胥亮

(廈門華特公路瀝青技術(shù)有限公司，福建 廈門 361101)

1 前言

道路坑槽類病害常見(jiàn)于瀝青路面運(yùn)營(yíng)期的各個(gè)階段，影響道路通行能力與安全，又在自然環(huán)境與交通荷載綜合作用下加速路面惡化從而降低道路使用壽命，需及時(shí)修補(bǔ)。冷補(bǔ)料常用于瀝青路面坑槽修補(bǔ)，具有可存儲(chǔ)、施工簡(jiǎn)單、開(kāi)放交通快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，按膠結(jié)料類型的不同可分為溶劑型、乳化型及反應(yīng)型3類。其中，溶劑型利于長(zhǎng)期存儲(chǔ)、低溫施工性能(也稱工作性)好，能適用于潮濕及雨雪環(huán)境，應(yīng)用最為廣泛，但存在強(qiáng)度及耐久性問(wèn)題。

中國(guó)對(duì)于溶劑型冷補(bǔ)料的研究始于20世紀(jì)90年代，至今也開(kāi)發(fā)了諸多適用于不同氣候環(huán)境的產(chǎn)品，但仍未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，市面上冷補(bǔ)料良莠不齊，二次病害常有出現(xiàn)。為改善性能，提高修補(bǔ)效果，圍繞冷補(bǔ)液的開(kāi)發(fā)、礦料級(jí)配選型與設(shè)計(jì)、強(qiáng)度形成機(jī)理與評(píng)價(jià)方法等方面開(kāi)展了大量研究，成果顯著。張爭(zhēng)奇等研制了一種新型冷補(bǔ)瀝青液，工程應(yīng)用表現(xiàn)優(yōu)良，并提出了冷補(bǔ)料性能評(píng)價(jià)方法和技術(shù)要求;顧成自主研發(fā)冷補(bǔ)瀝青液，優(yōu)化冷補(bǔ)膠結(jié)料用量確定方法，詳細(xì)研究性能評(píng)價(jià)體系，并分析強(qiáng)度形成機(jī)理提出以設(shè)計(jì)空隙率作為冷補(bǔ)料設(shè)計(jì)控制指標(biāo);李峰等在分析冷補(bǔ)料關(guān)鍵性能的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了施工性能試驗(yàn)儀，提出并修正了黏聚性等試驗(yàn)方法，據(jù)此建立冷補(bǔ)料路用性能評(píng)價(jià)體系，改進(jìn)礦料級(jí)配并制定配合比設(shè)計(jì)方法。然而，有關(guān)影響冷補(bǔ)料性能的敏感性參數(shù)研究尚鮮有報(bào)道。該文以LB-10常溫型(施工溫度10～25 ℃)冷補(bǔ)料為研究對(duì)象，在論述溶劑型冷補(bǔ)料性能指標(biāo)與試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)冷補(bǔ)料性能敏感性參數(shù)進(jìn)行確定，據(jù)此進(jìn)行冷補(bǔ)料設(shè)計(jì)。

2 性能指標(biāo)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 性能指標(biāo)

研究表明：冷補(bǔ)料的施工性能、成型強(qiáng)度、黏附性、水穩(wěn)定性是關(guān)鍵性能指標(biāo)，共識(shí)度較高且已形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此外，冷補(bǔ)料初期強(qiáng)度與強(qiáng)度增長(zhǎng)速率對(duì)冷補(bǔ)的有效性及耐久性也有重要影響，因此該文增加了初期強(qiáng)度及48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率作為冷補(bǔ)料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 972-2015《瀝青路面坑槽冷補(bǔ)成品料》中施工性能試驗(yàn)方法所采用的試驗(yàn)裝置尚未量產(chǎn)普及，自行加工制作有一定難度，筆者針對(duì)這一性能指標(biāo)自主開(kāi)發(fā)試驗(yàn)裝置，經(jīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法可行。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所列性能指標(biāo)試驗(yàn)方法此處不再贅述，僅對(duì)其余非標(biāo)性能指標(biāo)或試驗(yàn)方法闡述如下。

2.1.1 施工性能

采用自主開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)裝置(圖1)對(duì)冷補(bǔ)料施工性能進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，試驗(yàn)方法及步驟如下：

