瀝青路面坑槽冷補材料的評價與應(yīng)用

江陳龍 衛(wèi)君毅 張辰辰

0 引言

坑槽作為瀝青路面最為常見和最難修復(fù)的病害之一，若得不到及時處理，將造成嚴重的經(jīng)濟社會損失。采用熱拌瀝青混合料開槽修補是常見的坑槽維修方式，但由于熱拌瀝青混合料在低溫季節(jié)施工困難，無法在較短時間內(nèi)開放交通，坑槽修復(fù)往往錯過最佳預(yù)防性養(yǎng)護時機。因此，能夠在常溫或低溫下快速修復(fù)坑槽的冷補瀝青混合料（Cold Patch Asphalt Mixture，CAM，簡稱冷補料），受到了各國道路養(yǎng)護工作者的重視。然而，在實際工程中，由于市場上的冷補料產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，坑槽修復(fù)后路面二次破損頻發(fā)，給道路使用者和養(yǎng)護單位造成了極大的困擾。

為了提高冷補料的質(zhì)量和坑槽修復(fù)的效果，國內(nèi)外對冷補料的評價方法進行了探索[1-3]。國外冷補料的評價方法通常都是針對各自企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，難以推廣應(yīng)用。國內(nèi)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40 -2004）[4]給出了冷補料低溫操作性、耐水性等的試驗檢測方法，但對于評價冷補料技術(shù)性能的指標(biāo)及試驗方法仍不夠系統(tǒng)和完整。隨著冷補料被廣泛地應(yīng)用于高等級路面坑槽修復(fù)中，毛緯云[5]、張濤[6]、張爭奇[7]等人一步提出了以強度、黏聚性、施工和易性、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性為主的冷補料性能評價方法。至2015年末，交通運輸部相關(guān)工作組才提出并歸口《瀝青路面坑槽冷補成品料》（JT/T 972-2015）[8]，總結(jié)了冷補料施工性能、成型馬歇爾強度和水穩(wěn)定性評價方法。這些研究一定程度上完善了國內(nèi)的冷補料評價體系，然而，國內(nèi)冷補料性能評價試驗方法普遍存在忽視冷補料實際使用條件，致使坑槽實際修復(fù)效果達不到預(yù)期。此外，目前國內(nèi)鮮有明確的冷補料性能技術(shù)要求，難以對冷補料進行優(yōu)選。因此，坑槽冷補材料的評價體系仍有待進一步完善。

現(xiàn)階段我國公路養(yǎng)護需求已進入周期性的高峰，而瀝青路面快速修復(fù)作為公路預(yù)防性養(yǎng)護的重要組成部分，尚未形成統(tǒng)一的試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)體系。本文的研究目的在于通過坑槽二次破損現(xiàn)狀調(diào)研分析，并結(jié)合實際工程案例，對瀝青路面坑槽冷補材料性能評價方法、評價指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)進行研究，完善冷補料的評價體系，探索坑槽快速冷補材料評價技術(shù)的應(yīng)用，為養(yǎng)護單位進行冷補材料優(yōu)選及坑槽修復(fù)決策提供參考。

1 冷補料性能評價內(nèi)容

采用冷補料進行路面修復(fù)的主要目的，就是及時、快速地恢復(fù)由于坑槽而降低的路面使用性能。因此，為了延長修復(fù)壽命，對冷補料修復(fù)坑槽后路面發(fā)生頻率較高的二次破損類型進行了調(diào)研及成因分析，并以影響冷補料修復(fù)壽命的幾項關(guān)鍵性能作為評價內(nèi)容。

為進一步了解國內(nèi)坑槽修復(fù)的二次破損情況，對江蘇省若干公路與城市道路坑槽修復(fù)后的二次破損狀況進行了現(xiàn)場調(diào)研，共記錄了102 個冷補料修復(fù)后的路面坑槽二次破損情況，其中材料松散剝落、凹陷和裂縫是發(fā)生率最高的三種二次破損形式，分別高達48%、37.3%和30.4%。從病害情況來看，冷補材料本身的性能穩(wěn)定性不足是引起二次破損的主要原因。

