反應型坑槽冷補料強度增長特性研究

摘要：反應型坑槽冷補料是一種新型的坑槽修補料，為探究其強度增長特性，文章在室內制備自研反應型坑槽冷補料的基礎上，選取常用溶劑型坑槽冷補料作為比對組，對兩種坑槽冷補料分別進行不同養護時間條件下的馬歇爾穩定度試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗，通過相應試驗指標分析其強度增長特性。結果表明：反應型坑槽冷補料較溶劑型坑槽冷補料具備更短的強度形成速率以及更高的強度，不僅可以滿足高速公路養護施工快速開放交通的需求，其良好的高溫穩定性和水穩定性還能有效保證坑槽修補后的正常使用。

關鍵詞：高速公路；養護施工；坑槽修補；反應型坑槽冷補料；強度增長

中圖分類號：U416.03A130422

0 引言

坑槽作為一種隨機出現且初期規模較小的瀝青路面典型早期病害，其一旦出現將對行車安全、駕駛舒適性以及道路長期路用性能產生較大的不利影響，因此在高速公路日常養護中對坑槽病害修補有著很高的時效性要求［1］。目前坑槽修補主要分為“熱補”和“冷補”兩種方式，“熱補”是采用熱拌瀝青混合料進行坑槽修補，其坑槽修補效果很好，但是需要較大的施工規模以及良好的施工環境；“冷補”是采用坑槽冷補料進行修補，其隨取隨用、施工簡便以及對施工環境要求低等特點更為契合坑槽病害修補的特點，因此“冷補”是當前高速公路日常養護施工中應用最為廣泛的方式［2］。

坑槽冷補料有溶劑型和反應型兩種，溶劑型坑槽冷補料的強度增長較為緩慢，在快速開放交通背景下容易再次出現病害問題，導致耐久性較差［3-4］，而反應型坑槽修冷補料作為一種新型高性能冷補料受到越來越多的關注。目前針對反應型坑槽冷補料的研究重點主要聚焦在材料配方優化及路用性能表現，對其強度增長特性的研究較為缺乏，這不利于該材料在坑槽修補中的推廣應用。本文在室內制備反應型坑槽冷補料基礎上，通過不同的性能試驗，對其強度增長特性進行研究，以期為廣大高速公路養護施工從業者在應用反應型坑槽冷補料時提供參考。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）反應型坑槽冷補料。將反應型常溫瀝青、固化劑及集料按照一定質量配合比進行復配拌和，制得反應型坑槽冷補料，其中反應型常溫瀝青是在70#基質瀝青基礎上添加反應型乳液制備而成，固化劑則是由硅酸鹽水泥及偏高嶺土復配而成，集料采用石灰巖礦料。

反應型坑槽冷補料配合比如表1所示，其礦料級配設計如圖1所示。

（2）溶劑型坑槽冷補料。采用市面上所售某品牌LB-10規格的25 kg/包的成品冷補料，該產品可直接隨取隨用進行坑槽修補。

1.2 試驗方法

按照圖2所示工藝流程制備成品反應型坑槽冷補料。對反應型坑槽冷補料及溶劑型坑槽冷補料進行不同養護時間條件下的馬歇爾穩定度試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗，通過相關試驗指標變化分析材料的強度增長特性及性能變化。相關試驗檢測方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）和《瀝青路面坑槽冷補成品料》（JT/T 972-2015）中規定進行。

2 試驗結果及分析

2.1 馬歇爾穩定度試驗

馬歇爾穩定度是用于表征瀝青混合料所承受最大荷載的強度指標。將不同坑槽冷補料按規范要求制備成馬歇爾試件，試件放在25 ℃的恒溫環境養護不同時間后進行馬歇爾穩定度試驗，相關試驗結果如圖3所示。

