SBS改性沥青用于路面坑槽快速修补的性能研究

钱 征

（唐山市地方道路管理处，河北 唐山 063000）

沥青路面坑槽是日常养护中最常见又最难处理的病害之一，特别是在寒冷的冬季或者潮湿的雨季。常规的热补料无法及时有效地对坑槽进行修补，冷补沥青修补料实现冷拌冷铺，可一次生产拌合，储存备用，随用随取，无需二次加热，适合北方低温的冬季和南方多雨季节使用，使用方便，快捷环保[1]。

1 原材料性能

本着来源方便、价格经济，材料之间的相互配伍性和试验操作的可行性原则，矿料为与沥青黏附性好的碱性集料——石灰岩，矿粉是石灰岩矿粉，沥青采用SK90号（用于基质沥青型冷补混合料）和SBS改性沥青（用于改性沥青型冷补混合料），稀释剂选择0号柴油。

1.1 沥青

研究选用的沥青有SK90号基质沥青、SBS改性沥青技术指标如表1和表2。各项指标均符合技术要求。

表1 SK90号基质沥青性能指标

表2 SBS改性沥青性能指标

1.2 矿料

考虑到冷补沥青液中沥青被柴油稀释，会导致黏性降低，矿料采用与沥青黏附性较好的碱性集料——石灰岩，其技术性能试验结果如表3所示。

表3 矿料技术性能试验结果

1.3 稀释剂

稀释剂的选用是冷补沥青修补料使用效果良好的关键因素，研究选用质量符合要求的车用0号柴油为稀释剂，柴油主要技术指标表4所示。

表4 0号柴油技术指标

2 配合比设计

2.1 冷补沥青液各成分掺配比例

基质沥青型冷补沥青液的基础沥青采用90号基质沥青，按照生产常用掺配比例，基质沥青、稀释剂（柴油）和冷补添加剂3种材料的掺配比例为78%、20%和2%。

改性沥青型冷补沥青液采用SBS改性沥青作为基质沥青，稀释剂用量通过试验确定，拟定油石比为5.0%，稀释剂用量分别为20%、25%、30%、35%进行成型马歇尔试验，试验得出，当稀释剂用量为26%时，马歇尔稳定度最高，故选用26%作为改性沥青型冷补沥青修补料的最佳稀释剂用量。

2.2 矿料级配设计

采用细粒式沥青混合料LB-13类型进行试验，在规范要求的范围内初拟3种冷补沥青修补料级配，进行马歇尔体积指标及稳定度试验，结合试验结果择优选取。3种冷补沥青修补料的级配类型如表5所示。

表5 初拟的集料级配类型

3种不同级配的油石比初步拟定为4.5%，制作马歇尔试件，试验结果表明：不同级配混合料的流值、空隙率、矿料间隙率大小不同，其值有相同的大小关系：合成级配1大于合成级配3大于合成级配2，而沥青饱和度和稳定度的大小关系表现为：合成级配2大于合成级配3大于合成级配1。冷补沥青修补料的水稳定性一般较差，而控制水稳性能的关键指标是空隙率，因此混合料的空隙率不宜过大，否则水分渗入会加剧水损坏的发生，但同时空隙率也不宜过小，过小的空隙率将不利于稀释剂的挥发，影响后期成型强度的形成。参考上述因素，综合考虑，选定合成级配3作为本文的最优级配。

2.3 最佳油石比的确定

目前国内没有统一的关于冷补沥青修补料的技术标准规范，《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）有相关规范，但是仅要求马歇尔稳定度不宜小于3 kN；为了保证稀释剂柴油的挥发，加快形成强度，冷补沥青修补料要保证一定的空隙率；而空隙率过大又会影响其耐久性和水稳性，故将空隙率指标确定为6%～12%。参考热拌沥青混合料的马歇尔试验技术标准，矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA指标：VMA的最小值为15%，VFA为45%～70%[2]。

按照普通的热拌沥青混合料最佳沥青含量的控制指标和步骤来确定沥青冷补材料的沥青用量。根据马歇尔法，成品沥青液型冷补混合料的最佳油石比为4.1%；基质沥青型冷补混合料的最佳油石比为4.2%；SBS改性沥青型冷补混合料的最佳油石比为4.5%，其中SBS改性沥青∶稀释剂∶冷补添加剂为72%∶25%∶3%。

3 冷补沥青液及混合料的性能测试

对3种不同的沥青胶结料、沥青混合料进行路用性能试验，包括黏附性、水稳定性、低温抗裂性能和高温抗车辙性能的测试。

3.1 黏附性试验

按照水煮法进行黏附性试验，选用9.5 mm粒径的集料，按照试验规程拌制集料，取20颗集料摊铺在玻璃板上，在室温冷却1 h。将集料裹附沥青后置于玻璃板上，然后浸入80℃±1℃的恒温水槽中，保温30 min后，将剥离及浮于水面上沥青用纸片捞出。取出玻璃板并置于冷水中，观察沥青薄膜的剥离情况，评定剥离面积百分率。试验结果如表6所示。

表6 3种冷补沥青液与集料的黏附性试验

上述试验现象表明成品沥青液和基质沥青型冷补沥青液与集料的黏附性等级均为5级，达到了热拌沥青混合料的指标要求。而改性沥青型冷补沥青液水煮法试验剥离面积大于10%，不能满足高等级公路热拌沥青混合料路用性能要求。当沥青与SBS混合时，由于结构和性质不同，使得两者不能完全相容从而降低了沥青的黏附性。但是工程实践表明SBS改性沥青冷补料完全满足路用要求，故冷补沥青修补料与集料的黏附性可参照规范要求，选用水煮法或水浸法，但是规范中给出的裹覆面积不得小于95%，不尽合理，可以改为黏附性等级不小于4级，沥青裹覆面积不得小于85%。

