劉林林 晏應(yīng) 李靖

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司江蘇省高速公路綠色養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心 江蘇 南京 210018)

瀝青路面是我國(guó)高速公路、國(guó)省干線公路重要的路面形式，在長(zhǎng)期使用過程中承受著交通荷載、周圍環(huán)境的影響，難以避免地出現(xiàn)松散、坑槽、剝落等病害，降低了道路的通行服務(wù)能力，因此需要及時(shí)修補(bǔ)來(lái)保障道路的正常使用功能。 瀝青路面坑槽修補(bǔ)材料大多采用溶劑揮發(fā)型冷補(bǔ)混合料，工程應(yīng)用中存在許多問題:(1)強(qiáng)度形成緩慢，早期強(qiáng)度低，抗水損害性能差；(2)使用其修補(bǔ)坑槽后經(jīng)車輛荷載不斷碾壓，易產(chǎn)生二次病害，耐久性較差[1-4]。

溶劑型冷補(bǔ)混合料中含有柴油等稀釋劑，其強(qiáng)度的形成主要依靠稀釋劑的揮發(fā)，而稀釋劑揮發(fā)完全需要7～10 d，在溶劑揮發(fā)期間瀝青性能沒有完全恢復(fù)到原有性能，瀝青與集料的粘結(jié)力易受到雨水的破壞。 另外，溶劑型冷補(bǔ)料大多選擇LB 型級(jí)配，LB 型混合料級(jí)配屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，雖然較大的空隙有利于溶劑的揮發(fā)，但是其抗水損害性能較差。而AC 型混合料級(jí)配屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，具有較好的水穩(wěn)定性能。 單組分濕固化聚氨酯在有水的環(huán)境下能夠快速反應(yīng)固化，具有拉伸強(qiáng)度高、斷裂伸長(zhǎng)率大、彈性好等特點(diǎn)。 本研究突破溶劑型冷補(bǔ)混合料的技術(shù)思路，采用國(guó)產(chǎn)聚氨酯預(yù)聚體作為膠結(jié)料，選擇AC 型和LB 型級(jí)配制備聚氨酯冷補(bǔ)混合料，通過室內(nèi)試驗(yàn)開展聚氨酯冷補(bǔ)混合料路用性能研究。 研究成果為聚氨酯改性瀝青、聚氨酯冷補(bǔ)混合料的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器設(shè)備

70＃基質(zhì)瀝青，江蘇寶利國(guó)際投資股份有限公司；0＃柴油，中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司；聚氨酯預(yù)聚體(指標(biāo)見表1)，河北鏵睿發(fā)體育設(shè)施工程有限公司；水固化冷補(bǔ)混合料成品，日本某公司產(chǎn)品；溶劑型冷補(bǔ)混合料成品，山東眾鑫工程材料有限公司；玄武巖碎石(粒徑為0 ～3 mm、5 ～10 mm、10 ～15 mm)、填料(石灰?guī)r磨細(xì)礦粉)，卓礦(山東)市政建設(shè)有限公司。 瀝青、礦料技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求[6-8]。

表1 聚氨酯預(yù)聚體技術(shù)指標(biāo)

STJB 型強(qiáng)勁分散機(jī)，萊州市勝龍化工機(jī)械有限公司；BH-20 型智能全自動(dòng)混合料攪拌機(jī)，上海盛世慧科檢測(cè)設(shè)備有限公司；HYCX-3 瀝青混合料車轍試樣成型機(jī)，河北廣惠試驗(yàn)儀器有限公司；全自動(dòng)瀝青車轍試驗(yàn)機(jī)，河北博圣嘉儀器設(shè)備有限公司；DF-5型瀝青混合料穩(wěn)定度測(cè)定儀，南京東永神富科技有限公司；LHPL-6 型瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，滄州昌志建筑儀器有限公司。

1.2 聚氨酯冷補(bǔ)混合料制備

將礦料在105 ℃烘箱中保溫4 h 以上，保證礦料干燥無(wú)水，將烘干的礦料在拌鍋中干拌30 s，然后加入適量聚氨酯膠結(jié)料在拌鍋中常溫下攪拌180 s，制得聚氨酯冷補(bǔ)混合料，出料溫度不高于80 ℃，密封保存?zhèn)溆谩?通過室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)，得到的采用聚氨酯分別制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)的最佳油石比分別為0.07(7%，單組分聚氨酯預(yù)聚體含量相對(duì)于100%礦料質(zhì)量，下同)和0.062(6.2%)。