(1) 將待測(cè)冷補(bǔ)料1 000 g用密封筒封裝并置于環(huán)境箱中保溫至試驗(yàn)溫度，同時(shí)將直徑100 mm的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試模一并保溫，試驗(yàn)溫度為待測(cè)冷補(bǔ)料預(yù)計(jì)的最低施工溫度，該文試驗(yàn)溫度為10 ℃。

(2) 將待測(cè)冷補(bǔ)料裝入旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試模，在壓力600kPa、有效內(nèi)壓實(shí)角1.16°的條件下旋轉(zhuǎn)壓實(shí)7次制得待測(cè)試件，經(jīng)對(duì)比該條件下冷補(bǔ)料的壓密狀態(tài)與最不利堆疊存儲(chǔ)、運(yùn)輸后的狀態(tài)相近。

圖1 冷補(bǔ)料施工性能試驗(yàn)裝置

(3) 脫模后將待測(cè)試件立即側(cè)放于圖1所示試驗(yàn)裝置的兩條刃板上(刃板厚度2 mm，兩條刃板之間的中心距離56 mm)，同時(shí)開(kāi)動(dòng)秒表計(jì)時(shí)。

(4) 待冷補(bǔ)料試件在自重作用下散開(kāi)，并完全從刃板上掉落，停止計(jì)時(shí)，此時(shí)的秒表讀數(shù)即為該冷補(bǔ)料在測(cè)試溫度下的施工性能測(cè)值，以秒(s)表示，測(cè)值越小則施工性能越好，反之越差。

2.1.2 初期強(qiáng)度

初期強(qiáng)度指冷補(bǔ)料攤鋪、壓實(shí)完成后便具有的強(qiáng)度，一定的初期強(qiáng)度可保障新鋪筑的冷補(bǔ)路面在車輛荷載作用下不產(chǎn)生明顯變形或破壞。用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀在壓力600 kPa、有效內(nèi)壓實(shí)角1.16°的條件下壓實(shí)75次制得冷補(bǔ)料試件，此時(shí)試件的壓實(shí)度與通常用手推式壓路機(jī)或平板夯修補(bǔ)路面的壓實(shí)度相近。壓實(shí)冷補(bǔ)料試件成型時(shí)冷補(bǔ)料的保溫方式與施工性能試驗(yàn)一致，壓實(shí)溫度也采用10 ℃。強(qiáng)度則通過(guò)測(cè)試新成型冷補(bǔ)料試件的馬歇爾穩(wěn)定度獲得，即冷補(bǔ)料試件壓實(shí)成型后立即脫模并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。

2.1.3 48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率

坑槽修補(bǔ)冷補(bǔ)料攤鋪碾壓完成之后，隨著陽(yáng)光、溫度、風(fēng)等的綜合作用，稀釋劑逐漸揮發(fā)，強(qiáng)度隨之增長(zhǎng)。采用與初期強(qiáng)度試驗(yàn)同樣的方法制備試件，脫模后將試件四周及底面用保鮮膜包裹，表面裸露，置于60 ℃鼓風(fēng)干燥箱中養(yǎng)生48 h，隨后立即置于10 ℃環(huán)境箱中保溫至試驗(yàn)溫度并進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，測(cè)得60 ℃養(yǎng)生48 h的試件強(qiáng)度。計(jì)算強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度，即48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率，用于冷補(bǔ)料間的對(duì)比，計(jì)算值大則開(kāi)放交通后強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率較大，能減少二次破壞提高修補(bǔ)效果。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冷補(bǔ)料由礦質(zhì)集料、瀝青、稀釋劑以及外摻劑組成，組成設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定礦質(zhì)集料的級(jí)配、瀝青用量、稀釋劑用量以及外摻劑用量，該文用設(shè)計(jì)空隙率、瀝青膜厚度、稀釋劑摻量以及外摻劑摻量4項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)(4個(gè)因素)表征，每項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定3個(gè)水平，通過(guò)L9(34)正交試驗(yàn)對(duì)冷補(bǔ)料性能敏感性參數(shù)進(jìn)行研究。所設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)的因素、水平見(jiàn)表1。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因素與水平

