成品瀝青冷補(bǔ)料關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究與性能評價

基金項目：

廣西重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“濕熱地區(qū)瀝青路面先進(jìn)綠色快速養(yǎng)護(hù)材料研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)”（編號：桂科AB19245019）

作者簡介：

吳志強(qiáng)（1991—），工程師，主要從事高速公路項目計量、合同、招標(biāo)、法務(wù)管理等工作。

摘要：基于稀釋劑、改性劑、穩(wěn)定劑、抗剝落劑等材料的組合，文章研究開發(fā)了一種復(fù)合改性溶劑型成品冷補(bǔ)瀝青混合料。以冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度為評價指標(biāo)，分析不同材料組合對冷補(bǔ)料性能的影響，優(yōu)化其配方，對比不同儲存時間和儲存溫度下冷補(bǔ)料的馬歇爾穩(wěn)定度，確定其儲存環(huán)境及保質(zhì)期。結(jié)果表明：柴油和煤油作為稀釋劑的冷補(bǔ)料性能差異不大；摻加改性劑可提高冷補(bǔ)料強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能；摻加抗剝落劑可進(jìn)一步提高冷補(bǔ)料的強(qiáng)度，但對水穩(wěn)定性能無顯著影響；確定冷補(bǔ)料配比為：100%AC-13礦料、4.5%冷補(bǔ)劑，其中冷補(bǔ)劑由100% 70#基質(zhì)瀝青、20%柴油、1%SBS、2%抗剝落劑組成；冷補(bǔ)料的馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)7.22 kN，殘留穩(wěn)定度可達(dá)97.4%，其在20 ℃室溫環(huán)境下的保質(zhì)期可達(dá)10個月，說明冷補(bǔ)料路用性能和儲存穩(wěn)定性良好，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：瀝青；冷補(bǔ)料；路用性能；馬歇爾穩(wěn)定度；殘留穩(wěn)定度

中圖分類號：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 09 025 4

0 引言

坑槽是我國各等級公路中常見的病害之一，其會影響路面使用性能、行車舒適度、安全性和美觀性，若不及時處理，其坑槽將隨行車作用進(jìn)一步擴(kuò)大和加深，引發(fā)深層病害，降低路面使用壽命［1］。現(xiàn)階段的坑槽修補(bǔ)方式總體可分為熱補(bǔ)法、熱再生法、溫補(bǔ)法和冷補(bǔ)法。其中，冷補(bǔ)法工藝具有設(shè)備簡單、無須加熱、施工方便、污染排放小等優(yōu)勢，是一種優(yōu)良的坑槽修補(bǔ)方式。冷補(bǔ)法的主要填料是冷補(bǔ)料，又可分為溶劑型、反應(yīng)型和乳化性三種［2-3］，其中，溶劑型冷補(bǔ)料因其即取即用、開放交通快、受施工溫度和天氣影響較小等特點(diǎn)［4-6］，廣受青睞。然而，市面現(xiàn)有的成品冷補(bǔ)瀝青混合料質(zhì)量參差不齊，大多存在力學(xué)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性較低、儲存耐久性不足等問題，導(dǎo)致冷補(bǔ)料的實際使用效果不佳。因此，本研究通過紙跡試驗［7］+馬歇爾指標(biāo)綜合確定冷補(bǔ)料的油石比，基于馬歇爾力學(xué)指標(biāo)、水穩(wěn)定性能，優(yōu)化冷補(bǔ)料配方，開發(fā)了一種復(fù)合改性溶劑型瀝青冷補(bǔ)料，確定了適宜的儲存環(huán)境和儲存時間。該冷補(bǔ)料的強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好、耐久性好，可實現(xiàn)路面坑槽低碳快速修補(bǔ)，提高路面養(yǎng)護(hù)維修工程質(zhì)量。

1 原材料

冷補(bǔ)劑由國創(chuàng)泰普克70#基質(zhì)瀝青、稀釋劑、改性劑、穩(wěn)定劑、抗剝落劑等原材料加工制成。其中，稀釋劑采用柴油和煤油，改性劑采用線性SBS改性劑，穩(wěn)定劑為黑色粉末，抗剝落劑為水泥。粗細(xì)集料采用輝綠巖集料，填料采用石灰?guī)r磨制礦粉，級配采用AC-13型級配。詳見表1～3和下頁圖1。