從圖3數據可以看出，在養護時間增加的條件下，不同類型坑槽冷補料的馬歇爾穩定度會逐漸增加并趨于穩定。當養護時間從5 h增加至24 h和72 h，反應型坑槽冷補料的馬歇爾穩定度分別增長了89%和31%，而溶劑型坑槽冷補料分別增長了92%和23%。當養護時間從72 h增加至168 h，反應型坑槽冷補料和溶劑型坑槽冷補料的馬歇爾穩定度增幅分別僅為3.7%和4%，說明兩種坑槽冷補料已趨于最終強度。雖然兩種坑槽冷補料均表現出相似的強度變化趨勢，但是兩者強度形成機理并不相同。溶劑型坑槽冷補料中的瀝青是加入了柴油溶劑作為稀釋劑進行常溫液化，稀釋劑會在修補應用過程中不斷揮發，瀝青因此會變得粘稠進而填滿瀝青混合料內空隙，最終冷補料因集料之間密實度不斷增加而提升了強度。反應型坑槽冷補料則是通過反應型稀釋劑與固化劑的水化物發生化學反應，其反應后的產物能夠在瀝青體系中形成空間網狀結構進而有效強化早期強度。就具體數值而言，在相同養護時間下，反應型坑槽冷補料較溶劑型坑槽冷補料具備更高的馬歇爾穩定度?！稙r青路面坑槽冷補成品料》（JT/T 972-2015）中規定坑槽冷補料穩定度需≥3 kN，而反應型坑槽冷補料在養護5 h后的馬歇爾穩定度已經達到6.5 kN，同期的溶劑型坑槽冷補料馬歇爾穩定度僅為2.18 kN。在養護72 h后，兩種坑槽冷補料已接近形成最終強度，反應型坑槽冷補料的馬歇爾穩定度已增加至16.2 kN，是同期溶劑型坑槽冷補料的近3倍。這說明反應型坑槽冷補料能夠在短時間內快速形成滿足快速通車要求的強度，后期強度顯著增長可以有效保證坑槽修補后的正常使用。

2.2 車轍試驗

車轍試驗可以有效評價熱拌瀝青混合料在高溫環境下承受外界荷載變形的穩定性，因此該試驗的動穩定度指標可以看作一種強度指標。雖然坑槽冷補料相關規范并沒有涉及車轍試驗，但考慮該試驗更接近實際路況的模擬再現，因此將坑槽冷補料分別制成車轍試件并養護不同時間后進行車轍試驗以研究強度增長特性，相關試驗結果如圖4所示。

從圖4可看出，不同坑槽冷補料的動穩定度會隨著養護時間增加而增大并逐漸趨于穩定。當養護時間從5 h增加至24 h和72 h，反應型坑槽冷補料的動穩定度分別增加了14%和4%，而溶劑型坑槽冷補料的動穩定度分別增加了61%和76%。反應型坑槽冷補料在養護72 h時已形成最終強度，此后養護時間的增加對動穩定度基本無影響，而溶劑型坑槽冷補料從養護72 h增加到養護168 h，其動穩定度仍增加了15%。雖然溶劑型坑槽冷補料的動穩定增幅較大，但其動穩定度整體較低，養護5 h后的動穩定度僅為310次/mm，即便在養護168 h后的動穩定度也僅為1 020次/mm。這是因為溶劑型坑槽冷補料中稀釋劑的揮發速率較慢導致無法快速形成強度抵抗外界荷載，隨著稀釋劑的不斷揮發，瀝青的膠結作用會不斷增強，同時碾壓作用使得冷補料礦料間的嵌擠不斷增加，整體強度得到進一步增加。而反應型坑槽冷補料在短時間內就完成了絕大部分的固化反應并形成了較高的強度，不同養護時間下的動穩定度均超過3 000次/mm，其強度值已達到熱拌瀝青混合料的動穩定度要求值。隨著養護時間的增加，其固化反應效率也趨于平緩，動穩定度的增長幅度也逐漸減小，最終強度也達到一個較為平穩的水平。