設(shè)計(jì)空隙率指開(kāi)放交通且稀釋劑得以揮發(fā)后壓實(shí)冷補(bǔ)料的空隙率，與不摻加稀釋劑時(shí)相同級(jí)配和瀝青用量下熱拌瀝青混合料的空隙率一致，因此試驗(yàn)采用熱拌方式進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)75次成型試件并計(jì)算空隙率。瀝青膜厚度指冷補(bǔ)料中不含稀釋劑以及被集料吸收部分在內(nèi)，裹覆與集料表面的有效瀝青膜厚度，計(jì)算依據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》條款B.6.8進(jìn)行。稀釋劑與外摻劑摻量以瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量百分比計(jì)，如：表1中19%和1.5%分別表示每100份(質(zhì)量份)瀝青膠結(jié)料摻加19份稀釋劑和1.5份外摻劑。

試驗(yàn)用礦質(zhì)集料及瀝青膠結(jié)料采用滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求的玄武巖碎石、石屑、石灰?guī)r礦粉以及70#A級(jí)道路石油瀝青，稀釋劑采用一種瀝青膠結(jié)料的良溶劑(溶劑油)，外摻劑采用一種冷補(bǔ)料專用添加劑。經(jīng)設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)9種試驗(yàn)組合的礦料級(jí)配及瀝青用量見(jiàn)表2。

表2 各試驗(yàn)組合的礦料級(jí)配及瀝青用量

續(xù)表2

3 試驗(yàn)結(jié)果與敏感性分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果按正交試驗(yàn)直觀分析方法對(duì)各因素水平下冷補(bǔ)料性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，直觀分析結(jié)果如表4所示。

3.2 敏感性分析

結(jié)合表4，對(duì)影響溶劑型冷補(bǔ)料性能的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感性排序(表5)，并分析如下。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)直觀分析結(jié)果

注：ki=Ki/3,i=1,2,3。

表5 溶劑型冷補(bǔ)料性能敏感性因素排序

3.2.1 設(shè)計(jì)空隙率

冷補(bǔ)料48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率和成型強(qiáng)度受設(shè)計(jì)空隙率影響顯著，雖然設(shè)計(jì)空隙率較小時(shí)冷補(bǔ)料具有相對(duì)較大的初期強(qiáng)度，然而伴隨養(yǎng)生過(guò)程中稀釋劑的揮發(fā)，設(shè)計(jì)空隙率20%的冷補(bǔ)料48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率高達(dá)380%，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)空隙率10%條件下的144%，即養(yǎng)生48 h后空隙率較大的冷補(bǔ)料因較快的稀釋劑揮發(fā)而達(dá)到更高的強(qiáng)度。同理，對(duì)于成型強(qiáng)度，較大空隙率時(shí)冷補(bǔ)料中稀釋劑揮發(fā)充分，較少殘留，瀝青膠結(jié)料性能恢復(fù)較好強(qiáng)度較高，反之，稀釋劑揮發(fā)不充分對(duì)成型強(qiáng)度造成不利影響。因此，為確保冷補(bǔ)料路面強(qiáng)度的快速形成并具有較高的成型強(qiáng)度，冷補(bǔ)料宜采用開(kāi)級(jí)配，雖然此時(shí)初期強(qiáng)度略低，但通過(guò)適當(dāng)降低稀釋劑用量足以彌補(bǔ)(稀釋劑用量為冷補(bǔ)料初期強(qiáng)度的敏感性影響因素)。

3.2.2 瀝青膜厚度

試驗(yàn)選取的瀝青膜厚度變化對(duì)冷補(bǔ)料性能影響相對(duì)較小。結(jié)合以上分析，冷補(bǔ)料宜采用開(kāi)級(jí)配以利于稀釋劑揮發(fā)與強(qiáng)度形成。為避免瀝青膜厚度偏低導(dǎo)致黏結(jié)不足，交通荷載作用下路面表面集料脫落、散失造成二次病害，考慮參照開(kāi)級(jí)配熱拌瀝青混合料(OGFC)對(duì)成型后的冷補(bǔ)料試件進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)從而對(duì)瀝青膜厚度進(jìn)行確定。

