趙靜存 王鑫 冀磊 丁宇 毛陳琛 莊英斌

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081； 2.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司， 北京 102206

哈齊高速鐵路防水保護(hù)層長期受雨雪凍融影響，混凝土防水保護(hù)層起砂、酥化，形成碎塊。這些碎塊易被火車高速運(yùn)行產(chǎn)生的氣流裹挾擊打車體與軌道，嚴(yán)重影響高速鐵路的運(yùn)營安全和軌道的使用壽命［1-3］。

冷補(bǔ)瀝青混合料憑借其良好的抗凍、防水等性能，在鐵路領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用［4-6］。目前應(yīng)用于鐵路的冷補(bǔ)瀝青混合料基本以傳統(tǒng)石油瀝青作為油料，但賴于石油生產(chǎn)的瀝青價(jià)格居高不下，進(jìn)而抬高了應(yīng)用成本。植物瀝青是植物油煉制后的廢棄物，產(chǎn)量逐漸增大，與石油瀝青性能接近，且屬于可再生資源，應(yīng)用成本低，可以用來作為石油瀝青的替代品。廖曉峰等［7］用植物瀝青與基質(zhì)瀝青、SBS（Styrene?Butadiene?Styrene）改性瀝青共混改性，研究了質(zhì)量共混比對植物瀝青共混物路用性能的影響，結(jié)果表明植物瀝青能顯著提高瀝青混合料的低溫抗裂性，而高溫性能有所下降。薛金順等［8］采用植物瀝青作為改性劑，研究了植物瀝青摻量對改性植物瀝青性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)植物瀝青摻量為12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，改性植物瀝青混合料綜合性能較優(yōu)。董澤蛟等［9］采用玉米加工過程中的副產(chǎn)品DC?I 型植物瀝青，制備了混合植物瀝青及SBS 改性混合植物瀝青，試驗(yàn)證明了采用一定技術(shù)措施處理后的植物瀝青混合料路用性能優(yōu)良。

既有研究大多是將植物瀝青作為一種改性劑，從改善熱拌瀝青混合料路用性能方面展開研究，而關(guān)于以植物瀝青作為冷補(bǔ)瀝青混合料膠結(jié)料的研究尚不多，也較少涉及冷補(bǔ)植物瀝青混合料低溫性能研究。因此，本文以植物瀝青、級配集料、助劑等制備冷補(bǔ)植物瀝青混合料，研究油石比對冷補(bǔ)植物瀝青混合料高溫抗變形、低溫抗開裂、防滲及水穩(wěn)定性的影響，并通過工程實(shí)例對其應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用植物瀝青為芳香烴含量30%的棕油，由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn)。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測試植物瀝青的物理性質(zhì)，結(jié)果見表1。集料采用石灰?guī)r碎石，由西安捷利德建筑材料有限公司生產(chǎn)。根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測試集料的物理性質(zhì)，結(jié)果見表2。根據(jù)實(shí)際工況和文獻(xiàn)［10］對集料進(jìn)行級配，見表3。其他助劑為市售產(chǎn)品。

表1 植物瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)

表3 集料級配

試驗(yàn)設(shè)備：滄州澤睿試驗(yàn)儀器有限公司的BH?20型瀝青混合料攪拌機(jī)和LHGR?Ⅰ型瀝青混凝土貫入度儀；滄州華恒試驗(yàn)儀器有限公司的HDSSⅢ型滲水儀和SYD?0720 型凍融劈裂試驗(yàn)儀；新三思（上海）企業(yè)發(fā)展有限公司的CMT4000型SANS萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 冷補(bǔ)植物瀝青混合料制備

將植物瀝青加入反應(yīng)釜中加熱至105 ℃，然后邊攪拌邊加入助劑，恒溫恒速攪拌20 min，保溫備用。

啟動(dòng)拌和設(shè)備，拌和溫度控制在125 ℃，分別以5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%的油石比，將添加有助劑的植物瀝青和混合均勻的集料投入到拌和設(shè)備中，采取邊投集料邊投植物瀝青的方式。投入完畢后再拌和45 s，即可得到冷補(bǔ)植物瀝青混合料（簡稱混合料）。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)JTG E20—2011，按照表3，以油石比5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%制備測試試件。

