沥青路面坑槽冷补料的研究现状与最新进展

2018-06-29王火明

筑路机械与施工机械化 2018年5期

王火明

招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067

0 引言

沥青路面坑槽是指在行车荷载和自然环境作用下路面骨料局部脱落而产生的坑洼结构。《公路沥青路面养护技术规范》（JTJ 073.2—2001）中将坑槽归为松散类，是沥青路面常见的病害之一。坑槽病害具有随机性、突发性、高发性和蔓延性等特点，严重影响沥青路面的平整度、行车的舒适性和安全性，降低沥青路面的使用寿命[1-4]。

沥青路面的坑槽病害发生于路面铺筑的前期、中期以及后期运营阶段。前期发生主要由于路基承载能力不足，在行车荷载作用下出现沉降，进而导致路面出现网裂、松散；中期主要是由于原材料性能不足，混合料配合比设计不合理，混合料的拌合、运输、摊铺、碾压技术不合理等会导致路面坑槽的形成；运营期间一方面由于沥青路面自身性能衰减，另一方面行车荷载、自然环境、油气污染等导致路面结构松散，从而形成坑槽[5-7]。在《公路沥青路面养护技术规范》（JTJ 073.2—2001）中根据坑槽病害的严重程度可将其分为轻微破损坑槽、中等破损坑槽、较严重破损坑槽、严重破损坑槽。根据坑槽病害的成因及出现的位置可分为表面层坑槽、表面层与中面层坑槽、下面层与基层坑槽、刚性组合路面坑槽。

沥青路面坑槽病害常见的修补方式分为热补法和冷补法，其中热补法是高速公路现阶段坑槽修补的主要方式，适用于各类坑槽病害的修补，该技术成熟，处治效果好，耐久性较强，但封闭交通时间长，施工复杂，低温适用性差且污染严重；冷补法不受低温天气、雨雪季节的影响，修补工艺简单、易操作，节能环保，开放交通快，具有良好的社会和经济效益，逐步得到了市场的认可和推广[8-11]。但是，目前冷补法存在修补效果差、耐久性不足等问题，制约着冷补技术的进一步发展；所以，提高冷补料的性能是沥青路面坑槽冷修补技术亟需解决的问题。

表面层坑槽

表面层与下面层坑槽

热补法

下面层与基层坑槽

冷补法

刚性组合路面坑槽

1 国内外冷补料研究进展

1.1 国外冷补料研究进展

国外对于沥青冷补料的研究较早，早在20世纪初美国和前苏联就开始着手路面坑槽冷补方面的研究，随后日本、欧洲等国家也相继探索这一领域。当时使用的结合料主要为乳化沥青，它被视为冷补技术的关键一环而被各国深入研究，并取得了较多的成果，开发出更多新型的修补材料。

俄罗斯的研究表明，沥青冷补料和传统热补料的本质差别在于：前者采用的是稀释沥青，黏度较低，常温下呈现液态或半固态；后者使用的是基质沥青，只有在高温下才具有流动性，才能够进行施工作业。另外，还有研究表明，矿粉的用量会影响矿料表面沥青膜的厚度，是影响冷料修补效果的关键。

美国公路战略研究计划（SHRP）对沥青路面坑槽冷补技术进行了试验研究，着重研究了冬季低温条件下冷修补料用于坑槽临时修补的技术及冷修补料的强度要求，提出了一整套完整的沥青路面技术规范。

英国研发了一种沥青路面坑槽冷补材料，并在1991年颁布了针对沥青路面坑槽修补的相关规范，禁止使用之前的沥青碎石。英国运输与道路研究所对于沥青路面冷补料的研究较为深入，研发的冷补料具有较好的使用性能。

日本昭和沥青工业株式会社研制出不同型号的稀释剂，生产出多种类型的沥青修补材料，其中用于冬季的修补材料在低温下也能够很好地进行施工。

加拿大的 TCG 材料公司研制了一种储存式沥青混合料。它是将基础沥青、添加剂、稀释剂以及级配良好的集料按照一定的工艺制备成的冷补沥青修补料。该混合料选用改性沥青作为基础沥青，推荐采用碱性集料（如石灰岩），矿料级配有多种系列，以适应于不同场合的需要。所有级配类型从骨架结构来看均属于开级配骨架空隙结构，级配范围广，矿粉用量极少，最佳沥青用量在4.5%~5.5%。

国外的冷补沥青修补料大多数都是采用不同的乳化沥青或稀释沥青与级配适当的矿料制备而成的。通过不断地改进冷补沥青料的原材料性能、级配设计以及制备工艺，尽可能提高冷补沥青料的技术性能。目前已经形成了比较成熟的制备工艺和产品系列，并广泛应用于实体工程中。