3.2.3 稀釋劑摻量

冷補(bǔ)料施工性能和初期強(qiáng)度受稀釋劑摻量影響顯著，稀釋劑摻量越大冷補(bǔ)料施工性能越好，而初期強(qiáng)度則相反，原因在于稀釋劑在降低瀝青膠結(jié)料黏度、改善施工和易性的同時(shí)，也降低了壓實(shí)冷補(bǔ)料的內(nèi)聚力，冷補(bǔ)料設(shè)計(jì)中應(yīng)平衡兩者關(guān)系。

3.2.4 外摻劑摻量

專用添加劑是冷補(bǔ)料黏附性等級(jí)和殘留穩(wěn)定度敏感性的影響因素，顯著提高了冷補(bǔ)料的水穩(wěn)定性，尤其對(duì)于黏附性等級(jí)。在未摻加添加劑的3種因素水平組合下，冷補(bǔ)料的黏附性等級(jí)均為1級(jí)，水煮后粗集料表面瀝青膜基本全部剝落，而當(dāng)摻入3%的專用添加劑后，黏附性等級(jí)可達(dá)到5級(jí)，試驗(yàn)后冷補(bǔ)料粗集料表面瀝青膜完全保存，剝離面積百分率接近于0。

摻入稀釋劑會(huì)直接降低瀝青與石料之間的黏附能力，施工初期冷補(bǔ)料稀釋劑含量最高，隨著冷補(bǔ)路面開(kāi)放交通時(shí)間的延長(zhǎng)，稀釋劑逐漸揮發(fā)，瀝青與石料之間的黏附增強(qiáng)，因此冷補(bǔ)路面鋪筑初期抗水剝離損害的能力最弱。外摻劑的主要作用則在于增強(qiáng)瀝青與礦質(zhì)集料界面間的結(jié)合力，尤其針對(duì)摻入較多稀釋劑時(shí)，可使冷補(bǔ)料適宜于潮濕及雨雪天氣環(huán)境，摻量宜通過(guò)黏附性等級(jí)試驗(yàn)確定。

4 設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例

依據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo)的敏感性對(duì)應(yīng)關(guān)系，遞變敏感性參數(shù)取值制備冷補(bǔ)料并測(cè)試相應(yīng)性能指標(biāo)，據(jù)此確定各設(shè)計(jì)參數(shù)取值，拌制成品冷補(bǔ)料進(jìn)行工程應(yīng)用測(cè)試。

4.1 確定空隙率

瀝青膜厚度12 μm、專用添加劑摻量3.0%與稀釋劑摻量25%恒定不變，制備不同空隙率的冷補(bǔ)料并測(cè)試48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率與成型強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

圖2 空隙率-48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率關(guān)系曲線

圖3 空隙率-成型強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖2、3可知：48 h強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨空隙率的增大而增大，成型強(qiáng)度也隨之增大，當(dāng)空隙率為21%時(shí)成型強(qiáng)度達(dá)到峰值，隨后減小。較大的空隙率有利于稀釋劑揮發(fā)和強(qiáng)度形成，增大至一定程度后雖有更高的強(qiáng)度增長(zhǎng)率，但大空隙率對(duì)混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響占主導(dǎo)地位引起成型強(qiáng)度的下降，綜合考慮空隙率21%為最佳。

4.2 確定瀝青膜厚度

如上所述，以肯塔堡飛散作為控制指標(biāo)，在空隙率21%、專用添加劑摻量3.0%與稀釋劑摻量25%不變的條件下，拌制不同瀝青膜厚度的冷補(bǔ)料測(cè)試飛散損失，瀝青膜厚度-飛散損失關(guān)系曲線見(jiàn)圖4?？纤わw散試驗(yàn)試件的制備同成型強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與熱拌瀝青混合料試驗(yàn)方法相同。

由圖4可知：飛散損失隨瀝青膜厚度增大而減小，拐點(diǎn)位于瀝青膜厚度12 μm處，瀝青膜厚度較小則內(nèi)聚力不足，因此厚度不應(yīng)小于12 μm。結(jié)合中國(guó)規(guī)范對(duì)開(kāi)級(jí)配(OGFC)瀝青混合料飛散損失不大于20%的技術(shù)要求，建議采用13 μm為宜。

