冷补沥青胶结料研制及性能评价

郭忠宝

(辽宁省交通建设投资集团有限责任公司 沈阳市 110166)

沥青路面在服役过程中由于受到自然环境和行车荷载的作用，加之施工技术水平等因素，不可避免地会产生诸如坑槽等病害，当沥青路面的坑槽得不到及时的修补，水逐渐渗入到路面结构内部时会对沥青路面的耐久性造成极大影响[1]。同时，坑槽的出现会极大地影响行车安全和舒适性。目前常用的沥青路面坑槽冷补材料分为稀释型、乳化型和反应型，由于稀释型冷补料具有使用范围较广、造价较低、生产工艺简单等诸多优点，因此，针对沥青路面坑槽用稀释型冷补沥青混合料所用胶结料进行研制，同时对其相关性能进行评价。

1 原材料选择

1.1 基质沥青

选用重交90#基质沥青，具体性能指标见表1。

表1 90#基质沥青主要性能指标

1.2 稀释剂

对于稀释型冷补沥青混合料，为满足施工要求，需加入一定量的稀释剂用来调和沥青，根据冷补沥青混合料特殊的路用要求，所选用的稀释剂应对改性剂和基质沥青有较大的溶解能力，能形成均匀稳定的体系，目前常用的稀释剂包括柴油、煤油、溶剂油等。根据调研结果，本项目选用溶剂油作为研究的稀释剂。

1.3 添加剂

稀释性冷补沥青混合料的强度随着稀释剂的挥发而逐渐提高，但由于稀释剂的存在，在稀释剂未完全挥发的情况下，混合料的强度会受到一定程度的影响。因此，在研究中，分别选择了增溶剂、增粘剂和抗剥落剂加入沥青中，提高冷补沥青混合料的早期强度和后期强度，从而提高其早期路用性能和力学性能。其中改性剂选用线形结构的SBS 1301。

2 傅里叶红外光谱试验分析

为对增粘剂和抗剥落剂在冷补沥青胶结料中所产生的作用进行分析，采用傅里叶红外光谱(FTIR)对其化学组成进行分析，探讨其作用机理。测试结果如图1、图2所示。

图1 增粘剂红外光谱测试结果

图2 抗剥落剂红外光谱测试结果

2.1 增粘剂测试结果

如图1所示，处于3030cm-1的峰分别归属为增粘剂分子的芳香环的C-H伸缩振动和亚甲基的伸缩振动，在1605cm-1处的峰增粘剂分子的苯环特征双键的特征峰，在800～690cm-1处的吸收峰归属为芳香环不饱和C-H的面外弯曲振动，这些特征都说明了增粘剂中含有芳香环；另外，在2928cm-1的峰为饱和C-H伸缩振动，在1448cm-1和1374cm-1的峰为饱和C-H的弯曲振动，1737cm-1处为羰基的伸缩振动。

2.2 抗剥落剂测试结果

如图2所示，在1550cm-1和1641cm-1的峰归属为酰胺的振动吸收，在3305cm-1的峰为胺基的特征峰，在3007cm-1、2953cm-1、2852cm-1出现的峰为亚甲基的伸缩振动，可以看出本样品成分中含有聚酰胺。相比于亚甲基吸收峰强度，酰胺与胺基的吸收峰均较弱，含量较少，说明抗剥落剂中聚酰胺的烷基链很长，聚酰胺的存在，可以与沥青有较好的相容性，同时由于聚酰胺的特殊性能，可以形成高强度的粘结，由此可以提高冷补沥青与石料的粘附性能，进而提高冷补沥青混合料的早期强度，弥补由于稀释剂的存在造成的早期强度损失。

3 SBS-增粘剂改性沥青试验分析

为评价增粘剂的加入对基质沥青的影响，以SBS-增粘剂改性沥青为研究对象，线性SBS改性剂掺量5%，测定不同掺量增粘剂/SBS复合改性沥青的针入度、软化点、延度、135℃旋转粘度，结果如表2所示。

表2 不同掺量增粘剂/SBS改性沥青性能测试数据

由表2可以看出，增粘剂的加入可以显著提高SBS改性沥青的软化点，同时其针入度也随着增粘剂的加入而降低，增粘剂的加入可以在一定程度上提高改性沥青的稠度，保证了冷补沥青混合料的粘聚性[2]。同样可以看出，增粘剂的加入会显著提高改性沥青的旋转粘度。为保证施工的和易性，在后续的冷补液制备过程中应充分考虑由于增粘剂的加入造成的沥青粘度增加，并重点对施工和易性予以关注。与此同时增粘剂的加入会降低SBS改性沥青的延度，并且随着增粘剂掺量的加大，延度会进一步减小。根据红外光谱分析可知，所加入的增粘剂中存在苯环结构，加入改性沥青中，会降低其混合相的延展性能，导致加入增粘剂后其混合沥青的延度降低。

