（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

2.重慶暄潔環(huán)保產(chǎn)業(yè)（集團）股份有限公司，重慶400039）

冷補瀝青混合料的制備及其性能

（1.武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

2.重慶暄潔環(huán)保產(chǎn)業(yè)（集團）股份有限公司，重慶400039）

以柴油、大豆油、自制冷補劑以及基質(zhì)瀝青為原料制備了冷補瀝青液，并將其與集料拌和得到了冷補瀝青混合料.重點研究了冷補劑用量對冷補瀝青液60℃粘度和冷補瀝青混合料穩(wěn)定度的影響以及考察了冷補瀝青混合料的粘聚性、抗水剝落性以及低溫工作度和抗凍性，并將所制備的瀝青混合料與使用市售國產(chǎn)和進口冷補劑制得的混合料進行了性能對比.結(jié)果表明：含5%冷補劑的冷補瀝青混合料的初始穩(wěn)定度和成型穩(wěn)定度分別為3.88 k N和6.14 k N，試樣保留率為93%，瀝青裹覆率達(dá)99%，低溫拌和方便，使用性能好.

冷補瀝青；冷補劑；粘度；馬歇爾穩(wěn)定度

0 引 言

在道路養(yǎng)護工程中，路面坑槽修補方法可分為熱補法和冷補法兩種類型.與熱態(tài)或高溫條件下使用的熱補瀝青混合料相比，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(yīng)用前景十分廣泛［1－2］.前蘇聯(lián)、美國于在20世紀(jì)30～40年代便開始冷補瀝青混合料的研究與應(yīng)用［3］，隨后日本、歐洲也不遺余力的對冷補瀝青混合料進行了研究［3］，其使用的瀝青結(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(guān)鍵的技術(shù)難題之一.目前該技術(shù)多為國外生產(chǎn)廠商的專利技術(shù)，其成熟產(chǎn)品的價格非常昂貴［4－9］.我國對冷補瀝青的研究起步較晚，大量關(guān)于冷補瀝青的研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，但近十多年來相關(guān)材料的研究受到越來越多的科研機構(gòu)及其學(xué)者的重視［10－15］.其中交通部公路研究院、吉林公路局、山西公路局、長安大學(xué)、同濟大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)等機構(gòu)以及韓繼國、宋健生、劉大梁、呂偉民、張海濤等學(xué)者的研究較為深入.他們大多使用稀釋瀝青通過室內(nèi)試驗提出一些高性能冷補料的制備方法，同時還指出了冷補料配制的技術(shù)以及實際應(yīng)用需注意的問題，并對其性能的評價方法進行了探究與總結(jié).與國外的商業(yè)化產(chǎn)品（美國的科氏冷補料和加拿大的寧楓冷補劑）相比，國內(nèi)的產(chǎn)品存在著強度不夠高，耐水性不夠好，因而使用壽命較短等問題，特別是在高溫環(huán)境使用性能難以達(dá)到要求［1］.為了克服上述問題，及時快速的修補道路坑槽并提高道路的使用質(zhì)量，開發(fā)高性能的常溫／低溫瀝青修補材料將具有非常重要的現(xiàn)實意義.本文以制備高性能的冷補瀝青材料為目標(biāo)，采用柴油、大豆油、自制冷補劑、基質(zhì)瀝青以及玄武巖為原料制備了冷補瀝青混合料，通過冷補劑含量的變化，系統(tǒng)地研究了冷補瀝青液60℃粘度、混合料穩(wěn)定度的變化情況.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗用主要原料見表1.

表1 實驗用原料Table 1 Raw material of experiments

1.2 制備過程

按質(zhì)量比稱取各組分（基質(zhì)瀝青∶0＃柴油∶食用大豆油∶冷補劑＝100∶18∶6∶2～8）備用.將基質(zhì)瀝青加熱到110～150℃攪拌15 min，邊攪拌邊加入柴油、豆油.攪拌后降溫至80～90℃時，加入冷補劑攪拌均勻，制得冷補瀝青液.按照油石比為5%的比例將冷補瀝青液和集料混合物（集料為玄武巖，AC－13級配，填料為水泥，玄武巖與水泥的質(zhì)量比為100∶3）在BH－20型瀝青混合料拌和機中均勻攪拌3～5 min，制得冷補瀝青混合料.