1.2 国内冷补料研究进展

国内对于冷补沥青修补的研究起步于20世纪90年代，并借鉴外国冷修补技术，先后研制了多种溶剂型沥青路面坑槽修补材料，取得了一定的成果，并且有些材料已经应用于实体工程中，但是相对于国内道路养护的需求仍不完善，需要做更深层次的研究。

东北林业大学进行了溶剂型冷补料的长期使用性能研究，其主要针对2类材料，一种是沥青加煤油，一种是沥青加柴油。通过大量的室内试验，并在此基础上铺筑试验路，与乳化型常温沥青混合料进行对比分析，经过2年的观察，路表没有出现裂缝，路用性能较好，但由于混合料油量偏大、拌合不均匀等，路表出现轻微的拥包及泛油现象。

山西省公路管理局对于冷补料冬季修补坑槽的研究与推广较早，在太长线、108国道、307线寿阳路段以及交通量较大的太旧高速上铺筑了试验路段，经过半年观测，效果良好。太原公路分局中心实验室研发的低温沥青混合料冬季修补技术，采用袋装沥青混合料修补坑槽，取得了良好的效果。

吉林省公路管理局研究了低温修补沥青混合料，并在25 ℃条件下，对国道102线路面破损的地方进行了修复，经过1年多的应用，证明低温沥青混合料用于冬季沥青路面的修补和养护是完全可行的。1997年起，该技术作为吉林省公路养护管理行业重点新技术在全省推广，截止2001年已经累计修补了5 000 m2路面，取得了较大的社会、经济效益。

河北省河间市交通局公路管理站研发出了一种溶剂型冷补料，是在沥青中适量掺入RM55号溶剂以及植物油作为冷补液，并根据气温高低加入适量添加剂。该混合料可常温贮存备用或者直接使用。

辽宁省北镇市研制的低温冷补沥青混合料，其冷补液配制是在沥青中掺入20#轻油，并在稀释沥青中掺入TZ-1植物油，混合料采用较高的油石比（6%），经过多年的改进研究，取得了不错的效果。

长安大学张秀华等进行了溶剂型冷补胶结料的研制，并且成品——HU-L研制成功。此材料具有较好的环保性和施工简便性；修复完成后初期在荷载的作用下会不断与旧沥青路面黏结、融合；路面具有一定的柔软性；修补材料不粘车轮，不粘修复工具，受天气影响较小，施工成本降低。

同济大学吕伟民教授对溶剂型冷补沥青混合料的强度形成机理进行了系统研究，认为材料的介质是沥青，沥青分子间的作用是黏结力的重要来源，沥青分子的稠度是黏结性、强度的来源，通过分析升温、加压后沥青分子的布朗运动研究冷补料的性能，结果表明冷补沥青混合料的性能主要与沥青黏度、矿粉用量、沥青膜厚度等相关。

综合对比国内外对冷补料的研究现状可知：中国对于冷补沥青混合料的研究相对不足，理论研究不够完善，研究体系不够系统；由于材料、工艺以及设备的不足，仍然存在修复后耐久性差、抗冲刷能力差、易出现二次病害等问题[12-18]。但是，从国内对于冷修补技术的投入力度以及科研强度来看，研发出具有普遍适用性、广泛应用于工程实体的冷补沥青混合料指日可待。

2 冷补料的优势

相比热拌沥青混合料，冷补料在道路养护、维修方面具有独特的优势，具体表现在以下几点。

（1）环境影响较小。冷补料不受气候影响，雨雪天可正常开工。

（2）施工简单。备料简单，坑槽处理不用烘干，不需要重型施工机械，人工拌合、填补、压实即可。

（3）可存储性。冷补料低温黏度小，常温不聚团、不会凝结成块，装袋后可保存1年甚至更久。

（4）节能环保。冷补料可随取随用，废料可重复利用，且生产过程不需加热，无有害气体或液体产生，对土地和空气无污染。

（5）开放交通快。冷补料修补后即可开放交通，大大降低了施工对交通造成的影响。

（6）社会效益显著。随时修补保持路面常新，保证道路通畅和行车舒适性，减少交通事故以及修补次数，延长道路使用寿命。

3 冷补料的分类及存在的问题

目前，冷补料根据其组成成分、结构特征以及成型规律可分为溶剂型冷补料、乳化型冷补料以及反应型冷补料[19]。

3.1 溶剂型冷补料

由基础沥青、稀释剂、添加剂等组成，主要依靠稀释剂（煤油、柴油、植物油等）来降低沥青黏度，保证常温流动性，其混合料强度的形成（图1）与稀释剂的挥发速率直接相关，受温度、湿度影响较大。缺点是初期强度较弱，强度增长缓慢，前期主要采用高矿粉掺量来提高强度，且稀释剂挥发会造成环境污染，材料不能重复利用。目前，国内对于溶剂型冷补料的研究与应用较多。

