淺析冷補瀝青混合料強度形成機理

2012-07-13 06:33:06袁雅君

黑龍江交通科技 2012年3期

袁雅君

(烏魯木齊公路管理局)

淺析冷補瀝青混合料強度形成機理

袁雅君

(烏魯木齊公路管理局)

首先介紹冷補瀝青混合料的基本性能，并通過分析冷補材料的組成結構及特點，進而研究其強度形成機理，最后論證了它與礦粉用量、粘聚力、骨料的摩擦角的關系。

冷補瀝青混合料;組成結構;強度機理

1 冷補瀝青混合料基本性能

(1)瀝青冷補液能全面裹覆潮濕或全濕的骨料;

(2)低溫下的冷補材料的強度與水穩性依舊保持良好，從而有著較好的可施工性;

(3)即使路面坑洞蓄水，冷補瀝青混合料的壓實性也不受影響，能與路面緊密結合;

(4)冷補瀝青混合料能不受坑洞的干燥、多塵等問題的干擾而粘結原有路面;

(5)在高溫條件下，冷補瀝青混合料有著足夠的抵抗能力應對輪胎的負荷;

(6)對于冷補瀝青混合料而言僅依靠有限的壓實性即可抵抗持續的擠壓和車轍;

(7)能夠較好地抵抗水損害。

2 瀝青冷補材料組成結構及其特點

瀝青冷補材料主要成分有礦質集料、粘合劑、添加劑、稀釋劑。

首先礦質集料最重要的是骨料的比例，決定著混合料在負荷作用下是否會被推擠。一般來說，施工時常選用完全破碎且不含任何細微材料的骨料作為最佳選擇，一方面是因為該骨料具有更好的“內鎖”性能和抗推擠或車轍的能力;另一方面它的適用范圍較廣，而且性能不容易受外界影響，即使在溫暖的氣候條件下也具有較好的抗推擠能力，主要是因為開級配混合料有更大的空隙率，如果在此基礎上增加瀝青膜厚度，還能改進其與原有路面材料的結合的能力。

其次是粘合劑，瀝青冷補材料常用冷補瀝青液結合混合料并粘合原有路面與修補料。其中冷補瀝青液主要成分包括瀝青、稀釋劑和添加劑。這種粘合劑組合的應用機理通過加入添加劑保持瀝青稀釋后原有瀝青基質的性能。

再次是添加劑，主要是通過提供凝膠結構使稀釋瀝青在低溫下也能增粘，促進冷補材料初期強度的形成;這樣不僅改進了稀釋后的混合料的黏附性能，也一定程度的改善了其在低溫條件下的工作性能，促進其與原有多塵或潮濕的路面材料間的結合，還提高自身的水穩性能。

最后還有稀釋劑，一般由多種稀釋劑混合而成。其主要功能是使混合料在堆放時不會變得太硬，并使其在路上容易壓實。應用過程中，尤其要注意其揮發速度，稍有不慎會影響到冷補料強度形成的時間，隨著稀釋劑及其添加量的改變，冷補材料施工和存儲性能也會受到影響。所以利用添加劑配制冷補瀝青時要以保持冷補材料的基本性能為基本要求，施工中常用稀釋劑主要有柴油稀釋劑。

3 冷補瀝青混合料強度形成機理

3.1 冷補瀝青混合料理論分析

冷補瀝青混合料最基本的功能是粘結性能，且其粘結力主要源于瀝青的分子作用力，而在其充分濕潤時，分子的稠密度很大程度地決定著粘結力大小。作為以瀝青為介質的粘結體系，升溫和施壓都能加強瀝青分子熱布朗運動，且粘結溫度越高，壓力越大，擴散作用越強，時間越長，其粘結力就越大。所以說瀝青在一定程度上決定著冷補瀝青混合料的性能，一方面混合料的強度和水穩性受到瀝青與礦料間粘附作用的直接影響;另一方面混合料疏松、易壓實與否和強度大小隨著不同礦料顆粒表面的瀝青之間的相互粘結作用的不同而有所不同。混合料在儲存時，要求呈現常溫且無外力作用的疏松狀態，礦料顆粒間彼此分離。