1.3 性能測試

a.60℃的粘度：參考標(biāo)準(zhǔn)［16］取一定量的冷補瀝青液倒入直徑不小于70 mm的燒杯中，再將其置于60℃的烘箱恒溫1.5～2 h，取出后置于恒溫至60℃的恒溫水槽中，用NDJ－1旋轉(zhuǎn)粘度計進行粘度測試，所用的轉(zhuǎn)子為4號轉(zhuǎn)子.

b.馬歇爾穩(wěn)定度：考慮到冷補瀝青混合料的自身特點，參考了文獻(xiàn)［10，14］和標(biāo)準(zhǔn)［16－17］，對傳統(tǒng)的馬歇爾試驗進行了修正，試驗采用的儀器為MDJ－Ⅱ型馬歇爾電動擊實儀和LWD－6型馬歇爾試穩(wěn)定度測定儀，具體的試驗方法為：

初始穩(wěn)定度（Initial Marshall Stability，MSi）和流值（Flow value，F(xiàn)Li）：稱取混合料1 180 g在常溫下裝入試模中，雙面各擊實75次，連同試模一起以側(cè)面豎立方式置于20℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后脫模，進行測試.

成型穩(wěn)定度（Molding Marshall Stability，MSm）和流值（FLm）：稱取混合料1 180 g在常溫下裝入試模中，雙面各擊實50次，連同試模一起以側(cè)面豎立方式置于110℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后再雙面各擊實25次，再連同試模在20℃烘箱中養(yǎng)生24 h，取出后脫模，在60℃恒溫水浴中養(yǎng)生30 min，進行測試.

c.粘聚性試驗：按照標(biāo)準(zhǔn)［17］進行粘聚性試驗.

d.低溫工作度和抗凍性試驗以及抗水剝落性試驗：按照標(biāo)準(zhǔn)［18］TP43－94的方法進行低溫工作度和抗凍性試驗；按照標(biāo)準(zhǔn)［18］TP41－94的方法進行抗水剝落性試驗，本文采用水浸法進行測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 油石比的確定

為了確定最佳油石比，在不摻加冷補劑的條件下制備了不同油石比的瀝青混合料，圖1為不同油石比對混合料初始穩(wěn)定度和流值的影響.由圖1分析得知，隨著油石比的增大，初始穩(wěn)定度先升高后降低，在油石比為5%時達(dá)到最大值；流值則是先減小后增大，在油石比為5%時最小.這可以從瀝青與集料的相互作用來分析［4］：瀝青與集料相互作用后，瀝青在集料表面發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，形成一層具有一定厚度的擴散結(jié)構(gòu)膜，此膜以內(nèi)的瀝青為結(jié)構(gòu)瀝青，它與集料發(fā)生相互作用并改變?yōu)r青的性質(zhì)，即促成瀝青具有更高的粘度和更大的擴散結(jié)構(gòu)膜的接觸面積，從而獲得更大的顆粒粘聚力；而此膜以外的瀝青為自由瀝青，它與集料距離較遠(yuǎn)，不與集料發(fā)生相互作用，僅將分散的顆粒粘結(jié)起來，并保持原來性質(zhì)，顆粒間的粘聚力較小.當(dāng)油石比小于5%時，集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青較少，幾乎沒有自由瀝青，集料顆粒之間的粘聚力很小，抗變形能力弱，混合料的初始穩(wěn)定度低，流值大；當(dāng)油石比等于5%時，集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青增多，也可能有少量的自由瀝青，但結(jié)構(gòu)瀝青遠(yuǎn)多于自由瀝青，集料顆粒之間的粘聚力大，抗變形能力強，初始穩(wěn)定度高，流值??；隨著油石比的繼續(xù)增大，自由瀝青多于結(jié)構(gòu)瀝青，自由瀝青在集料顆粒之間起到潤滑的作用，使粘聚力變小，抗變形能力減弱，穩(wěn)定度降低，流值變大.綜合上述分析可知最佳油石比為5%.

圖1 油石比對混合料MS i和FL i的影響Fig.1 Effects of the amount of cold patch asphalt on the MS i and FL i of mixtures

2.2 冷補劑用量對冷補瀝青液60℃粘度及混合料穩(wěn)定度（MS）和流值（FL）的影響

在油石比為5%的條件下，通過冷補劑用量的變化，研究了冷補瀝青液60℃粘度、混合料穩(wěn)定度的變化情況.