2 試驗方案與方法

2.1 試驗方案

2.1.1 冷補(bǔ)料油石比確定

以油石比4.5%為中值，按照增減0.3%取5個冷補(bǔ)料油石比值，制備冷補(bǔ)瀝青混合料。基于紙跡試驗和馬歇爾試驗結(jié)果，分析紙跡、馬歇爾體積-力學(xué)指標(biāo)與冷補(bǔ)料油石比的關(guān)系，綜合確定冷補(bǔ)料最佳油石比。

成品瀝青冷補(bǔ)料關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究與性能評價/

吳志強(qiáng)，易可良，禤煒安

2.1.2 路用性能對比驗證

通過改變稀釋劑種類、稀釋劑摻量，以及摻加SBS改性劑、抗剝落劑，對比各原材料對冷補(bǔ)料穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度的影響，優(yōu)化冷補(bǔ)劑配方，自主研發(fā)一批冷補(bǔ)料。試驗變量設(shè)置見表4。通過對比其與市面常規(guī)冷補(bǔ)料的路用性能，進(jìn)一步進(jìn)行驗證。

2.1.3 儲存性能試驗與研究

為實現(xiàn)冷補(bǔ)料成品預(yù)制和售后儲存，冷補(bǔ)料須在一定溫度條件下，經(jīng)過較長時間的儲存后仍具有良好的路用性能，即較長的保質(zhì)期。將冷補(bǔ)料分別置于20 ℃和60 ℃的環(huán)境中儲存15 d、1個月后，測試其馬歇爾穩(wěn)定度，初步確定適宜的冷補(bǔ)料儲存溫度。再將一批冷補(bǔ)料置于既定溫度下密封儲存，分別于齡期0 d、15 d、1個月、2個月、3個月、6個月、12個月取料測試馬歇爾穩(wěn)定度，定量分析冷補(bǔ)料路用性能的衰減情況，從而確定其保質(zhì)期。

2.2 試驗方法

2.2.1 自研冷補(bǔ)料制備

將礦料加熱至75 ℃，冷補(bǔ)劑加熱至90 ℃，倒入拌和鍋中攪拌90 s，倒入礦粉和抗剝落劑（如有）繼續(xù)攪拌90 s，出料溫度為75 ℃±5 ℃，冷卻至常溫備用。

2.2.2 紙跡試驗

取75 ℃新制冷補(bǔ)料，放置在一張白紙上1～2 min，小心抓取移除紙上的冷補(bǔ)料，觀測紙上殘留的墨跡。

2.2.3 冷補(bǔ)料馬歇爾試驗

稱取1 180 g冷補(bǔ)料，在常溫下裝入試模，雙面擊實50次后于110 ℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后再雙面擊實25次，室溫放置24 h，脫模后在60 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生30 min，參照《瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗》（JTG E20-2011 T0709）進(jìn)行馬歇爾試驗。

2.2.4 冷補(bǔ)料車轍試驗

參照《瀝青混合料試件制作方法（輪碾法）》（JTG E20-2011 T0703）成型試塊，參照《瀝青混合料車轍試驗》（JTG E20-2011 T0719）進(jìn)行25 ℃車轍試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 紙跡試驗+馬歇爾指標(biāo)綜合確定油石比

紙跡試驗結(jié)果見圖2，馬歇爾試驗結(jié)果見圖3。

觀察圖2紙跡試驗結(jié)果可知，油石比為3.9%時墨跡淡、油斑小，說明油石比偏低；油石比為5.1%時的墨跡重，油斑較大且互相粘連，說明油石比偏高；當(dāng)油石比為4.2%～4.8%時，墨跡適中，說明油石比較合適。

由圖3馬歇爾試驗結(jié)果顯示OAC1=4.55%，OAC2=4.45，最佳油石比為4.5%，與紙跡試驗結(jié)果相符。由圖3（a）、圖3（b）可知，當(dāng)油石比由3.9%增大至4.5%時，冷補(bǔ)料毛體積相對密度、穩(wěn)定度呈增大趨勢，當(dāng)油石比為4.5%時，穩(wěn)定度達(dá)到峰值，說明在此區(qū)間內(nèi)，冷補(bǔ)料內(nèi)部粘結(jié)隨著油石比增大而提高；而當(dāng)油石比gt;4.5%后，密度不再增長，但空隙率持續(xù)減小，瀝青飽和度持續(xù)增大，說明當(dāng)油石比gt;4.5%后，空隙多被密度較小的瀝青膠漿所填充。綜上，確定該級配冷補(bǔ)料最佳油石比為4.5%，后續(xù)試驗采用該油石比進(jìn)行。