綜合上述調(diào)研結(jié)果，根據(jù)二次破損特征和發(fā)生率將瀝青路面坑槽修復(fù)常見的二次破損分為變形類、松散類、裂縫類共3種類型。根據(jù)這3 類病害的成因調(diào)研，應(yīng)重點對冷補料的施工性能、初始強度、黏聚性、成型強度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性進行評價，如表1 所示。

2 冷補料性能評價技術(shù)要求

通過對若干種典型冷補料的室內(nèi)試驗研究，并參考現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和研究成果，綜合提出冷補料各項性能的技術(shù)要求建議值，為養(yǎng)護單位進行材料優(yōu)選提供參考。

2.1 試驗材料

目前國內(nèi)主流的坑槽冷補料主要以國產(chǎn)冷補料、美國冷補料及日本冷補料為代表。為使試驗材料更具有代表性，選取表3所示4 種冷補料，對不同冷補料的施工性能、初始強度、黏聚性、成型強度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性進行評價，為坑槽修復(fù)冷補料優(yōu)選提供依據(jù)。

2.2 試驗評價及技術(shù)要求

2.2.1 施工性能

我國采用經(jīng)驗法簡單評價冷補料施工性能，而國外一般使用坍落試驗、貫入試驗等量化評價方法，但普及率較低。試驗條件允許下，建議采用貫入試驗對冷補料施工性能進行評價，否則以經(jīng)驗法代替，評價指標(biāo)為貫入強度W 或施工性能等級G。對4 種冷補料依次進行經(jīng)驗法和貫入實驗，結(jié)果如表4 所示。

貫入強度越大或施工性能等級越低，冷補料的施工性能越差，拌和與壓實難度越大。根據(jù)表4，LD 的的貫入強度為4.6 kg/cm2，相較其他三種冷補料，施工性能最差。但實際上冷補料的耐久性和施工性能通常是負相關(guān)的[9]，因此FHWA[1-10]認為，當(dāng)貫入強度W≤3 kg/cm2時冷補料的施工性能是合格的，且貫入強度不宜超過4 kg/cm2。為平衡冷補料耐久性與施工和易性之間的矛盾，建議貫入強度1 kg/cm2≤W≤4 kg/cm2，采用經(jīng)驗法評價時施工性能等級則不低于3 級。

2.2.2 初始強度

冷補料定位于應(yīng)急修復(fù)，需在攤鋪、碾壓之后迅速形成一定的初始強度抵抗交通荷載下的推擠變形。冷補料初始強度主要由骨架嵌擠力構(gòu)成，不宜采用測試瀝青粘結(jié)性能與骨架嵌擠共同作用的馬歇爾試驗。此外，在實際開槽修復(fù)中，冷補料在5個面上都有圍壓，這與馬歇爾試驗?zāi)M的條件是不同的。因此本文從試件結(jié)構(gòu)和加載方式兩方面考慮，設(shè)計了初始抗變形試驗來代替馬歇爾試驗，以車轍深度評價冷補料的初始強度。具體實驗步驟如下：1）將成型的車轍板割成4 等分，每一等分尺寸為300 mm×75 mm×50 mm；2）重新組合切割好的“1/4 車轍板”，形成尺寸為 300 mm×150 mm×50 mm 坑槽；3）將 20℃保溫后的冷補料填入坑槽，再次碾壓形成新的車轍板復(fù)合試件，以此模擬坑槽修復(fù)過程，如圖1 所示。

表1 冷補材料性能評價內(nèi)容

表2 試驗用成品冷補料基本信息

表3 施工性能試驗結(jié)果

圖1 坑槽室內(nèi)試驗?zāi)M

根據(jù)上述試驗步驟對LD、RPT、DR 和RH 分別進行初始抗變形試驗，所得結(jié)果見圖2。由圖2 可知，DR 的初始強度最低，車轍深度達到了6.7 mm，而RPT、DR 和RH 車轍深度均小于5.5 mm。考慮到冷補料受到的車輛荷載碾壓作用低于新建路面，可適當(dāng)放寬技術(shù)要求，建議初始抗變形試驗技術(shù)要求為車轍深度d≤7 mm。