圖2考察了冷補劑用量對冷補瀝青混合液60℃粘度的影響.從圖2可看出，隨著冷補劑用量的增大，冷補瀝青液60℃的粘度增大.其中，當(dāng)冷補劑用量在1%～5%范圍時，粘度增幅較大，由3.87 Pa·s提高到6.82 Pa·s；隨著冷補劑用量進一步增大（大于5%），粘度變化減緩，增幅較小，僅由6.82 Pa·s提高到8.10 Pa·s.這是因為冷補劑與瀝青發(fā)生相互作用，形成三維網(wǎng)狀的空間結(jié)構(gòu).當(dāng)冷補劑用量較少時（1%～5%），隨著冷補劑用量的增加，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增多，瀝青分子的鏈段運動受到的內(nèi)摩擦力變大，整個分子的運動變難，粘度變大；隨著冷補劑用量的繼續(xù)增加（大于5%），由于空間位阻的作用，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量增幅變小，瀝青分子的鏈段運動受到的內(nèi)摩擦力幾乎不變，整個分子運動的難易程度變化不大，粘度變化減緩［19－20］.

圖2 冷補劑用量對冷補瀝青液60℃粘度的影響Fig.2 Effects of the amount of cold patch additive on the viscosity of cold patch asphalt at 60℃

冷補劑用量對混合料穩(wěn)定度和流值的影響見圖3和圖4.冷補瀝青混合料的強度形成過程是一個緩慢的過程，與有機溶劑的揮發(fā)程度有關(guān)；為了滿足立即開放交通，冷補料應(yīng)具有一定的初始強度來承受汽車的荷載，即初始穩(wěn)定度；同時為了保證冷補料修補的路面在以后的長期使用中不致產(chǎn)生新的路面病害，冷補料應(yīng)具有足夠的強度和穩(wěn)定性以抵抗外界荷載的作用，即成型穩(wěn)定度［14］.從圖3可以看出，隨著冷補劑用量的增大，初始穩(wěn)定度升高，流值則變化較??；其中，初始穩(wěn)定度介于3.1～4.1 k N，在冷補劑用量為5%時流值最小.由圖4知，隨著冷補劑用量的增大，成型穩(wěn)定度升高，流值則變化較小，其中成型穩(wěn)定度介于5.3～6.3 k N，在冷補劑用量為5%時流值最小.加入冷補劑后，冷補瀝青液的粘度變大，具有更高的粘結(jié)力.冷補劑用量少時，集料顆粒之間粘聚力小，抗變形能力差，所以流值大但穩(wěn)定度?。浑S著冷補劑增多，顆粒之間粘聚力增大，抗變形能力強，穩(wěn)定度增加，但流值反而減小；隨著冷補劑進一步增多，此時所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對混合料的抗變形能力起主導(dǎo)作用，網(wǎng)絡(luò)承載變形能力更強，因此穩(wěn)定度和流值都增加.

2.3 低溫工作度和抗凍性試驗以及抗水剝落性試驗

在冷補劑用量為5%，油石比為5%的條件下制備了冷補瀝青混合料，將其分別進行低溫工作度和抗凍性試驗以及抗水剝落性試驗.實驗結(jié)果如下：

低溫工作度和抗凍性試驗：將混合料取出后在室溫下放置達(dá)到室溫后，用鋁鏟拌和操作，鏟子容易插入試樣中，拌和方便；混合料沒有發(fā)生凝聚結(jié)塊現(xiàn)象，使用效能良好.

圖3 冷補劑用量對混合料MS i和FL i的影響Fig.3 Effects of the amount of cold patch additive on the MS i and FL i of mixtures

圖4 冷補劑用量對混合料MS m和FL m的影響Fig.4 Effects of the amount of cold patch additive on the MS m and FL m of mixtures

抗水剝落性試驗：石料表面所裹覆的瀝青膜基本沒有剝落，瀝青裹覆率達(dá)99%.