參考文獻(xiàn)［10］進(jìn)行貫入試驗(yàn)；根據(jù)JTG E20—2011 進(jìn)行滲水試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。①貫入試驗(yàn)：測試貫入度，以評價(jià)混合料的高溫抗變形能力。②滲水試驗(yàn)：測試滲水系數(shù)，以評價(jià)混合料的水密性能。③彎曲試驗(yàn)：測試低溫彎拉強(qiáng)度，以評價(jià)混合料的低溫抗開裂性能。④凍融劈裂試驗(yàn)：測試凍融循環(huán)后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度、未凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度并計(jì)算得到凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比（凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比=凍融后劈裂抗拉強(qiáng)度/凍融前劈裂抗拉強(qiáng)度 × 100%），以評價(jià)混合料的水穩(wěn)定性。

1.4 冷補(bǔ)植物瀝青混合料路用性能指標(biāo)

參考科技基〔2008〕74 號《客運(yùn)專線鐵路無砟軌道路基面防水層瀝青混合料暫行技術(shù)條件》，結(jié)合無砟軌道線間防水層的實(shí)際工況，提出了冷補(bǔ)植物瀝青混合料性能指標(biāo)技術(shù)要求，見表4。

表4 冷拌植物瀝青混合料性能指標(biāo)技術(shù)要求

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 油石比對混合料高溫抗變形能力的影響

測試溫度為40 ℃時(shí)，不同油石比下混合料的貫入度見圖1?？芍弘S著油石比增大，貫入度由1.07 mm增至1.28 mm，增幅較小。這是因?yàn)殡S著油石比增大，試件壓實(shí)度增加，雖然油石比增大會(huì)導(dǎo)致混合料變軟而使貫入度增大，但足夠的密實(shí)度也會(huì)阻止貫入度過度增大?？梢?，混合料的高溫抗變形能力較好。

圖1 測試溫度40 ℃時(shí)貫入度隨油石比變化曲線

2.2 油石比對混合料低溫彎拉強(qiáng)度的影響

測試溫度為-20 ℃時(shí)，不同油石比下混合料彎拉強(qiáng)度見圖2。可知：隨著油石比增大，混合料的低溫彎拉強(qiáng)度先增大后減小，在油石比為7.0%時(shí)，低溫彎拉強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，為12.3 MPa。這是因?yàn)橹参餅r青本身低溫性能好，較大的油石比有利于混合料低溫彎拉強(qiáng)度的提高；但當(dāng)油石比超過7.0%時(shí)，過多的自由植物瀝青導(dǎo)致混合料之間形成滑移面，低溫彎拉強(qiáng)度降低。因此，油石比大于等于6.5%時(shí)，混合料的低溫彎拉強(qiáng)度大于12 MPa，滿足技術(shù)要求。

圖2 測試溫度-20 ℃時(shí)彎拉強(qiáng)度隨油石比變化曲線

2.3 油石比對混合料滲水系數(shù)的影響

不同油石比下混合料滲水系數(shù)見圖3?？芍弘S著油石比增大，混合料的滲水系數(shù)逐漸減小。這是因?yàn)檩^大的油石比增強(qiáng)了植物瀝青對集料的填充作用，降低了瀝青混合料間的空隙，致使可以連通的路面空隙數(shù)量減少，水難以進(jìn)入瀝青混合料中，從而混合料的不透水性逐漸增強(qiáng)。油石比大于等于6.0%時(shí)，混合料的滲水系數(shù)小于20 mL/min，滿足技術(shù)要求。

