成設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)初期強(qiáng)度、后期強(qiáng)度、水穩(wěn)定性的敏感性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：稀釋劑的摻量和空隙率的大小對(duì)初期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度影響較大，為保證冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度要求，需適當(dāng)提高空隙并保證其后期的水穩(wěn)定性。

(2)抗剝落劑的摻量對(duì)水穩(wěn)定性影響較大，當(dāng)粘附性不滿足要求時(shí)，應(yīng)添加抗剝落劑，其摻量宜控制在3%～5%之間。

(3)綜合評(píng)價(jià)冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度性能，本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的瀝青混合料的空隙率宜在15%～18%之間。

(4)采用正交試驗(yàn)，對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料比例進(jìn)行確定，結(jié)果表明：設(shè)計(jì)空隙率為15%±0.5%、線性SBS改性劑5%、增粘劑摻量4%、抗剝落劑摻量3.5%，稀釋劑的摻量宜根據(jù)使用環(huán)境溫度進(jìn)行確定。