冷补沥青混合料材料组成和性能评价综述

2023-11-10杨彦海朱光旭杨野

中外公路 2023年4期

杨彦海，朱光旭，杨野

（沈阳建筑大学交通工程学院，辽宁沈阳 110168）

0 引言

沥青路面在使用过程中由于混合料自身问题及外部环境变化将会出现空隙和裂缝，伴随水损害、层间黏结不足、施工缺陷等问题使得路面结构剥落，最终形成坑槽破坏［1-2］。路面坑槽快速修补技术应运而生，冷补沥青混合料可以快速修补路面坑槽，对施工环境要求较小，可以做到随用随取，施工简单。冷补技术于20 世纪二三十年代由美国和苏联最先提出，随后日本和西方国家也相继开展了相关研究［3］。国外学者主要进行了冷补沥青混合料产品路用性能提升方法的研究，Krishnan 等［4］、张涛［5］提出矿粉用量为15%～30%的溶剂型冷补沥青混合料，研究发现混合料强度可随矿粉用量增加而增强，但存储性能和低温工作性降低；英国Heriot-Watt 大学［6-7］、Emcol 公司［8］分别研发出永久性冷铺路面材料PCSM 和适用温度为-40～60 ℃的溶剂型冷补材料，具有高存储率和降低成本等特点，强度可达到普通热拌沥青混合料相应水平；美国SHRP 计划［9-10］通过实施多次修补方案后得出：沥青的黏结性不大于6 Pa ⋅s 时，有利于保证混合料工作性，稀释剂的挥发速率对混合料强度形成有影响，混合料残留物的黏附性能越好反映其整体水稳定性能越好；Rosales-herrera 等［11］首次采用坍落度测试（CPST）和得克萨斯稳定性试验（TST）来确定不同级配设计条件下最佳黏结剂的用量；Chatterjee 等［12］提出汉堡车轮跟踪试验（HWTD）、间接拉伸强度试验（ITS）和水煮法以确定路面的车辙性能、黏结性和抗剥落性。国外研究侧重于产品的研发改进，实现了冷补材料技术支撑和商品量化生产，各国商品技术相同，强度高、黏结性好、工作时效长、允许低温条件施工等。

中国对冷补沥青混合料的研究起步较晚，20 世纪90 年代黑龙江、辽宁、上海等地的科研机构才开始进行研究开发。1997 年山西省公路管理局在108 国道、太长线等推广冷补技术，经过观察表现良好［13-14］；长安大学于2001 年自主研发出HU-L 冷补沥青材料，经实体工程验证，表现良好；四川公路科技实业有限公司在2003 年投产使用LB 沥青，这代表中国冷补材料实现了量产施工［15］。中国早期的研究并没有形成系统的评价标准，更多的是借鉴国外已有的评价方法。近年来，吕伟民［16］、毛玮芸［17］通过大量室内试验得出强度形成机理，并且通过实地铺筑得出沥青最佳用量为4.5%～6.5%，矿粉的最佳用量为10%～15%；周玉利等［18］研制出可以有效抵抗冻融破坏、减缓老化适用温度降低至0 ℃以下的复合型聚合物改性剂和AH 型冷补沥青混合料。这些成果对研究冷补沥青混合料提供了指导建议。现如今中国学者开发了多款产品，研究水平也在奋力赶超。中国的产品开发主要针对各地区环境特点具有局限性，侧重添加剂制备开发、冷补料最佳级配、路用性能评价方法，整体缺乏统一、系统、有效的性能和理论评价体系。

本文结合国内外相关技术研究，对冷补沥青混合料材料的组成、配合比设计、性能特点及评价指标等进行总结，并对未来研究方向提出展望，深入研究冷补沥青混合料的坑槽修补原理，从而为道路快速修补技术以及研发新型沥青路面修补材料提供理论和技术支持。