2.2.3 黏聚性

按AASHTO 中的滾動篩試驗方法[1]，對4 種冷補料進行滾動篩試驗，以殘留率mr 評價冷補料的黏聚性，試驗結(jié)果圖3 所示。可以看出：LD 在試驗過程中脫落明顯，殘留率不足20%，遠遠低于其余三種冷補料，黏聚性最差。RPT、DR、RH 的殘留率均超過了75%，黏聚性較好。根據(jù)實際工程需求，推薦殘留率不小于70%。

2.2.4 成型強度

本文選取馬歇爾穩(wěn)定度MS 評價冷補料的成型強度。冷補料試件在室溫下的強度增長很慢，須通過加速養(yǎng)生使其快速達到成型強度，故將冷補料試件置于110℃烘箱中養(yǎng)生24 h，來模擬冷補料試件成型。此外，考慮到60℃水浴30 min 條件下，冷補料易發(fā)生松散，本文將水浴溫度降至25℃，延長水浴時間至1 h。按照上述試驗要求分別測試LD、RPT、DR 和RH 的成型強度。結(jié)果表明，LD 的成型馬歇爾強度最低，僅為2.3 kN，而DR的成型馬歇爾強度最高，接近LD 的3 倍。此外，RPT、RH 的成型馬歇爾強度均超過4 kN。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求冷補料馬歇爾穩(wěn)定度不低于3 kN，對各級公路密級配熱拌瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度最低要求為5 kN，考慮到冷補料馬歇爾試件在110℃烘箱內(nèi)加速養(yǎng)生24 h 后，其穩(wěn)定度仍能繼續(xù)增長，本文建議冷補料成型強度仍可以3 kN 為最低要求，則4 種冷補料中僅LD 不滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.5 水穩(wěn)定性

考慮冷補料水損害發(fā)生成因和實際工程應(yīng)用的可行性，選取修正后的凍融劈裂試驗評價冷補料的水穩(wěn)定性，評價指標(biāo)為凍融劈裂試驗強度比TSR。其中將凍融劈裂試驗水浴條件由60℃水浴30 min 調(diào)整為25℃水浴1 h。分別對4 種冷補料進行修正的凍融劈裂試驗，并計算凍融劈裂試驗強度比，結(jié)果如圖4所示。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》指出，年降雨量在500 mm以上的潮濕區(qū)和濕潤區(qū)的熱拌瀝青混合料TSR 值不低于75%，而眾多工程實踐表明，熱拌瀝青混合料的抗水損害性能遠優(yōu)于冷補料，考慮到冷補料自身性能的局限性，且其定位于應(yīng)急修復(fù)，其標(biāo)準(zhǔn)可略低于熱拌瀝青混合料，故建議冷補料TSR 不低于70%。

2.2.6 高溫穩(wěn)定性

坑槽修復(fù)容易發(fā)生變形類二次破損，主要原因之一就是高溫條件下冷補料缺乏足夠的抗變形能力。高溫穩(wěn)定性作為瀝青混合料性能檢驗中最重要的指標(biāo)，本文仍采取工程中廣泛應(yīng)用車轍試驗對其進行評價，但為了模擬冷補料在溶劑揮發(fā)和車輛碾壓下空隙率減小和強度形成的過程，對試驗進行了以下修正：先碾壓車轍板16 次，再置于110℃烘箱內(nèi)加速養(yǎng)生24 h，取出后再立即碾壓8 次。按上述試驗方法對4 種冷補料進行車轍試驗，結(jié)果如圖5 所示。可以發(fā)現(xiàn)，RH 的動穩(wěn)定度最高，達到了1 500次/mm，高溫下抗變形能力最強，而LD 的高溫穩(wěn)定性明顯低于其余三種冷補料，動穩(wěn)定度不足300 次/mm，而RPT、DR 的動穩(wěn)定度處于中等水平，且均超過600 次/mm。事實上由于采用110℃養(yǎng)生24 h 的方法進行加速養(yǎng)生后，冷補料中的冷補添加劑不能完全揮發(fā)，冷補料中殘留的冷補添加劑影響了其混合料性能，導(dǎo)致冷補料動穩(wěn)定度往往低于熱拌瀝青混合料。因此，冷補料的高溫抗變形性能技術(shù)要求應(yīng)在熱拌瀝青混合料技術(shù)要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低，建議冷補料動穩(wěn)定度不低于600 次/mm。