图1 溶剂型冷补料强度形成示意

3.2 乳化型冷补料

主要以乳化沥青、乳化改性沥青作为胶结料，其混合料具有流动性好、可存储、施工简单、废料可重复利用、节能环保等优势。强度的形成（图2）依靠乳化沥青的破乳；但对于乳化沥青破乳时间以及强度的形成规律无法精确把控，存在初期强度低、强度增长缓慢、修补效果差等缺点。目前，国内对于乳化型冷补料的研究相对较少，且主要还是从提高乳化沥青的强度、黏度着手。

3.3 反应型冷补料

主要是以高分子反应型树脂材料作为冷补料的胶结料，采用2种或2种以上组分的树脂材料进行交联固化反应（图3），这种胶结料具有较高的机械强度、高低温性能、耐水性和耐磨性。混合料强度较高、成型较快、修补效果好，一般是现场拌合就地修补，短时间内即可开放交通；不足之处在于成本太高。国内对于反应型冷补料的研究刚刚起步，尚未推广应用。

图2 乳化型冷补料强度形成示意

图3 反应型冷补料强度形成示意

4 冷补料结构特征及成型特点

冷补沥青混合料的结构特点与热拌沥青混合料类似，也分为悬浮密实型、骨架空隙型和骨架密实型，但冷补料的性能受矿粉掺量的影响较大，所以冷补料的结构类型以矿粉的剂量来区分，包括高矿粉型（15%~30%）、低矿粉型（0~2%）、中低矿粉型（2%~10%）。

（1）高矿粉型冷补料。矿粉掺量为15%~30%，其结构为悬浮密实型，强度主要由沥青与矿粉形成的胶浆提供，混合料特征为空隙率小、稀释剂易挥发或者乳化沥青的破乳较慢、前期强度差、水稳定性好、和易性差。

（2）低矿粉型冷补料。矿粉的掺量为0~2%，其结构为骨架空隙型，强度主要依靠矿料间的嵌挤作用，混合料特征为空隙率大、稀释剂挥发速度和乳化沥青的破乳较快、前期强度高、水稳定性差、和易性好、耐久性不高。

（3）中低矿粉型冷补料。矿粉掺量为2%~10%，其结构为骨架密实型，强度由沥青的胶结作用和矿料间的嵌挤作用共同提供，兼具两者的优势，混合料表现为空隙率小、综合性能好、前期强度及和易性较差。

综上可知，冷补料强度的形成与混合料的骨架结构密切相关，与热拌沥青混料在温度下降后强度即可形成不同，冷补料强度的形成依靠稀释剂挥发或者乳化沥青破乳来发挥沥青的胶结作用[19-21]。冷补料强度的形成分为存储阶段、摊铺碾压阶段以及后期路用阶段。在存储阶段冷补胶结料黏度较低，混合料呈松散状，尚未形成强度；在摊铺碾压阶段，混合料在碾压作用下，矿料间距减小，稀释剂挥发或乳化沥青破乳缓慢，其强度主要依靠矿料间的嵌挤作用；在路用阶段，随着车辆荷载以及温度荷载等作用的影响，稀释剂不断挥发或者乳化沥青破乳完成，逐步凸显沥青的黏结作用，且矿料间距变小，嵌挤作用增强，内聚力增大，最终冷补料强度的形成依靠沥青黏聚力和矿料内聚力共同完成。

5 结语

沥青路面坑槽冷补料以其常温拌合、施工简单、不受天气影响、节能环保等优势被国内外学者广泛研究。国外对于冷补料的研究较早，理论体系较为完备，实际工程应用也较为成熟，而中国对于冷补料的研究较晚，对于溶剂型冷补料的结构特征、成型规律、性能测试以及实体工程应用的研究的较多，对乳化型、反应型冷补料的研究较少，而且目前对于冷补料性能的评价体系尚不明确，缺少对于冷补料应用技术的规范以及产品性能的评价标准，冷补料的研发具有一定的盲目性，这导致国内冷补料产品良莠不齐，阻碍了发展与市场推广。

综合考虑国内外冷补料的发展现状以及目前国内冷补料、冷补技术、性能评价方法存在的问题，提出冷补料技术的发展方向如下。

（1）对于溶剂型冷补料，稀释剂是沥青常温流动性的保证，而添加剂则是稀释沥青补强的关键成分，应加大对于冷补料添加剂的研发，深入对冷补料级配理论的研究，提高稀释剂的挥发速率。

（2）对于乳化型冷补料，应着重提高乳化沥青的性能，其中环氧树脂作为乳化沥青的改性剂能够大幅度提高乳化沥青的性能，该复合型胶结料既能体现环氧树脂快速成型的优势，也保证了乳化沥青的常温流动性，应加大对树脂型乳化沥青的研究，并完善冷补料性能评价方法、标准以及修补技术规范。

（3）对于反应型冷补料，低成本、高性能的反应型树脂胶结料是未来的发展方向，应加大对反应型冷补料性能的研究，把控反应型树脂的反应时间以及强度增长规律，规范其混合料的施工技术。

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