1 冷补沥青混合料的分类、材料选择与配合比设计

1.1 冷补沥青混合料的分类

冷补沥青混合料分为3 类：溶剂型、乳化型和反应类。目前，中国对溶剂型冷补沥青混合料的结构特征、强度提升、性能测试以及实体工程应用的研究较多，而对乳化型和反应型冷补材料研究较少。本文根据分类情况，对冷补沥青混合料特点进行了归纳总结，见表1。

表1 冷补沥青混合料特点

1.2 材料选择

冷补沥青混合料由基质沥青、矿料、稀释剂和添加剂等通过搅拌混合而成，经沥青黏结、添加剂改性和集料嵌挤共同作用形成的一种坑槽快速修补材料，各组分承担相应的功能，所以材料的选择尤为重要。

（1）沥青

基质沥青与矿料的黏结状态直接影响混合料的强度及水稳定性。溶剂型和反应型冷补沥青混合料一般以70#和90#道路沥青为主［22］。乳化型沥青易于乳化并兼顾工程实际条件进行选择。

（2）矿料

冷补沥青混合料集料多选用玄武岩或石灰岩，且要求质地坚硬、表面洁净、无杂质。填料可选择石灰石矿粉、硅酸盐水泥等，以增强混合料黏性，填充空隙，提高早期强度。由于乳化沥青具有酸性，应选择碱性集料石灰岩提高混合料的黏附性。

（3）稀释剂

稀释剂的主要作用在于降低沥青黏度，增大流动性，使混合料具有更好的施工和易性。稀释剂应具有溶解沥青的能力、挥发性好、对环境影响小等特点［23］。常用的稀释剂有柴油、煤油、轻油、苯类有机溶剂、航空煤油、重油和植物油等［24］。徐茜等［25］对餐饮废油作为稀释剂的可行性进行了研究，发现掺入餐饮废油的冷补沥青黏度与未掺入时布氏黏度相似，采用水煮法和间接拉伸强度试验分别检测混合料的黏附性、间接拉伸强度，其性能表现良好，说明餐饮废油可以作为稀释剂使用。

（4）添加剂

添加剂的作用是对混合料进行改性，增强路用性能。主要的添加剂有防水剂、抗老化剂、干燥剂、改性剂、促凝剂和补强剂等。SMC 改性剂在降低沥青黏度的同时也提升了低温性能［26］。有研究选用聚氨酯、USP 冷补添加剂、SBR 改性剂、聚胺类抗剥落剂、SBS 材料等作为添加剂进行研究。环氧树脂添加剂可分为缩水甘油类环氧树脂和非缩水甘油类环氧树脂。相关科研人员所研制的冷补沥青混合料配比见表2。

表2 有关冷补料研制所选材料及配比

1.3 冷补沥青混合料配合比

合理的配合比是保证混合料使用性能的前提，目前国际上冷补沥青混合料配合比没有统一的标准。采用热拌沥青混合料的配合比设计，缺乏针对性，并不能体现冷补材料的特点。很多学者提出不同性能要求的配合比设计，以供借鉴和完善。配合比设计主要包括冷补沥青的选择、矿料级配设计以及最佳油石比确定。

冷补液材料主要根据研究目的及性能提升目标进行选择。级配选择主要根据当地交通情况和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）推荐的级配设计。表3 为4 种中国常见的级配设计方法。

表3 级配设计常见方法

（1）李延猛［33］在常规的配合比设计方法基础上，采用了以粗集料为骨架，次级骨料依次填充，从而获得合理空隙率。并采用贝雷法检验完善矿料的级配设计，以此为基础提出简单有效的冷补料配合比设计方法。

（2）李青［34］采用分形预测模型级配设计方法，结合高低温试验和水稳定性试验结果，预测出路用性能模型，根据满足路用性能的级配分形维数范围和路用性能技术指标，推演符合要求的级配分形维数D的范围，通过分形维数的理论公式推导出设计级配通过率公式，进行级配设计，该方法可以提高配合比设计效率。

