反应型冷补沥青混合料的制备及其胶浆黏度特性研究

沈 凡，刘非易，余泳幸，卢 吉

(1.武汉工程大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430205; 2.武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引 言

沥青路面由于良好的行车舒适性成为路面建设的主流材料，但在自然条件与行车荷载的作用下，沥青路面易出现坑槽、裂缝、拥包、车辙等路面病害[1-3]，其中坑槽类病害作为一种早期发生的路面病害，具有发生频率高、局部但分散性大的特点，是道路日常养护的主要工作内容[4-5].目前，冷补沥青混合料由于具有便于储存、常温施工与修补迅速等特点，在道路的日常养护中使用越来越广泛[6-7].冷补沥青混合料根据其强度形成机理的不同，可分为乳化型、溶剂型与反应型三类.三种混合料中，溶剂型冷补沥青混合料由于制备与施工方便，储存时间长，成为市面上最常用的冷补沥青混合料，这种冷补沥青混合料一般是以柴油作为稀释剂，其强度的形成主要随着柴油的挥发而发展，因此此种冷补沥青混合料存在早期强度低、后期强度增长缓慢、水稳定性较差等不足[8-10].反应型冷补沥青混合料具有较高的强度和水稳定性，但由于该类型冷补料依靠多组分反应交联固化形成强度，不能长时间储存，一般是现拌现用，现场施工限制了该种冷补料的推广使用[11-12].因此，研发出一种易于储存、便于施工、施工后强度发展迅速的反应型冷补沥青混合料对未来沥青道路养护技术的发展具有十分重要的意义.

本文综合利用溶剂型和反应型冷补沥青混合料的设计原理，优选一种反应型稀释剂，利用反应型稀释剂与碱性添加剂在水的激发下发生化学反应的技术原理，研究稀释剂用量、碱的种类及掺量、反应条件(水)对沥青胶浆黏度的影响规律，从而确定冷补液及碱性添加剂的组成.以此为基础，采用LB-10型级配，制备出一种可长期储存、易于施工的新型反应型冷补沥青混合料，并系统表征该反应型冷补沥青混合料的性能.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本文沥青采用70号A级道路石油沥青，溶剂型稀释剂采用0#柴油，反应型稀释剂采用带羧基和羰基的有机化合物溶剂，反应型冷补料碱性添加剂采用工业级NaOH、Ca(OH)2与碱性混合物A(以CaO为主，复合硅酸钠、铝酸钙等的混合碱)，集料采用石灰石集料.

其中，0#柴油各项技术指标满足标准GB 19147-2016《车用柴油》[13]，工业级NaOH、Ca(OH)2各项技术指标分别满足GB/T 209-2018《工业用氢氧化钠》与HG/T 4120-2009《工业氢氧化钙》的技术要求[14-15]，石灰石集料各项技术指标满足标准JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[16]表4.8.2与表4.9.2要求，沥青与反应型稀释剂各技术指标见表1～表2.

1.2 试验方案

1.2.1 反应型稀释剂用量对沥青黏度的影响规律研究

测试反应型稀释剂掺量分别为沥青质量23%、28%、33%、38%和43%时，试样 25 ℃ 的布氏黏度，并与柴油掺量占沥青质量分数分别为19.5%、22.5%、25.5%、28.5%和31.5%时，试样 25 ℃ 布氏黏度进行对比分析.

表1 70号A级道路石油沥青技术指标

表2 反应型稀释剂各参数

1.2.2 碱性添加剂种类对反应型冷补液的影响规律

将NaOH、Ca(OH)2与碱性添加剂A分别加入反应型稀释剂与沥青的混合物(反应型冷补液)中，其中NaOH、Ca(OH)2与碱性添加剂A占冷补液的质量分数均为0.5%，研究试样 1 min、1 h 与 24 h 的 25 ℃ 布氏黏度.

1.2.3 不同反应条件下碱性添加剂A掺量对反应型冷补液的影响规律

测试碱性添加剂A掺量分别为反应型稀释剂质量30%、36%、42%、48%、54%、60%时，试样的 25 ℃ 布氏粘度，并测试加入反应型冷补液质量20%的水后，试样 3 min 及 1 h 的 25 ℃ 布氏黏度.

1.2.4 反应型冷补料的性能评价

反应型冷补料的矿料级配见表3，冷补液的用量为矿料质量的6.0%，碱性添加剂A掺量冷补液质量的60%，制备反应型冷补沥青混合料，研究混合料存储 1 d 以及 60 d 后的修正马歇尔稳定度、马歇尔稳定度、浸水残留稳定度与贯入强度.

表3 冷补料级配

1.3 试验方法

1.3.1 黏度试验

参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]，采用布洛克菲尔德黏度计(Brookfield，简称布式黏度计)旋转法测试试样 25 ℃ 的黏度.