3 工程實例

圖2 不同冷補料初始抗變形試驗車轍深度

圖3 不同冷補料滾動篩試驗殘留率

江蘇省內(nèi)某公路重載車輛所占比例較高，交通量大，且由于所處區(qū)域夏季氣溫高，降水量大，建成通車不久便出現(xiàn)了大量的路面破壞，而市場上的冷補料質(zhì)量良莠不齊，坑槽修復(fù)效果不理想，使得養(yǎng)護單位被坑槽問題長期困擾。因此養(yǎng)護單位希望選用性能優(yōu)良的冷補料，延長坑槽修復(fù)壽命。

總結(jié)各冷補料的性能評價試驗結(jié)果可知：DR 的施工性能和使用性能整體最好，但價格較為昂貴；RH 在使用期間抵抗變形的能力最突出，水穩(wěn)定性也僅次于DR；LD 的殘留率、成型馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度均達不到技術(shù)要求，使用性能最差；除高溫穩(wěn)定性外，RPT 與RH 的使用性能相近，滿足各項性能技術(shù)要求。由于該地年降雨量較大，且夏季高溫，綜合考慮冷補料使用性能和經(jīng)濟成本，推薦RH 作為坑槽快速修復(fù)材料。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的切槽修補工藝，對4 種冷補料進行圖6所示的坑槽修復(fù)現(xiàn)場試驗，并對修復(fù)的坑槽進行觀測記錄。

觀測結(jié)果表明，4 種冷補料中，LD 修復(fù)效果最差，其修復(fù)的坑槽在18 周后已全部失效；RPT 與DR 修復(fù)的坑槽在第42 周時全部發(fā)生二次破壞，其中，RPT 修復(fù)的坑槽早期破壞嚴重，18周時失效率達到80%；RH 坑槽修復(fù)后壽命最長，52 周后仍有20%存活。由實例可知，所提出的冷補瀝青混合料評價試驗方法和技術(shù)要求能較好地反映冷補料的路用性能，便于養(yǎng)護單位優(yōu)選材料，且滿足技術(shù)要求的冷補料具有較好的坑槽修復(fù)效果。

圖6 冷補料坑槽修復(fù)施工

4 結(jié)論

（1）在對冷補料坑槽修復(fù)后路面二次破損調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析了冷補料性能需求并確定了冷補料評價內(nèi)容，包括施工性能、初始強度、黏聚性、成型強度、水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性。

（2）設(shè)計了初始抗變形試驗，用于評價修復(fù)材料的初始強度，采用貫入試驗或經(jīng)驗法、滾動篩試驗、修正的馬歇爾試驗、修正的凍融劈裂試驗和車轍試驗評價冷補料的施工性能、黏聚性、成型強度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。

（3）通過對典型冷補料的室內(nèi)試驗研究，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和研究成果，確定了冷補料各項性能的技術(shù)要求：施工性能應(yīng)滿足貫入強度1 kg/cm2≤W≤4 kg/cm2或施工性能等級G≥3 級，使用性能應(yīng)滿足初始抗變形試驗車轍深度d≤7 mm，滾動篩試驗殘留率mr≥70%，成型馬歇爾穩(wěn)定度MS≥3 kN，動穩(wěn)定度DS≥600 次/mm，凍融劈裂試驗強度比TSR≥70%。

（4）通過工程實例檢驗，所提出的冷補瀝青混合料評價試驗方法和技術(shù)要求能較好地反映冷補料的路用性能，且滿足技術(shù)要求的冷補料具有較好的坑槽修復(fù)效果，可以為養(yǎng)護單位決策提供參考。

圖4 不同冷補料的TSR

圖5 不同冷補料的動穩(wěn)定度