3.2 路用性能優(yōu)化與對比

冷補(bǔ)劑配方試驗結(jié)果見表5和圖4。

結(jié)果分析如下：

（1）對比J1和J2、G1和G2可知，采用相同摻量的柴油或煤油作為稀釋劑時，二者馬歇爾力學(xué)性能接近，均滿足JTG 972（以下簡稱“規(guī)范”）中MS≥3kN的要求，但二者殘留穩(wěn)定度均不滿足規(guī)范MS0≥85%的要求，需優(yōu)化配方。其中柴油安全性較好，因此稀釋劑選擇柴油較合適。

（2）對比J1和G1、J2和G2可知，稀釋劑采用柴油亦或煤油時，摻加1%SBS改性劑對馬歇爾穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定的提升均較為明顯，SBS改性冷補(bǔ)料的穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求。

（3）對比G3和K1可知，摻加2%抗剝落劑的冷補(bǔ)料水穩(wěn)定性良好，抗剝落劑摻加與否對殘留穩(wěn)定度的影響較小，但對馬歇爾強(qiáng)度指標(biāo)的提升較為明顯，由此可知抗剝落劑能進(jìn)一步提升冷補(bǔ)料的強(qiáng)度。

基于馬歇爾穩(wěn)定對比自主研發(fā)的冷補(bǔ)料與市面常見同類型冷補(bǔ)料進(jìn)行對比，結(jié)果見表6。由表6可見，自主研發(fā)的冷補(bǔ)料具有良好的馬歇爾力學(xué)性能。

綜上，冷補(bǔ)料優(yōu)化配方為：AC-13礦料為100%，油石比為4.5%，其中冷補(bǔ)劑由100% 70#基質(zhì)瀝青、20%柴油、1% SBS、2%抗剝落劑組成。

3.3 瀝青冷補(bǔ)料儲存性能

3.3.1 儲存環(huán)境的確定

20 ℃和60 ℃環(huán)境中儲存15 d、1個月后的冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖5。

由圖5可知，不同儲存時間條件下，20 ℃儲存的冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度均明顯高于60 ℃儲存的冷補(bǔ)料，這是因為儲存溫度越高，有機(jī)溶劑揮發(fā)越快，冷補(bǔ)料的板結(jié)程度越大、和易性越差，不利于冷補(bǔ)料成型，導(dǎo)致馬歇爾穩(wěn)定度降低。因此，建議將冷補(bǔ)料置于陰涼的室內(nèi)儲存。

3.3.2 儲存時間的確定

20 ℃環(huán)境下儲存不同時間的冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，隨儲存時間的延長，馬歇爾穩(wěn)定度總體呈緩慢衰減的趨勢，前6個月衰減幅度較小，衰減率為19.6%；儲存到第12個月時，馬歇爾穩(wěn)定度為3.04 kN，仍能滿足規(guī)范要求，總衰減率為57.5%，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，冷補(bǔ)料尚保持良好的施工和易性，未存在明顯的結(jié)團(tuán)硬化現(xiàn)象。根據(jù)冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度y隨月度x的衰減規(guī)律y=-0.015 5x2-0.132 4x+6.895 6，R2=0.958 4，當(dāng)x為10個月和11個月時，馬歇爾穩(wěn)定度約為4.02 kN和3.56 kN，均滿足規(guī)范要求，衰減率約為43.8%和50.2%。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度衰減率≤50%為宜，因此儲存時間宜控制在＜10個月，保質(zhì)期定為10個月。

4 結(jié)語

柴油和煤油作為稀釋劑的冷補(bǔ)料性能差異不大，摻加改性劑、抗剝落劑可改善冷補(bǔ)料路用性能。由100%70#基質(zhì)瀝青、20%柴油、1%SBS、2%抗剝落劑制備冷補(bǔ)劑，以AC-13級配、4.5%油石比制備冷補(bǔ)料，其冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度可達(dá)7.22 kN，殘留穩(wěn)定度達(dá)97.4%，性能符合規(guī)范要求，且比市面同類型冷補(bǔ)料路用性能更佳，室溫環(huán)境的保質(zhì)期可達(dá)10個月。開發(fā)冷補(bǔ)料材料構(gòu)成及制備工藝簡單、成本低廉、路用性能和儲存穩(wěn)定性良好，值得大力推廣。

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