4 冷补沥青液设计指标敏感性因素分析

沥青粘度及其流动性直接关系到混合料的和易性、疏松性、压实性和初始强度。在同样的温度下，采用相对低粘度、流动性好的沥青配制成混合料，虽然疏松性、和易性都好，但初期粘结力小，不足以抵抗车轮作用产生的剪切力，容易造成松散。沥青粘度过大、流动性差时，混合料在冷却过程中或温度较高时容易结成硬块，储存性能差，施工和易性差，而且不利于压实，所以选择在特定温度下沥青结合料的适宜粘度和流动性非常重要。

本项目以粘度及流动性试验为评价指标，对冷补沥青结合料进行正交试验。冷补沥青结合料的正交设计考虑的因素主要有：增粘剂添加量、抗剥落剂添加量及稀释剂添加量三个因素。为重点弄清各因素对冷补沥青结合料的影响，试验分两次三水平三因素正交实验。设计正交试验的因素、水平如表3所示，然后分别对各冷补沥青液进行黏滞性、流动性的测试。分别对冷补沥青液的各项性能进行敏感性因素分析，选出各单项性能指标最优时的设计指标组合方案，并对设计指标敏感性进行排序。

表3 试验因素与水平

4.1 黏滞性试验

本项目所制备的冷补沥青在25℃时粘度较大，因此，采用60℃时布氏旋转黏度计测量冷补沥青液的粘度。试验结果如表4～表6所示。

表4 黏滞性试验数据表

表5 冷补沥青黏滞性试验(60℃)敏感性分析

表6 冷补沥青黏滞性试验(60℃)方差分析

4.2 流动性试验

本试验用流出相同质量冷补沥青液所需的流动时间作为评价指标，较为直观地反映了冷补沥青液的流动能力，控制着混合料施工和易性。实验中，将配好的冷补沥青液注入试管中，密封保存90min至室温；室温条件下，将试管直立，并从试管直立时开始计时，直至流出冷补沥青液质量为10g时计时停止。试验结果如表7～表9所示。

表7 流动性试验数据表

表8 冷补沥青流动性试验敏感性分析

表9 冷补沥青流动性试验方差分析

4.3 正交试验评价

对上述正交试验进行极差分析，结果如表10所示。

表10 各单项性能最优时的设计指标组合方案及敏感性排序

从上述极差结果可以出，稀释剂对粘度的影响最大，增粘剂次之，抗剥落剂最小。

通过上述分析，冷补沥青胶结料的最终组成及比例为：线性SBS改性剂5%、相容剂2.5%、增粘剂掺量4%、抗剥落剂掺量3.5%，稀释剂掺量宜根据使用环境温度进行确定，需保证冷补沥青混合料在低温条件下具有较好的施工和易性，一般在30%～40%。

5 结论

(1)为提高冷补沥青混合料的路用性能，宜加入改性剂、增粘剂和抗剥落剂，所添加的材料需与基质沥青有较好的相容性。

(2)黏滞性与流动性是一对相对立的性能指标，两者的敏感性因素均为稀释剂掺量，且稀释剂对黏滞性的影响更为明显。因此必须通过调整稀释剂掺量以平衡两者关系。

(3)通过文献总结、实测结果分析及施工和易性要求，本次研究将冷补沥青液黏滞性试验60℃粘度控制为小于2Pa·s。

(4)增粘剂中的芳香环质量分数的增加可以提高改性沥青的相容性，使增粘剂分子能够更好地吸附在SBS 上，提高了冷补液的稳定性。抗剥落剂中含有聚酰胺，聚酰胺的分子间存在氢键，且聚酰胺极性很强，可以产生很强的分子间作用力，具有优异的粘结性能，可以形成高强度的粘结，可以提高冷补沥青与石料的粘附性能。

(5)冷补沥青液的流动时间随稀释剂含量增加而减少，流动性显著提高；其流动时间随增粘剂含量增加而增加，所以需要控制稀释剂和增粘剂的相对含量用以控制冷补沥青液黏度，来达到粘度增减平衡合理状态。结合60℃黏度数据，建议冷补沥青流动时间不超过240s。