2.4 與市售同類產(chǎn)品性能對比

本文選取了市場上比較成熟的兩種國產(chǎn)產(chǎn)品和一種進口產(chǎn)品，對各自的粘聚性和穩(wěn)定度進行了測試，并與本論文中的冷補瀝青混合料進行對比.其中，本論文中的冷補瀝青混合料的油石比為5%；市售的三種產(chǎn)品分別命名為：國產(chǎn)－1、國產(chǎn)－2、進口－1.

a.粘聚性對比.5種不同混合料的試樣保留率見圖5.由圖5可看出，5種混合料的試樣保留率均滿足標(biāo)準(zhǔn)［17］規(guī)定的要求（破損率≤40%，即保留率≥60%）；冷補劑的添加量由0增加至5%時，試樣的保留率由80%提高到了93%，這可能是加入冷補劑后，提高了瀝青的粘度，使瀝青與集料顆粒粘結(jié)更緊密.與市售的產(chǎn)品相比，在冷補劑的添加量為5%時，試樣的保留率（93%）接近或者超過國產(chǎn)料的保留率，但與進口料的保留率（99%）還有一定的差距.

圖5 5種不同混合料的試樣保留率Fig.5 The samples＇retention ratios of 5 different mixtures

b.混合料穩(wěn)定度對比.通過圖6和圖7可看出不含冷補劑的混合料的穩(wěn)定度略低于國產(chǎn)－1料的穩(wěn)定度，超過國產(chǎn)－2料的穩(wěn)定度.含5%冷補劑的冷補瀝青混合料的穩(wěn)定度大于2種國產(chǎn)料，小于進口料的穩(wěn)定度；其中，初始穩(wěn)定度與進口料相差不大，約為0.2 k N，而成型穩(wěn)定度與進口料有較大的差距，約為4.0 k N.這可能是冷補劑與瀝青相互作用所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠，經(jīng)過110℃烘箱中養(yǎng)生24 h后，該三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有部分遭到破損，粘度變小，與集料顆粒交織的緊密程度降低，集料顆粒之間的粘聚力變小，導(dǎo)致成型穩(wěn)定度提高的幅度不大.

圖6 5種不同混合料的MS i和FL iFig.6 MS i and FL i of 5 different mixtures

圖7 5種不同混合料的MS m和FL mFig.7 MS m and FL m of 5 different mixtures

3 結(jié) 語

a.以柴油、大豆油、自制冷補劑、基質(zhì)瀝青以及玄武巖為原料制備的冷補瀝青混合料強度高，粘聚性好，低溫拌和方便，使用性能良好.

b.冷補劑可明顯提高冷補瀝青液60℃粘度和混合料的強度，在保證瀝青與集料有較好拌和性以及混合料足夠的強度的條件下，冷補劑的最佳摻量為5%.

c.高溫可能對冷補劑與瀝青相互作用所形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響.在高溫條件下（大于100℃），該三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能會遭到破損，使冷補劑所起的增粘和增強效果降低，所以冷補劑與瀝青相互作用的機理以及混合料成型穩(wěn)定度測試之前的養(yǎng)生條件有待進一步的研究.

d.從混合料與國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能對比結(jié)果來看，所制備冷補瀝青混合料的性能良好，可在道路坑槽的快速搶修工作中發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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Preparation and properties of cold patch asphalt mixture

MENGWen-zhuan1，YANG Liang1，XIA Zhi1，WANG Xin－yi1，XUE Jun1，WU Jiang－yu1，CAO Hong1，2
（1.School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China
2.Chongqing Sage Environmental Industries Co.，Chongqing 400039，China）

Cold patch asphalt was prepared by mixing diesel，soybean oil，self－made cold patch additives and base asphalt as raw materials，and was blended together with aggregates to obtain cold patch asphalt mixture.We studied the effects of the amount of cold patch additive on the viscosity of cold patch asphalt at 60℃and Marshall Stability（MS）of cold patch asphalt mixtures.The cohesion performance，water stability，low－temperature workability and frost－resistance of the cold patch asphalt mixture were also investigated.We further compared our prepared mixture with commercial ones in terms of the retention ratio and MS.The results show that the optimized cold patch asphalt mixture containing 5% cold－patch additive displays good workability and performance：the initial MS and molding MS of the mixture are 3.88 k N and 6.14 k N，and the samples＇retention ratio and asphalt coating ratio are 93%and 99%respectively.

cold patch asphalt；cold patch additive；viscosity；Marshall stability

龔曉寧

U417.62

A

10.3969／j.issn.1674－2869.2011.10.011

16742869（2011）10004905

20110912

孟文專（1986），男，湖北武漢人，碩士研究生.研究方向：新型道路材料.

指導(dǎo)老師：曹 宏，男，博士，教授.研究方向：新型炭材料與膠凝材料.＊通信聯(lián)系人