（3）黄东等［35］提出嵌挤骨架级配，粗集料比例根据各档不同粗集料比例下不同冷补沥青掺量对应的RCBR值（加州承载比）为标准选择；细集料比例根据同济大学提出的百分率递减系数I作为参数级配组成计算方法为基础进行选择。不同I值与不同冷补液掺量条件下，以抗剪强度最优为标准选择最佳细集料级配。检验得出嵌挤骨架级配混合料比规范级配混合料的高温性能有所提升。

（4）彭东波［36］采用SAC 矿料级配设计方法，将矿料与设计级配建立体积关系方程，并通过级配检验方程得到混合料颗粒间的接触情况，以确定混合料空隙率在工程中是否合适，并进行相应调整。

苏联、加拿大和美国提出3 种经典矿料设计，如图1～3 所示。中国常见矿料级配如图4 所示。

图1 苏联矿料级配

图3 加拿大矿料级配

图4 中国沥青混合料常见矿料级配

由图1～4 可知：苏联经典级配为骨架悬浮型结构，矿粉用量达到20%以上，导致此类混合料比表面积大，与冷补液的接触更加充分，使其易于汇集成团，难以拌和，使得施工和易性受到影响［37］。美国级配形式为骨架密实型结构，矿粉用量为6%，优点是空隙率小，耐久性好，缺点是强度成型慢，封闭交通时间长［38］。加拿大级配形式为骨架空隙型结构，矿粉用量为2%，优点是存储性好，工作性好，粗集料接触紧密使初始强度高，其空隙率大，使得稀释剂的挥发速率加快，利于成型强度快速形成，但也导致了受水的影响增大，水稳定性差［39］。中国常见的矿料级配设计有LB-13、AM-13 对应骨架空隙结构，AC-13对应骨架密实结构，SMA-13 对应悬浮密实结构。其中LB 型结构级配在性能测试中表现最佳，规范推荐LB 级配［40］，由此可见，由于细集料和矿粉的含量不同，使得混合料级配产生差异，并且影响整体性能，其中矿粉用量可通过施工和易性与25 ℃强度确定［41］。

常用冷补沥青混合料油石比确定方法有两种：①马歇尔试验方法，通过对比不同油石比成型试件的试验指标，如空隙率、毛体积密度、马歇尔稳定度、饱和度、矿料间隙率等，其中满足各项技术要求的为最佳油石比，并通过路用性能检验计算结果；②经验法，加州经验公式［42］通过集料级配和附着于集料表面的沥青膜厚度确定最佳油石比；同济大学经验公式［43］通过各粒径集料的质量百分比确定最佳油石比，辅以纸迹试验进行验证。稀释剂和添加剂的掺配比例没有明确规定，需综合考虑路用性能以及强度要求进行试验对比最终确定用量。

乳化型冷补沥青混合料油石比首先要确定水性环氧-乳化沥青的配方，通常考虑环氧-乳化沥青混合物相容性，以静置后是否出现分层、离析和成膜效果评估，结合不同固化剂掺量比例下混合物黏结强度综合评定选取最佳配比。混合料的稳定度、密度、流值、空隙率等指标作为辅助指标。冷补液用量根据交通部阳离子乳化沥青课题协助组［44］配合比设计方法确定，见式（1）：

式中：P为乳液占矿料干重质量的百分比（%）；A、B、C分别为粒径大于2.5 mm、2.5～0.074 mm、小于0.074 mm 矿料占全部矿料总量的百分比（%）。

2 冷补沥青混合料性能评价

2.1 施工和易性评价

良好的施工和易性是冷补沥青混合料施工的前提。施工和易性评定方法一般采用简单的经验法评价工作性能。何雄刚［45］采用松散率试验、摊铺阻力试验以及初始马歇尔稳定度试验共同评价冷补沥青混合料施工和易性。影响混合料施工和易性的因素有沥青种类及用量、稀释剂的种类及用量、级配类型和温度等［33］。由于施工和易性与黏聚性存在矛盾，研究者不宜为追求混合物的黏聚性而忽略施工和易性，二者应综合考虑。