1.3 聚氨酯改性瀝青冷補(bǔ)混合料制備

首先在70?；|(zhì)瀝青中加入適量0＃柴油，在120 ℃下攪拌30 min，其次加入適量聚氨酯，攪拌30 min 后得到聚氨酯改性瀝青，在80 ℃下保溫備用。然后將聚氨酯改性瀝青和礦料在拌鍋中進(jìn)行攪拌180 s，出料溫度不高于80 ℃，最后制得聚氨酯改性瀝青冷補(bǔ)混合料，密封保存?zhèn)溆肹9-11]。 通過室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)，得到采用聚氨酯改性瀝青分別制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)的最佳油石比分別為0.062(6.2%，聚氨酯改性瀝青含量相對(duì)于100%礦料質(zhì)量，下同)和0.055(5.5%)。

1.4 分析測(cè)試

初始強(qiáng)度:取冷補(bǔ)混合料1 200 g 裝入試模中，用馬歇爾擊實(shí)儀擊實(shí)試件正反雙面各75 次，室溫30 ℃下養(yǎng)生3 h，接著脫模后25 ℃恒溫水箱水浴30 min，再取出測(cè)其穩(wěn)定度。

成型強(qiáng)度:取冷補(bǔ)混合料1 200 g 裝入試模中，采用二次擊實(shí)方法，用馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)50次，連同試模一起以豎立放置方式于60 ℃烘箱中養(yǎng)生48 h，取出后再雙面擊實(shí)25 次，再連同試模豎立放置于室溫24 h 后脫模，在60 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生30 min 后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。

高溫抗車轍性能:采用車轍成型機(jī)成型車轍板試件，先在一個(gè)方向碾壓2 個(gè)往返，再調(diào)轉(zhuǎn)方向碾壓8 個(gè)往返，然后將車轍板于60 ℃烘箱中養(yǎng)生48 h，取出后再碾壓4 個(gè)往返。 按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa。

抗水損害性能:按照成型強(qiáng)度試驗(yàn)方法成型馬歇爾試件，對(duì)于浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)，二次擊實(shí)次數(shù)為雙面(50＋25)次；對(duì)于凍融劈裂試驗(yàn)，二次擊實(shí)次數(shù)為雙面(35＋15)次。 按照J(rèn)TG E20—2011 進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min。

低溫抗裂性能:按照高溫性能測(cè)試方法成型車轍板試件，然后按照J(rèn)TG E20—2011 切割小梁，對(duì)小梁試件采用低溫彎曲試驗(yàn)機(jī)按照J(rèn)TG E20—2011 進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為(-10±0.5)℃，加載速率為50 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

冷補(bǔ)混合料用于瀝青路面的修補(bǔ)，在形成最終強(qiáng)度的過程中，必須有足夠強(qiáng)度能夠承受交通荷載的作用，這就要求冷補(bǔ)混合料具有較好的力學(xué)性能[12]。不同冷補(bǔ)混合料試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如下表2 所示。

表2 不同冷補(bǔ)混合料的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 結(jié)果顯示，采用聚氨酯改性瀝青制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)的初始強(qiáng)度較采用聚氨酯預(yù)聚體制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)分別提高37.8%和21.4%；而采用聚氨酯預(yù)聚體制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)的成型強(qiáng)度較采用聚氨酯改性瀝青制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)分別提高11.7%和36.1%。 冷補(bǔ)混合料AC-13 的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度均比LB-13、日本水固化冷補(bǔ)混合料、溶劑型冷補(bǔ)混合料的大，溶劑型冷補(bǔ)混合料的初始和成型強(qiáng)度最小。 表明AC 型冷補(bǔ)混合料相比日本水固化冷補(bǔ)混合料、溶劑型冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

2.2 高溫抗車轍性能

冷補(bǔ)混合料在交通荷載作用下需承受較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，這就要求其具有較優(yōu)的高溫抗車轍能力，以免出現(xiàn)剪切破壞[11-12]。 采用修正的車轍成型方法成型車轍板，采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷補(bǔ)混合料的耐60 ℃高溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同冷補(bǔ)混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，采用聚氨酯預(yù)聚體制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)的動(dòng)穩(wěn)定度較采用聚氨酯改性瀝青制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)分別提高130.7%和102.6%。 這是由于在測(cè)試期內(nèi)，聚氨酯改性瀝青中的柴油溶劑未揮發(fā)完全，瀝青性能未完全恢復(fù)到原有性能，導(dǎo)致聚氨酯改性瀝青未固化完全。 AC-13 冷補(bǔ)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度總體上比LB-13、日本水固化冷補(bǔ)混合料、溶劑型冷補(bǔ)混合料的高，溶劑型冷補(bǔ)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最小。 表明AC 型冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的耐60 ℃高溫性能，且聚氨酯制備的冷補(bǔ)混合料高溫性能最優(yōu)。