1.3.2 反应型冷补沥青混合料的拌合方法

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首先将基质沥青加热至 130 ℃±10 ℃， 然后加入适量的反应型稀释剂、碱性物质搅拌均匀得到冷补液，接着将反应型冷补液降温至 100 ℃±10 ℃ 并储存，最后将温度为 150 ℃±10 ℃ 的集料放入温度为 110 ℃±10 ℃ 搅拌锅内搅拌 60 s，加入冷补液继续搅拌 60 s 制得反应型冷补沥青混合料.

1.3.3 修正马歇尔试验方法

溶剂型冷补沥青混合料参考规范JTT 972-2015 《沥青路面坑槽冷补成品料》[18]成型马歇尔试件.

反应型冷补料成型马歇尔试件步骤:首先在定量的反应型冷补沥青混合料表面浇上适量水，然后将润湿后的混合料装入马歇尔试模中，双面击实50次成型马歇尔试件.

参照JTT 972-2015 《沥青路面坑槽冷补成品料》[18]测定冷补料的 25 ℃ 马歇尔稳定度与浸水残留稳定度.

1.3.4 马歇尔试验方法

参照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[17]测定冷补料的 60 ℃ 马歇尔稳定度与浸水残留稳定度.

1.3.5 贯入试验

贯入强度参照规范JTT 972-2015 《沥青路面坑槽冷补成品料》[18]进行.

2 结果与分析

2.1 反应型稀释剂用量对沥青黏度的影响

测试反应型稀释剂对冷补液黏度的影响规律，研究结果见图1～图2.

图1 柴油掺量对沥青黏度的影响Fig.1 Influence of reactive diluent content on asphalt viscosity

图2 反应型稀释剂掺量对沥青黏度的影响Fig.2 Effect of diesel oil content on asphalt viscosity

研究结果表明，随着反应型稀释剂掺量的增加，沥青黏度迅速下降.当稀释剂掺量为23%时，反应型稀释剂与沥青混合胶浆黏度为 198.96 Pa·s;当稀释剂掺量为43%时，反应型稀释剂与沥青混合胶浆黏度降至 20.57 Pa·s，与溶剂型冷补液黏度变化规律一致.一般溶剂型冷补液中柴油掺量约为20%时(即柴油掺量占沥青质量分数的25.5%)，冷补料具有良好的储存稳定性与施工和易性[19].由图1可知，此柴油掺量下，沥青的粘度为 35.41 Pa·s；由图2可知，当反应型稀释剂掺量为38%～43%时，沥青的粘度在 40.00 Pa·s～20.57 Pa·s，因此选择反应型稀释剂掺量为40%，与沥青混合后形成反应型沥青冷补液.

2.2 碱性添加剂种类对反应型冷补液的影响

测试了不同碱性添加剂种类对冷补液黏度的影响规律，研究结果见表4.

表4 不同碱性添加剂对反应型冷补液黏度的影响

研究结果表明，在反应型沥青冷补液中分别掺入NaOH与Ca(OH)2两种碱性化合物后，冷补液黏度均迅速增加，1 min 黏度便均已超过 200.00 Pa·s(超过测试量程)；而在掺入碱性添加剂A后，冷补液黏度维持在 30 Pa·s 左右，且随时间增长基本保持不变.这是由于NaOH与Ca(OH)2中的金属离子和OH-极易在常温下与反应型稀释剂的羧基反应，产生交联固化，使得冷补液黏度迅速增长，严重影响反应型冷补料的储存稳定性与施工和易性，因此NaOH与Ca(OH)2并不适合作为碱性添加剂.在冷补液中掺入碱性添加剂A后，由于添加剂中各组分不能直接提供OH-，常温下金属离子难以与反应型稀释剂中的羧基反应，能够在密封条件下较长时间储存，可以作为添加剂用于制备反应型冷补沥青混合料.

2.3 碱性添加剂A掺量及反应条件对反应型冷补液粘度的影响

测试了不同碱性添加剂A掺量下，不加水及加水 3 min 和 1 h 冷补液的黏度，研究结果见图3.

