高性能冷拌冷鋪瀝青混合料配比設計及性能研究

李潘炡 張超 魏必成 陳香 段少嬋 柳昊

摘要 針對冷拌冷鋪瀝青混合料存在的初始強度弱、固化時間長、抗車轍性差等問題，該研究通過高性能乳化瀝青研發、配合比設計與性能驗證方法，研發了一種高性能冷拌冷鋪瀝青混合料。制備的乳化瀝青具有超粘特性，最佳油石比為7.2%的冷拌冷鋪混合料具有良好的抗車轍性能、抗水損害性能及耐磨耗性能。

關鍵詞 冷拌冷鋪;乳化瀝青;預防性養護;節能減排;混合料設計

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）12-0080-04

收稿日期：2022-05-11

作者簡介：李潘炡（1980—），男，博士研究生，高級工程師，研究方向：道路工程材料。

0 引言

目前對于路面中罩面和坑槽修補材料的研究主要集中于冷拌冷鋪瀝青混合料[1]。席建權開發的冷拌路面修補材料在試驗路段沒有出現冷補混合料脫落、松散，路用性能可靠，但是出現輕微擁包和泛油現象[2]。任永利研發出一種HU-L型瀝青改性劑，將其加入瀝青當中可以同時起到瀝青稀釋和改性作用，制備出一種冷補瀝青混合料，通過強度試驗測試發現：其強度形成較為緩慢[3]。郭揚通過添加纖維改善了冷拌瀝青混合料的疲勞性能，形成了纖維、乳化瀝青、纖維穩定劑、礦粉及集料組成于一體的冷拌瀝青混合料，整體力學性能提升明顯，溫度敏感性小[4]。

該研究擬制備一種新型的冷拌冷鋪乳化瀝青混合料，以用于預防性養護中瀝青路面的薄層罩面。通過對冷拌冷鋪瀝青混合料進行相應的路用性能評價，目的在于代替熱拌瀝青混合料，在路面施工過程中達到節約能源、保護環境、降低建設成本的效果。

1 試驗部分

1.1 原材料

選用SK70 A號基質瀝青，其基本性能如表1。SBS改性劑為線型YH-791。降粘劑為I，樹脂為D，阿克蘇乳化劑4 819，PHT穩定劑，羥乙基纖維素醚和飲用水。

1.2 高性能改性瀝青復合制備

將基質瀝青加熱至150～160 ℃，使其變為流體狀態。依次加入5%的SBS，0.1%的PHT穩定劑，3%的降粘劑I和1%的樹脂為D（均為基質瀝青質量的百分比），充分剪切并攪拌30 min，再置于160 ℃的烘箱中靜置發育60 min，由此制備出高性能復合改性瀝青，其性能指標如表2所示。

1.3 高性能乳化瀝青的制備

取上述復合改性瀝青性能加熱到180 ℃備用，將25 g的阿克蘇乳化劑4 819和0.01 g羥乙基纖維素醚加入2 800 g的60 ℃水中，調節pH值至2～2.5，后添加60 ℃水至3 000 g配成皂液，開啟膠體磨，將預先加熱過的復合改性瀝青和皂液按照63∶37質量比通過膠體磨進行乳化制備出慢裂快凝超粘改性乳化瀝青。超粘改性乳化瀝青的粒度分析結果見圖1。

由圖1可看出，制備乳化瀝青峰值粒徑和平均體積粒徑分別為2.27 μm和3.14 μm，乳化瀝青乳化效果較好。慢裂快凝型超粘乳化瀝青基礎性能的測試結果見表3。

如表3得慢裂快凝型超粘乳化瀝青性能技術指標均滿足規范要求，60 ℃旋轉黏度達到高粘改性瀝青技術水平。

1.4 試驗方案

冷拌冷鋪技術是在高性能乳化瀝青的開發及《稀漿封層及微表處技術指南》[5]的基礎上形成自有級配的冷拌冷鋪瀝青混合料。其性能評價主要借鑒國際稀漿罩面協會中的方法對該材料進行評價。

該研究對冷拌冷鋪混合料進行級配設計，通過拌和試驗、黏聚力試驗，結合經驗確定冷拌冷鋪混合料中油石比、水泥、水的摻配比例。通過濕輪磨耗試驗和負荷車輪粘試驗確定相變微表處混合料的最佳油石比。同時對新型冷拌冷鋪混合料的抗車轍性能、抗水損害性能及耐磨耗性能進行驗證。