圖3 滲水系數(shù)隨油石比變化曲線

2.4 油石比對混合料水穩(wěn)定性的影響

劈裂試驗(yàn)結(jié)果見圖4。可知：①隨著油石比增大，混合料凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度的變化趨勢相近，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且均在油石比為6.5%時(shí)出現(xiàn)最大值，分別為0.8945、0.7235 MPa。②凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨著油石比增大而逐漸增大，油石比大于6.0%時(shí)凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比高于75%。這是因?yàn)橛褪仍酱?，混合料的空隙率越小，瀝青膜越厚，水越難滲入瀝青膜與集料的界面，從而在凍融循環(huán)中進(jìn)入試件中的水分相對較少，試件受到的水損害較小，對混合料的水穩(wěn)定性有利。因此，油石比宜取6.5%。

圖4 凍融前后劈裂抗拉強(qiáng)度及其比值隨油石比變化曲線

綜上，油石比為6.5%時(shí)，混合料綜合性能較好。

3 整治技術(shù)及應(yīng)用效果

選取油石比6.5%制備的冷補(bǔ)植物瀝青混合料，對哈齊高速鐵路線間防水保護(hù)層粉化進(jìn)行整治應(yīng)用。

3.1 整治工藝

1）基面清理。對松散的線間防水層混凝土進(jìn)行清理，清理至堅(jiān)硬層，對尖角、凸起部位進(jìn)行剔除并打磨平緩；用鐵鉤、尖嘴錘等工具清理出失效的橫向伸縮縫材料。

2）噴涂滲透防水材料。在清理干凈的混凝土基面上涂刷防護(hù)材料，采用滲透防水材料進(jìn)行防水處理。一般情況下，滲透防水材料涂刷兩遍，每遍噴涂量為350 ～ 400 g/m2，每遍噴涂至少5 s，目測噴涂均勻?yàn)楹细瘛?/p>

3）接縫處理。冷補(bǔ)植物瀝青混合料攤鋪前，在大轉(zhuǎn)角、混凝土接縫處等部位涂刷封縫膏防水材料，確保這些部位的防水效果。

4）攤鋪夯實(shí)冷補(bǔ)植物瀝青混合料。用攤鋪機(jī)把冷補(bǔ)植物瀝青混合料均勻攤鋪在基面上，攤鋪厚度為45 ～ 50 mm。用電動(dòng)夯實(shí)機(jī)和小型壓路機(jī)進(jìn)行振動(dòng)夯實(shí)，壓實(shí)后厚度不小于30 mm。振動(dòng)夯實(shí)過程中，用水平尺檢測排水坡度，不滿足排水要求的進(jìn)行人工補(bǔ)料、壓實(shí)，保證排水順暢。

整治效果見圖5。

圖5 防水保護(hù)層整治效果

3.2 驗(yàn)收檢測

整治后進(jìn)行驗(yàn)收檢測，結(jié)果見表5。其中，厚度和壓實(shí)度的技術(shù)要求參照《哈大客專高性能柔性瀝青砂混合料整治防水保護(hù)層粉化暫行技術(shù)條件》。可知：無砟軌道線間攤鋪壓實(shí)的冷補(bǔ)植物瀝青混合料厚度、滲水系數(shù)及壓實(shí)度均滿足技術(shù)要求，由其攤鋪形成的防水保護(hù)層橫向和縱向排水坡度滿足要求，排水通暢，整治效果良好。

表5 工后驗(yàn)收檢測結(jié)果

4 結(jié)論

1）隨著油石比增大，冷補(bǔ)植物瀝青混合料的貫入度由1.07 mm 增加到1.28 mm，增量較小。在一定范圍內(nèi)，油石比的變化對冷補(bǔ)料的貫入度影響不大。

2）隨著油石比增大，冷補(bǔ)植物瀝青混合料的低溫彎拉強(qiáng)度先增大后減小，滲水系數(shù)逐漸減小，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比逐漸增大。油石比為6.5%時(shí)，綜合性能較好。

3）采用油石比6.5%制備的冷補(bǔ)植物瀝青混合料對寒區(qū)無砟軌道防水保護(hù)層粉化整治后，冷補(bǔ)植物瀝青混合料防水層平整密實(shí)，厚度、滲水系數(shù)、壓實(shí)度均符合要求，防水保護(hù)層橫向和縱向排水坡度滿足要求，應(yīng)用效果良好。