图3 不同掺量碱性添加剂A的反应型 冷补液各阶段黏度变化Fig.3 Viscosity variation of reactive cold patch asphalt with different dosage of alkaline additive A at different stages

研究结果表明，反应型冷补液黏度随碱性添加剂A掺量的增加而略微升高，试样加水 3 min 后，冷补液黏度下降，1 h 后，冷补液黏度迅速升高，且随碱性添加剂A掺量的增加，冷补液黏度增长幅度越大，当碱性添加剂A掺量为60%时，试样加水 1 h 后的冷补液黏度达到最高，为 137.6 Pa·s.反应型冷补液黏度随碱性添加剂A掺量的增加而升高是由于碱性添加剂A组分中的CaO、复合硅酸钠、铝酸钙等粉末吸附部分沥青形成结构沥青，随着碱性添加剂A掺量增加，形成的结构沥青越多，因此反应型冷补液黏度也随之略微增大；当反应型冷补液加水后，其内部的CaO、复合硅酸钠、铝酸钙遇水提供碱性环境，金属离子与反应型稀释剂的羟基和羰基的水解产物发生交联固化反应，反应初期，由于生成的OH-较少，体系内的碱性环境较弱，因此金属离子与反应型稀释剂之间生成产物较少，该物质分散于水中，与水混合后充斥在沥青与稀释剂之间，具有一定的润滑作用，使得体系黏度降低.随着时间增加，环境中碱性增强，金属离子与稀释剂之间进一步发生交联固化，使得体系黏度增至约原黏度的3倍，大于 80 Pa·s，且碱性添加剂A掺量的增加使得体系内碱度增加，反应更为剧烈，从而使得反应型冷补液加水 1 h 后的黏度随碱性添加剂A掺量的增加而迅速增加.

本文通过在反应型冷补液中掺加碱性添加剂A，测试其不加水以及加水 3 min 和 1 h 的黏度，以表征反应型冷补料储存阶段、施工阶段、强度形成阶段三种不同时期内部冷补液黏度的变化规律.结果表明，冷补液中掺加碱性添加剂A后，碱性添加剂A吸附沥青形成结构沥青使冷补液黏度仅略微增长，表明该反应型冷补料在储存阶段具有良好的储存稳定性；试样加水 3 min 后，冷补液黏度下降，低黏度冷补液有利于施工，保证了反应型冷补料施工阶段良好的施工和易性；试样加水 1 h 后，冷补液黏度迅速上升，冷补液黏度增强有利于提高冷补料内部粘聚力，有利于强度的快速形成.

2.4 反应型冷补料的性能

测试反应型冷补料贯入强度、储存 1 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 马歇尔稳定度和浸水残留稳定度，储存 60 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 马歇尔稳定度和浸水残留稳定度，并与市售溶剂型冷补料进行对比，研究结果见表5.

表5 两种冷补料的主要性能参数

研究结果表明，两种冷补料贯入强度满足规范JTT 972-2015 《沥青路面坑槽冷补成品料》[18]要求，且反应型冷补料储存 1 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 马歇尔稳定度与浸水残留稳定度分别可达 20.41 kN、96.8%和 6.02 kN、91.1%;储存 60 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 马歇尔稳定度与浸水残留稳定度分别可达 19.33 kN、90.7%和 5.88 kN、90.7%，表明该反应型冷补料具有良好的储存稳定性，而溶剂型冷补料 25 ℃ 马歇尔稳定度与浸水残留稳定度仅为 7.17 kN 和 87.6%，60 ℃ 马歇尔稳定度仅为 1.31 kN.这是由于溶剂型冷补料需要挥发稀释剂增强沥青与沥青或沥青与集料间的粘聚力，从而提高溶剂型冷补料的强度.由于稀释剂挥发缓慢且挥发后有残余，因此使得溶剂型冷补料后期强度增长缓慢且后期强度较低[20-21]，而反应型冷补料则主要依靠加水后稀释剂与碱性添加剂间化学反应产生的交联固化作用与沥青的胶黏作用提供强度，该化学反应过程速率快且以水作为反应促进剂，因此使得反应类冷补料相较溶剂型冷补料具有更高的强度与水稳定性.

3 结 论

本文所得结论如下：

1)反应型稀释剂可有效降低沥青黏度，且其对沥青黏度的影响规律与柴油相同.随着反应型稀释剂掺量的增多，沥青黏度越小，当反应型稀释剂掺量为43%时，反应型稀释剂与沥青混合胶浆的黏度可低于 35.41 Pa·s，实现常温施工.

2)NaOH与Ca(OH)2可与反应型稀释剂迅速反应，使反应型冷补液黏度迅速上升，大于 200 Pa·s，使得反应型冷补料丧失储存性能与施工性能，无法作为碱性添加剂制备反应型冷补料.

3)掺入碱性添加剂A后，反应型冷补液黏度随时间增加而略微增长，且加水后，冷补液黏度呈现先减小后迅速增加的变化趋势.冷补液不同反应条件下的黏度变化规律表明,采用碱性添加剂A作为碱性添加剂制备的反应型冷补料具有易于储存、便于施工、施工后强度形成快的特点.

4)本文制备的反应型沥青冷补料，各项指标均满足规范JTT 972-2015 《沥青路面坑槽冷补成品料》要求，其 25 ℃ 和 60 ℃ 的马歇尔稳定度与浸水残留稳定度均远高于普通的溶剂型冷补料，具有良好的施工和易性、路用性能、水稳定性能及储存稳定性.