2.2 强度性能评价

为确保坑槽修补后不会出现二次破坏，即要求冷补材料具有相应的强度。冷补沥青混合料强度与材料、配比、养生条件、行车荷载等密切相关。强度主要是由沥青黏性与矿料骨架共同提供，但不同类型冷补料的强度形成机理不同，都呈现时间性，所以分为初始强度和成型强度，评价方法为马歇尔试验。现行马歇尔试验是按热拌沥青混合料设计，并不能全面适应冷补材料，由于冷补材料中稀释剂和添加剂的存在，需相应调整试验方法，如减短养生时间、降低水浴温度或取消水浴等。

2.2.1 初始强度

摊铺初期冷补沥青黏度小，黏结力作用较小，此时强度由骨架效应以及坑槽侧向约束提供，大粒径级配内摩阻角更大，相应初始强度更好。树脂、SBS 和抗剥落剂可以有效改善沥青的黏度进而提升混合料初始强度。盖卫鹏等［46］对比不同温度条件下冷补混合料初始强度发现低温环境（-30～5 ℃）初始强度比常温环境（5～30 ℃）高。因为低温条件下沥青活性降低，流动性差，黏结作用要强于常温环境。

2.2.2 成型强度

在修补完成通车服役过程中，冷补沥青混合料要承受车辆荷载作用，产生累积损伤和性能退化，因此研究成型强度及影响因素对冷补沥青混合料的服役状态和施工技术的完善有重要意义。表4 为影响成型强度因素研究结果。

表4 影响成型强度因素研究结果

各国对溶剂型冷补沥青混合料研究较多，但是没有形成标准规范，强度要求不尽相同，中美日三国溶剂型冷补混合料的强度大小如图5 所示。

图5 中美日三国溶剂型冷补料强度对比

各国基本要求初始强度大于2.0 kN，成型强度大于5 kN。由图5 可知：长安大学［29］通过正交试验得到材料的最佳比例，进而研制出新型溶剂型冷补沥青液，通过马歇尔试验测试出初始强度为2.17 kN，成型强度为7.42 kN，皆满足普遍要求，通过实地工程对其强度和路用性能进行检验，表现良好。杨亮等［48］通过添加无机填料，使其与水发生化学反应，形成网状结构，自由沥青减少，结构沥青增多，黏结作用增大，混合料强度提升。

反应型冷补沥青混合料近年自主研发产品强度对比如图6 所示。

图6 反应型冷补料马歇尔强度

由图6 可知：在4 种反应型冷补沥青混合料制备条件相同情况下，不同级配和材料选择对强度的形成起了关键作用，反应型冷补材料强度依靠有机溶剂之间的化学反应，快速形成强度。并且初始强度均大于3 kN，成型强度达到8 kN 以上，符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中马歇尔试验稳定度宜不小于3 kN 规定，说明反应型冷补沥青混合料强度超过传统热拌沥青混合料，完全可以满足交通荷载要求。其中胡芃等［55］自主研制的反应型冷补材料，26%稀释剂含量时此材料发挥最大强度，初始强度6.6 kN、成型强度8.1 kN。王争愿等［20］在混合料中混入40%的RAP 材料，RAP 在固化剂的“火山灰效应”产物影响下，接触面产生润湿和吸附作用，黏聚力得到提升，马歇尔强度在平均水平之上。刘建芳等［56］提出一种新型反应型冷补沥青混合料，通过不同级配比较得到在LB-10 级配下发挥其最佳状态，初始强度5.07 kN，成型强度10.25 kN，并且其他性能也符合热拌沥青混合料的指标要求。李相锋等［30］研发高性能反应型冷补沥青混合料，其初始强度为6.5 kN，成型强度为17.26 kN。