圖4 瀝青膜厚度-飛散損失關(guān)系曲線

4.3 確定稀釋劑摻量

空隙率為21%、瀝青膜厚度為13 μm、專用添加劑摻量3%恒定不變，采用不同稀釋劑摻量拌制冷補(bǔ)料并測(cè)試施工性能與初期強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

圖5 稀釋劑摻量-施工性能關(guān)系曲線

圖6 稀釋劑摻量-初期強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖5、6可知：稀釋劑摻量與施工性能為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，稀釋劑摻量越大施工性能越好，拐點(diǎn)在稀釋劑摻量22%處，稀釋劑摻量應(yīng)不小于22%，否則施工性能急劇下降。初期強(qiáng)度隨稀釋劑摻量的增大線性降低，為保證坑槽修補(bǔ)初期不出現(xiàn)較大輪跡，初期強(qiáng)度應(yīng)不小于2.0 kN，據(jù)此稀釋劑摻量應(yīng)不大于28%。綜合以上分析，為平衡施工性能與初期強(qiáng)度，取下限22%與上限28%的均值25%作為最佳稀釋劑摻量。

4.4 確定外摻劑摻量

在以上所確定各項(xiàng)參數(shù)值不變的條件下，制備添加劑摻量不同的冷補(bǔ)料并測(cè)試黏附性等級(jí)，結(jié)果如表6所示。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求黏附性等級(jí)為5級(jí)，此時(shí)外摻劑摻量應(yīng)取3.0%。

表6 不同添加劑摻量時(shí)冷補(bǔ)料黏附性等級(jí)試驗(yàn)結(jié)果

4.5 工程應(yīng)用

采用以上確定結(jié)果(空隙率21%、瀝青膜厚度13 μm、稀釋劑摻量25%、專用添加劑摻量3.0%)拌制成品冷補(bǔ)料于北京豐科路進(jìn)行實(shí)體工程修補(bǔ)測(cè)試，經(jīng)連續(xù)兩年跟蹤觀測(cè)，修補(bǔ)后路面未見(jiàn)明顯車轍、裂縫、坑槽以及松散等二次病害，修補(bǔ)有效且耐久性能較好。隨后依據(jù)上述方法進(jìn)行多種高低溫氣候類型冷補(bǔ)料設(shè)計(jì)，生產(chǎn)成品冷補(bǔ)料應(yīng)用于北京、福建、贊比亞盧薩卡及澳大利亞維多利亞州等地效果良好。

5 結(jié)論

(1) 空隙率是溶劑型冷補(bǔ)料強(qiáng)度增長(zhǎng)率和成型強(qiáng)度的敏感性參數(shù)，較大的空隙率有利于稀釋劑揮發(fā)，促進(jìn)強(qiáng)度形成，綜合強(qiáng)度增長(zhǎng)率與成型強(qiáng)度，空隙率宜為21%。

(2) 參照開(kāi)級(jí)配熱拌瀝青混合料設(shè)計(jì)方法通過(guò)成型后冷補(bǔ)料試件的肯塔堡飛散試驗(yàn)進(jìn)行冷補(bǔ)料瀝青膜厚度確定，瀝青膜厚度宜為13 μm。

(3) 稀釋劑摻量是冷補(bǔ)料施工性能和初期強(qiáng)度的敏感性參數(shù)，稀釋劑摻量越大施工性能越好而初期強(qiáng)度則相反，冷補(bǔ)料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)平衡兩者關(guān)系綜合確定稀釋劑摻量。

(4) 摻入稀釋劑會(huì)嚴(yán)重降低瀝青與石料的黏附性能，為使冷補(bǔ)料能適宜潮濕、雨雪天氣環(huán)境，必須摻加外摻劑提高黏附性，摻量宜通過(guò)黏附性等級(jí)試驗(yàn)確定。

(5) 基于性能敏感性參數(shù)研究并通過(guò)系列試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)取值的確定，據(jù)此設(shè)計(jì)的冷補(bǔ)料工程應(yīng)用效果良好，實(shí)踐表明方法可行。