3.2 水稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中相关规定，检测3种沥青冷补混合料的水稳定性能，进行冻融劈裂试验。

试验结果表明，在不添加其他添加剂的条件下，冷补沥青修补料在水浴时松散不能满足规范要求。为了改善水稳性，采用消石灰代替部分矿粉。

由于消石灰是强碱性材料，对沥青有较强的吸附作用。使用消石灰代替1/3的矿粉，在混合料拌合时与矿粉一起加入到拌锅内。添加消石灰并重新制作马歇尔试件，再次进行冻融劈裂试验，得出三者几乎都能满足规范要求的70%，添加SBS后，沥青混合料的水稳定性提高20%左右。表明消石灰代替矿粉可以明显改善冷补沥青修补料的水稳定性。

3.3 高温性能

热拌沥青混合料车辙试验方法成型试件后，将试件连同试模一起，置于110℃烘箱中保温24 h，以加速稀释剂的挥发。取出后，立即在车辙成型机上进行二次碾压，于常温下放置24 h后即可进行车辙试验。试验表明，在40℃和60℃试验温度下，冷补沥青修补料的动稳定较低。但这并不能完全反映冷补沥青修补料真实的抗车辙性能。冷补沥青修补料在工程中主要用于初春和晚秋季节使用，而这时的路面温度远不能达到室内试验的模拟温度；由于冷补沥青修补料属强度成长性材料，为了保证初期的施工和易性使用了稀释剂，在本论文的试验条件下也只能挥发掉近30%的柴油稀释剂，稀释剂的存在导致沥青的高温黏度显著降低，导致集料的黏附性差，进而冷补沥青修补料的抗高温变形能力差。故推荐冷补沥青修补料高温稳定性采用上述试验方案，评价指标为动稳定度大于300次/mm[3]。

3.4 低温性能

为了评价3种冷补材料低温抗裂性能，分别进行小梁弯曲破坏试验。在SANS万能材料试验机上进行小梁，中点加载，试验温度为0℃和-10℃；试验试件尺寸：30 mm×35 mm×250 mm，跨径200 mm；通过计算机系统可自动获取最大破坏荷载、挠度、抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量和断裂能等数据，试验结果表明，沥青胶结料对冷补沥青混合料低温抗裂性能的影响较显著，成品沥青液型与SBS改性沥青冷补混合料均表现为优良的低温抗裂性能，在-10℃和0℃时，两种混合料的各项性能指标基本接近，未添加SBS的基质沥青型冷补混合料的抗裂性能指标与前两者均存在较大差距，试验结果有力证明在混合料中添加SBS可以有效增强冷补料的低温抗裂性能。

4 基于摩尔-库伦理论的冷补沥青修补料强度分析

冷补沥青修补料为强度成长性材料，坑槽修补初期强度较小，随着稀释剂的逐渐挥发和交通荷载的碾压，强度缓慢增加，在添加剂的作用下，冷补沥青修补料最后达到甚至超过热拌沥青混合料的强度。冷补沥青修补料的强度主要来源于两个方面：内摩阻力和黏结力。内摩阻力主要由集料形成的骨架结构而产生，是坑槽修补初期冷补沥青修补料的强度主要组成部分；黏聚力由结合料冷补沥青液决定，摊铺后修补料中的稀释剂挥发，其值逐渐增大[4]。

冷补沥青修补料拌存储时，未经压实可以近似认为摩阻角Φ=0。且冷补沥青液呈液态，还没有产生黏结力，故可近似认为黏结力C=0。沥青修补料修补坑槽经压实成型后，结构基本形成，矿料嵌挤、摩擦，Φ值达到一定值，沥青液黏结矿料，黏聚力C值逐渐增长，使得修补料有了初始强度，基本上能够满足行车要求。随着稀释剂逐渐挥发，混合料中沥青的黏度逐渐增大，即黏结力C逐渐增大，加之行车荷载使得矿料进一步压实，摩阻角Φ也有所增长，混合料的强度逐渐增大，最终冷补沥青修补料的强度达到与热拌沥青混合料相当的程度[5]。

5 结论

本文根据冷补沥青修补料的使用环境，确定冷补沥青修补料的矿料级配、稀释剂、冷补添加剂及沥青的最佳用量，并从理论上阐述了沥青冷补料用于坑槽修补的可行性。比较了成品沥青液、基质沥青型和改性沥青型冷补混合料的路用性能，对沥青路面坑槽修补料的使用推广能起到一定的指导作用。

a）通过试验和理论分析相结合的方法选取了冷补沥青修补料的级配和最佳沥青用量，3种冷补沥青修补料的油石比均在4%～4.5%之间。

b）马歇尔残留稳定度试验和冻融劈裂试验表明了冷补沥青修补料的水稳定性不能满足路用性能的要求，建议采用消石灰代替矿粉的方法提高冷补沥青修补料的水稳定性。

c）对冷补沥青液和冷补混合料进行了多项试验研究，试验结果均表明SBS可有效改善冷补沥青混合料的路用性能，即SBS改性沥青用于沥青路面坑槽快速修补是可行的。

d）推荐沥青冷补混合料的高温稳定性评价指标动稳定度大于300次/mm，沥青胶结料的黏结性能指标黏附性等级设定为不小于4级。