2.3 耐久性能评价

冷补沥青混合料在开放交通后，需要承受沥青老化、剥落、水损害作用、高温作用，通称为耐久性。

2.3.1 沥青老化

采用压力老化试验（PAV）和旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）评定沥青或者改性沥青的老化特点。Dong等［57］对冬季条件下冷补料耐久性采用滚动筛试验、水分敏感性试验和荷载轮试验进行评估，其中水分敏感性试验测试混合料抗冻融性，用抗拉强度St和抗拉强度比RTSR进行表征。ASTM 通过大量试验提出冻融饱和度为70%～80%条件下，最能反映实际环境条件。荷载轮试验使用沥青路面分析仪测试修补材料的抗变形能力，通过对比得出单一级配的细集料可以用于裂缝填充，但抗变形能力不佳，对具有较粗和坚固骨架的修补材料，建议降低车轮载荷并改进压实试验以提高测试的有效性。

2.3.2 黏聚性

坑槽修补后会因为黏聚力弱和黏附性差等原因，出现集料与胶结料分离剥落现象。溶剂型冷补材料常用水煮试验、方孔筛黏聚力试验评价。水煮法试验要求黏附性评价指标裹附面积不低于95%。方孔筛黏聚力试验在4 ℃时，冷补沥青混合料破损率不得高于40%。王佳旭［58］设计黏聚性试验采用在车辙板坑槽试件上模拟车辆荷载然后称取车辙试件并求出剥落质量损失率进行性能评定，试验发现修补坑槽较浅有利于提升抗剥落性。乳化类冷补材料测量黏附性方法有肯塔堡飞散试验和《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中阳离子乳化沥青与集料黏附性试验，水性环氧-乳化沥青体系中环氧树脂是热固性材料，固化后强度高并且黏结性好，分子结构中有极性基团可加强乳化沥青黏附，并通过压实骨料嵌挤，使得集料相互黏结更加密实。

2.3.3 水稳定性

水稳定性直接影响沥青路面使用寿命和性能，评价方法分为两种：①评价沥青与集料的黏附性；②采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行评定［59］。冷补材料参考普通热拌沥青混合料性能指标标准，浸水马歇尔残留稳定度不小于75%，冻融劈裂强度比不小于70%。邓吉升［60］采用沥青裹覆率之比评定混合料水稳定性，进行冻融循环材料的沥青裹覆率P1与未进行冻融循环材料的沥青裹覆率P2之比P来评定。材料的选择对水稳定性影响较大，其中填料石灰影响效果明显，研究发现高温养生条件下石灰可以增强混合料的黏附性进而提高水稳定性。国内外大量研究发现消石灰用量1%时沥青混合料水稳定性效果最佳。

3 种环氧-乳化沥青［52，61-62］冷补料浸水马歇尔试验结果如图7 所示。

图7 水性环氧乳化沥青混合料的浸水马歇尔试验对比

由图7 可得：3 种冷补料的残留稳定度均大于75%，符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求。由于环氧树脂固化反应形成三维网络结构，改善冷补沥青混合料的黏结力，使得黏附性增强以及混合料空隙率减小，水分置换受阻，从而水稳定性良好。

2.3.4 高低温性能

目前常用车辙试验测试混合料的高温稳定性，以动稳定度进行评定，由于快速养生不能真正反映冷补料实际强度效果，所以冷补料高温稳定性试验需要修正使其达到真实效果。低温抗裂性采用小梁弯曲试验评定。目前中国对冷补料高低温性能研究较少，缺乏相应的理论和技术支持。图8 为3 种水性环氧-乳化沥青冷补料高低温性能试验结果。

图8 水性环氧乳化沥青混合料高低温性能试验对比

由图8 可得：3 种混合料均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）弯拉应变不超过2 000 με、动稳定度大于2 800 次/mm 的要求。环氧树脂固化反应形成三维网络结构改善混合料的黏结力，高温条件下加速环氧树脂的固化速度，并提供抗变形能力。由于环氧树脂刚性得到继承，混合料低温刚性表现明显，使得低温抗裂性差。常卫平［61］提出掺水量会对性能产生影响，其中水稳定性和低温性能影响最大，高温性能受掺水量影响较小，综合3种性能得到最佳掺水量为20%。