在路面攤鋪施工后，混合料受較大的外部作用力，使得瀝青分子之間相互擴散作用增強且距離變小、接觸面積增大;隨著添加劑的揮發，瀝青材料開始變稠，在外部作用力的時間累積效應作用下逐漸形成較強的粘結，隨著來行車負載作用混合料相互嵌擠形成強度而逐漸壓實至完全成型。

3.2 冷補瀝青混合料強度形成特點

常溫狀態下能夠保持較好的粘結性與疏松性是冷補瀝青混合料最主要的特點，但隨著溫度的降低熱拌瀝青混合料會凝結成塊，從而達不到低溫狀態下混合料的工作性能。因此冷補瀝青混合料的基質部分需要加入一定量稀釋劑進行改性，使其粘度降低，低溫下拌和后能有一定的疏松性，滿足工作性能要求。具有可塑性與流動性的混合料進行攤鋪、碾壓施工時，能被擠壓至坑槽中不規則之處，一部分溶劑在行車和空氣的作用下逐漸揮發，混合料顆粒之間的分布更加緊密，稠度變強，且空隙率減小，更加粘結牢固，路面逐漸失去松軟感，強度增高，使用后，熱瀝青混合料變形和強度會逐步穩定，最后足以超越其冷卻后的標準性能。

3.3 冷補瀝青混合料強度形成影響因素

(1)內因影響。

通過摩爾—庫侖理論對瀝青混合料的強度進行粘結力C和內摩阻角Φ兩項重要指標分析發現，干燥骨料的C=0而Φ≠0，熱瀝青混合料的Φ=0而C≠0。而這兩項指標主要受到前期瀝青材料存儲狀態以及材料間的作用力的影響。由于冷補瀝青混合料儲存時，骨料之間沒有相互嵌擠，因而Φ較小，混合料中瀝青膜厚度適中且用油量適宜，礦料表面的瀝青多能與其相互作用而形成粘性好的結構瀝青，而還有部分粘性不強的自由瀝青，分子間的作用力小，有著較好的潤滑作用。總之，混合料在儲存時，顆粒分離，呈疏松狀態，因而沒有形成強度。

當混合料在路面上攤鋪壓實后，其強度主要由材料粘性和外部作用力兩種因素形成;具體來說是指在改性瀝青與礦料相互作用后使混合料產生了巨大的內聚力和粘附力而構成冷補瀝青混合料的強度，它們使得礦料顆粒容易形成不易分離的整體，巨大的粘結力也使混合料與原表面不易剝離或推移，混合料經碾壓后顆粒間的嵌擠、鎖結作用主要是由混合料內摩擦阻力所構成，這兩部分力構成了其初始強度，以抵御車輛荷載作用。

表1 初始馬歇爾強度

從上表可看出，冷補瀝青混合料的初始強度和成型強度主要受瀝青用量與級配的影響。粘度相同時，初始馬歇爾強度也隨著瀝青結合料級配的不同而有所差別。

如下表2所示，即為A、B、C三種礦料級配的范圍。

表2 礦料級配范圍

表3 瀝青用量與初始馬歇爾強度的關系

從上表3及圖1可以看出，選用不同瀝青用量時，混合料的初始穩定度差別較大，在用量達5.2%前，兩者呈現正相關關系，在用量達5.2%時，初始穩定度取最大值，在用量達5.2%之后，隨著骨料相互間的自由瀝青增多，兩者呈現正相關關系。

圖1 瀝青用量與初始穩定度的關系

(2)外因影響。

由于時間效應、車輛荷載、外界環境等的長期作用，稀釋劑由快漸慢的逐漸揮發，瀝青的粘度逐漸增大，使得礦料表面因分子間的作用力增大而相互溶合，C值也不斷增大，使得混合料更為牢固且整體性更強，在長期行車負載作用下逐漸壓實并完全成型。這樣，粘聚力C值增量與增長速度快慢決定了混合料成型時的強度和時間。因Φ值是一個常數，所以骨料的摩擦角對強度作用較小。

通過馬歇爾穩定度室內與室外試驗來探討車輛荷載、氣溫、工期長短對冷補瀝青混合料成型強度的影響大小。