2 結果與討論

2.1 冷拌冷鋪混合料級配要求

考慮到微表處在我國應用良好，但是噪聲是微表處大面積推廣關鍵影響因素，因此在設計配合比時，綜合考慮PAC-10和MS-3型級配形成自己特有級配具體見表4。

2.2 冷拌冷鋪混合料配合比設計

合成級配如表5所示。對集料級配進行相應調整，使級配曲線靠近級配中值略呈S形，有利于集料形成嵌擠作用。

2.3 冷拌冷鋪混合料試配

在確定配合比之前進行人工拌和試驗，報告記述試驗時的氣溫和濕度、拌和時間，進行黏聚力試驗，檢測30 min強度，結果如表6所示。

拌和狀態通過混合料的拌合試驗進行觀測，記錄破乳時間。分析試驗結果后初判定混合料中油石比的大小及瀝青的適用性。由表4數據可知，以上摻配比例的混合料拌和時間均在180 s以上，基本上能夠形成良好的稀漿狀態，且可達到可拌和時間的要求。在保證混合料要有足夠的施工時間的同時，還需混合料的初期強度滿足一定的要求，混合料的早期強度通過黏聚力試驗來表征，由以上試驗數據可得，10%、11%的改性乳化瀝青用量、9%、10%的外加水量、1.0%、1.5%的水泥用量，可得到指標良好的混合料。該試驗所用合成級配含有較多粉料，所以需要的水較多。11%的改性瀝青、10%用水量、1.0%水泥用量的稀漿混合料有較好的成漿狀態。

2.4 冷拌冷鋪最佳油石比的確定

該文依據稀漿封層施工技術規范，在確定級配條件下，為防止開裂選取水泥摻量1%，外加用水量取10%，油石比取6.6%、7.2%、7.8%，分別進行1 h濕輪磨耗試驗、負荷車輪粘砂試驗，將試驗結果繪制用料確定稀漿混合料最佳瀝青用量的曲線圖，根據曲線圖選擇相變微表處混合料的最佳油石比。平行試驗三組，試驗結果見表7。

油石比的用量直接影響微表處混合料的性能，因此在研究混合料的路用性能之前需確定混合料的最佳瀝青用量。規范給出了混合料設計中的瀝青用量的大致范圍，沒有給出一個確定值，因此混合料的最佳瀝青用量可通過濕輪磨耗試驗和負荷車輪粘砂試驗來確定。1 h濕輪磨耗值及粘附砂量與油石比的關系如圖2所示。0C4DA3F7-35C5-4A27-9B35-5E14D0D02E64

觀察油石比關系曲線圖2可知，當油石比取6.6%～7.8%時，測試混合料的浸水1 h濕輪磨耗損失小于540 g/m?、粘附砂量小于 450 g/m?，均符合指南中的相應要求。粘附砂量不能大于 450 g/m?的要求，因此可選擇的油石比范圍比較寬。1 h 濕輪磨耗曲線與粘附砂量曲線交叉點對應的油石比為7.2%。綜合考慮若油石比過小，集料與瀝青之間的裹覆性差，會導致其性能不足。而油石比過大則混合料表面容易產生油光，在實際工程中路面泛油現象嚴重，且提高造價。因此，該文最終確定7.2%為最佳油石比。圖2 冷拌冷鋪混合料油石比確定

2.5 冷拌冷鋪混合料性能評價

冷拌冷鋪做路面養護的最終目的是延長瀝青路面使用壽命。因此需要對上述試驗所確定的混合料進行性能分析。對不同組成方案冷拌冷鋪混合料性能進行檢驗，組成方案見表8。由于納米封面劑較多容易堵塞表面構造深度，建議撒布量不要超過0.5 kg/m2，為防止開裂建議水泥用量為1%。

2.5.1 耐磨耗性能

在測試耐磨耗性能時，設定濕輪磨耗試驗儀的磨耗頭轉動300 s，每組試樣個數為3個，進行3次試驗，試驗結果求平均值。

冷拌冷鋪在用于高速公路或一級公路的車轍填充和罩面時，除了對集料有耐磨、選取硬質石料的要求，還要求混合料具有較高的粘結力以確保在車輛荷載作用下集料不會被磨出。浸水1 h磨耗值能夠用來表征混合料耐磨性能，耐磨值越小耐磨性能越強，集料不容易被刮出，表明瀝青與集料之間的粘接性好，整體性強。若磨耗值很大則耐磨性能很差。冷拌冷鋪混合料的耐磨性能主要通過浸水1 h濕輪磨耗試驗來評價。表9為三種方案的1 h濕輪磨耗結果。