2.3 抗水損害性能

由于溶劑型冷補(bǔ)混合料最終強(qiáng)度形成時(shí)間一般需要7～10 d，在行車過程中必須承受雨水的考驗(yàn)，因此要求冷補(bǔ)混合料具有較優(yōu)的水穩(wěn)定性能[11-12]。按照1.2 和1.3 節(jié)的方法制備冷補(bǔ)混合料，再按照1.4節(jié)測(cè)試方法進(jìn)行浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 不同冷補(bǔ)混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

殘留穩(wěn)定度比指將瀝青混合料試件模擬路面的水損害條件后測(cè)得的穩(wěn)定度的比值(以%表示)。凍融劈裂強(qiáng)度比是指瀝青混合料試件經(jīng)凍融循環(huán)后，在受到水損害前后測(cè)得劈裂破壞的強(qiáng)度比值(以%表示)。 殘留穩(wěn)定度比越大，凍融劈裂強(qiáng)度比越大，反映試件受水損害后的破壞程度相對(duì)較輕，也即瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好。

表4 結(jié)果顯示，采用聚氨酯預(yù)聚體制備的AC-13(A1)冷補(bǔ)混合料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比較采用聚氨酯改性瀝青制備的AC-13(B1)分別提高1.3%、4.3%。 采用聚氨酯預(yù)聚體制備的LB-13(A2)冷補(bǔ)混合料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比較采用聚氨酯改性瀝青制備的LB-13(B2)冷補(bǔ)混合料分別提高4.7%、2.4%。 AC-13 冷補(bǔ)混合料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比均比LB-13、日本水固化冷補(bǔ)混合料、市售溶劑型冷補(bǔ)混合料的大，溶劑型冷補(bǔ)混合料的殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂強(qiáng)度比最小。 表明采用聚氨酯預(yù)聚體和聚氨酯改性瀝青制備的AC 型冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性能。

2.4 低溫抗裂性能

由于瀝青路面材料在低溫時(shí)具有脆性，在荷載作用下易發(fā)生開裂，為了避免對(duì)下承層的損壞，要求冷補(bǔ)混合料在-10 ℃低溫下具有較好的抗開裂性能[11-12]。 試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 不同冷補(bǔ)混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 結(jié)果顯示，采用聚氨酯預(yù)聚體制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(A1)和LB-13(A2)低溫最大破壞應(yīng)變相比于采用聚氨酯改性瀝青制備的冷補(bǔ)混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)分別提高39.6%和29.1%。采用聚氨酯預(yù)聚體制備的AC-13(A1)和LB-13(A2)的低溫破壞應(yīng)變均比日本水固化冷補(bǔ)混合料、市售溶劑型冷補(bǔ)混合料的較大，溶劑型冷補(bǔ)混合料的低溫破壞應(yīng)變最小。 表明AC 型冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的低溫性能，并且采用聚氨酯預(yù)聚體和聚氨酯改性瀝青制備的冷補(bǔ)混合料低溫性能均較優(yōu)。

3 結(jié)論

(1)聚氨酯改性瀝青冷補(bǔ)混合料AC-13(B1)和LB-13(B2)的初始強(qiáng)度比AC-13(A1)和LB-13(A2)的大，而其成型強(qiáng)度則較小。 表明AC 型冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，并且采用聚氨酯制備的冷補(bǔ)混合料力學(xué)性能最優(yōu)。

(2)聚氨酯冷補(bǔ)混合料AC-13(A1)相比于LB-13(A2)的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度比、劈裂強(qiáng)度比、最大破壞應(yīng)變較大。 AC-13(B1)的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度比、劈裂強(qiáng)度比、最大破壞應(yīng)變相比于LB-13(B2)較大。 表明AC-13 相比于LB-13 冷補(bǔ)混合料具有優(yōu)異的路用性能。

(3)AC-13(A1)的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度比、劈裂強(qiáng)度比、最大破壞應(yīng)變相比于AC-13(B1)較大；LB-13(A2)的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度比、劈裂強(qiáng)度比相比于LB-13(B2)較大。 表明采用聚氨酯預(yù)聚體制備的冷補(bǔ)混合料相比于采用聚氨酯改性瀝青制備的冷補(bǔ)混合料的高溫性能較優(yōu)。