2.3 浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗

坑槽冷補料在修補坑槽病害后極易在有水環境下受到侵蝕進而導致工作性能不佳，因此對坑槽冷補料在水環境下的強度特性進行評價是很有必要的。本文對不同養護時間下的坑槽冷補料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，通過相關水穩定性指標進行強度的間接性評價。由于相關規范對坑槽冷補料的水穩定性指標并未涉及，本文參考熱拌瀝青混合料的水穩定性指標作為評價依據，試驗結果如表2所示。

規范規定熱拌瀝青混合料的浸水馬歇爾穩定度和凍融劈裂抗拉強度比的下限值分別為85%和80%。從試驗數據來看，在養護5 h和24 h條件下的溶劑型坑槽冷補料在溫度和水的耦合作用下呈松散狀態，這說明溶劑型坑槽冷補料出現了較為嚴重的水損害導致無法形成整體強度。當養護時間增加到72 h和168 h，溶劑型坑槽冷補料具備了一定的浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比，但整體數值較低，無法達到熱拌瀝青混合料的水穩定性性能。這主要是因為溶劑型坑槽冷補料中瀝青加入了稀釋劑，其與集料粘附性能較差，而稀釋劑揮發速率較慢，導致溶劑型坑槽冷補料在養護時間較短條件下無法形成有效強度，瀝青的粘附性能在溫度和水的作用下變得更差，這也是溶劑型坑槽冷補料在有水環境下早期極易出現松散、脫粒的原因。當養護時間足夠的情況下，溶劑型坑槽冷補料在稀釋劑較大程度揮發后形成了強度并具備一定的水穩定性，但仍與熱拌瀝青混合料存在一定的差距。

與溶劑型坑槽冷補料不同，反應型坑槽冷補料在養護5 h條件下，其浸水殘留穩定度和凍融劈裂抗拉強度比分別達到87%和80%，此時已經滿足熱拌瀝青混合料的水穩定性指標要求。隨著養護時間不斷增加，兩項指標值雖然仍有小幅度的增加，但整體較為穩定，浸水馬歇爾穩定度和凍融劈裂抗拉強度比在養護5 h已經達到養護168 h的97.2%和96.3%。這充分說明反應型坑槽冷補料可以在短時間內形成較高強度并具備了良好的水穩定性，其性能已達到了熱拌瀝青混合料性能水平，可實現在有水環境下的穩定使用。

3 結語

（1）溶劑型坑槽冷補料的強度增長主要是依靠稀釋劑的揮發，其強度增長速率較慢且形成的最終強度較低。而反應型坑槽冷補料可通過水化及固化等反應在短時間內形成較高的強度，其強度與最終強度較為接近。

（2）馬歇爾穩定度試驗和車轍試驗結果表明，反應型坑槽冷補料強度形成速率及強度值顯著優于溶劑型坑槽冷補料，該特性可以滿足高速公路養護施工快速開放交通的需求，其良好的高溫穩定性還能夠有效保證坑槽修補后的正常使用。

（3）浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果表明，反應型坑槽冷補料的水穩定性優于溶劑型坑槽冷補料，其水穩定性指標已達到熱拌瀝青混合料的性能水平，可有效解決溶劑型坑槽冷補料在應用中遇水失效的問題。

參考文獻

［1］孫夢青，王琛銳，王軍禮，等.瀝青路面坑槽冷補料及界面黏結料研究綜述［J］.山東交通科技，2023（2）：48-53.

［2］楊 勝.反應稀釋型冷補瀝青混合料的性能研究［D］.北京：北京建筑大學，2022.

［3］吳 恙，王 彬.反應型冷補料與溶劑型冷補料路用性能對比研究［J］.公路與汽運，2022（1）：95-98.

［4］劉非易，余泳幸，沈 凡.反應型冷補瀝青混合料的強度形成機理及強度發展規律研究［J］.公路，2023，68（5）：45-50.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：廖梓鈞（1984—），工程師，主要從事公路橋梁工程設計、監理、咨詢等工作。