按規范要求將混合料過篩，篩除4.75 mm以上部分，其目的是為得到一個沒有大集料、較為平整的磨耗面，以防在進行濕輪磨耗試驗時大料被刮出，如果集料不進行過篩則會造成磨耗試驗結果偏大，試驗結果誤差較大。通過對比試驗結果可知，納米封面材料用量越大，濕輪磨耗值越小。超粘乳化瀝青用量越大，濕輪磨耗值越小。三種方案濕輪磨耗值小于540 g/m?，因此該冷拌冷鋪混合料具有一定的抗磨耗性能，滿足規范要求?？梢酝ㄟ^提高混合料的油石比或者增加納米封面劑來提高其抗磨耗性能。

2.5.2 抗水損害性能

冷拌冷鋪是一種稀漿混合料，需通過拌和試驗來進行評定，破乳時間、可拌和時間可作為評價指標[6]。對混合料進行6 d的濕輪磨耗試驗。通過試驗得出三種不同混合料的磨耗值，分析了混合料的抗水損害性。表10為三種方案下新型冷拌冷鋪瀝青混合料的 6 d 濕輪磨耗值結果。

通過對比數據結果表明：納米封面劑撒布量越大，浸水6 d濕輪磨耗值越小。這是由于納米封面劑在表面阻隔了水分持續損害，進入瀝青與集料中的水分減少;同時微膠囊相變材料粒徑較小，填充了微表處混合料中的空隙，使混合料更加密實，整體性更強，水分不容易進入到混合料內部，從而提高了微表處混合料的抗水損害能力。隨著超粘乳化瀝青摻量增大，浸水6 d濕輪磨耗值變小，隨著乳化瀝青摻量增大，石料表面形成的瀝青膜厚度增大，混合料抗水損害性能越好。

2.5.3 抗車轍性能對比

冷拌冷鋪混合料的抗車轍能力通過試件寬度的變形率來表征。經1 000次碾壓后的試件寬度變形率越小，混合料的抗車轍能力越強。按照微表處混合料配比成型長（380.0±0.1 mm）×寬（50±0.1 mm）×厚（12.7±0.1 mm）規格的條形試件，進行輪轍變形試驗，在22±2 ℃的試驗溫度下進行，記錄實驗前試件寬度、碾壓1 000次后測量試樣寬度，計算寬度變形率。表11為不同方案冷拌冷鋪混合料輪轍變形試驗結果。

負荷輪車轍試驗結果得出不同方案下的輪轍變形率不同，納米封面劑對負荷輪車轍沒有影響，隨著超粘乳化瀝青摻量變大，抗車轍性能越差，這是因為在反復荷載作用下，混合料出現泛油，造成混合料抗車轍性能變弱。

3 結論

該研究開發出預防性養護技術冷拌冷鋪瀝青混合料，得出以下主要結論：

（1）研究開發出高性能乳化劑，將其與復合改性瀝青一起制備超粘乳化瀝青，制備超粘乳化瀝青粒徑較小，乳化瀝青性能指標滿足技術要求。

（2）通過對新型冷拌冷鋪瀝青混合料進行拌和試驗、黏聚力試驗、負荷車輪粘試驗及濕輪磨耗試驗，試驗結果得出：拌冷鋪混合料油石比、水泥及水的摻配比例;拌和時間及黏聚力滿足規范要求;相變微表處混合料的最佳油石比為7.2%。

（3）通過性能評價發現，冷拌冷鋪混合料具有優良的抗車轍性能、抗水損害性能及耐磨耗性能，可用于瀝青路面預防性養護工程中。

參考文獻

[1]趙志超. 新型冷拌冷鋪乳化瀝青混合料研究[D]. 北京：北京建筑大學， 2015.

[2]席建權. 一種快速成型的路面修補材料[J]. 公路， 2000（2）： 78-80.

[3]任永利. HU-L冷補料在高等級公路瀝青路面養護維修中的應用[J]. 廣東公路交通， 2003（4）： 11-12， 23.

[4]郭揚. 纖維瀝青混凝土耐久性能試驗研究[D]. 大連：大連海事大學， 2008.

[5]微表處和稀漿封層技術指南[M]. 北京：人民交通出版社， 2006.

[6]王清洲， 馬小江， 董利偉， 等. 冷拌冷鋪水性環氧乳化瀝青混合料性能研究[J]. 熱固性樹脂， 2019（6）： 31-35.0C4DA3F7-35C5-4A27-9B35-5E14D0D02E64