反应型冷补沥青的制备及其流变性能研究

摘要：为探究反应型冷补沥青的制备工艺及其性能表现，本研究制备了一种反应型冷补沥青，通过正交试验和常规性能试验确定了各组分的最佳配比，并以车辙因子G*/sinδ、蠕变劲度模量S和蠕变速率m等流变指标对其高低温性能展开分析。研究结果表明：反应型冷补沥青中稀释剂、水性环氧树脂、硅烷偶联剂的最佳掺量分别为6%、20%、10%，固化剂最佳掺量为10%。流变性能指标显示，反应型冷补沥青较基质沥青在高温性能方面有显著提升，但低温性能方面的提升并不明显。

关键词：反应型冷补沥青；制备工艺；流变性能

U414.1A180573

0 引言

坑槽病害是高速公路沥青路面常见典型病害之一，采用冷补料对坑槽病害进行修补是当前高速公路养护最常用的方式。冷补料中虽然以溶剂型冷补料的应用最为广泛，但由于溶剂型冷补料的强度增长主要是靠稀释剂挥发形成，所以该类型冷补料往往早期强度低、后期强度增长慢。由于坑槽修补是临时占道施工，该类型施工需要快速恢复交通减小车辆通行压力，但溶剂型冷补料较低的早期强度特性并不利于快速开放交通。反应型冷补料作为一种新型冷补料，其强度主要是依靠各组分间通过交联固化反应形成，因此该材料可以在短时间内具备较高的强度和水稳定性，这一特性与坑槽修补后需要快速开放交通的要求十分契合，因此反应型冷补料也开始受到养护工作者越来越多的重视［1］。

目前针对反应型冷补料的研究主要聚焦其在坑槽修补后的工程应用表现，但对反应型冷补沥青的关注却较少［2-3］。反应型冷补沥青的性能表现对冷补料工作性能影响十分关键，而选用不同类型的改性剂也会使反应型冷补沥青在制备工艺及性能表现上呈现较大的差异，因此针对反应型冷补沥青的制备及性能评价的研究就显得十分重要。为进一步加深对反应型冷补沥青的技术理解，本研究制备了一种反应型冷补沥青，通过正交试验和常规性能试验确定了各组分的最佳配方，并从流变学角度对其高、低温性能进行评价，以期为后续养护施工从业者应用反应型冷补料时提供参考经验。

1 试验原材料、制备方法及试验方案

1.1 试验原材料

1.1.1 基质沥青

反应型冷补沥青采用70#基质沥青作为基础载体进行制备，其性能检测结果如表1所示。

1.1.2 稀释剂

稀释剂的作用主要是实现沥青在常温条件下的液化并具备良好的工作性。溶剂型冷补料常用柴油作为稀释剂，但其挥发速率较慢，导致冷补料强度增长较慢。本项目选用了一种能与硅烷偶联剂反应的溶剂作为稀释剂，该物质能与固化剂快速反应，确保沥青强度的快速增长，其物理特性要求如表2所示。

1.1.3 水性环氧树脂

沥青中掺入稀释剂后会对部分性能造成损伤，因此需要添加改性剂对其性能进行提升。本项目选用的改性剂为水性环氧树脂，其物理特性要求如表3所示。

1.1.4 硅烷偶联剂

硅烷偶联剂的分子结构中包含了不同的官能团，能够有效强化反应型冷补沥青中各种材料之间表面交互融合，从而实现沥青性能的综合提升。本项目在参考常用硅烷偶联剂种类以及沥青反应组成体系基础上，选择N-癸基三乙氧基硅烷作为促进有机物与无机物界面融合的中间物质。

1.1.5 固化剂

固化剂会与反应型冷补液发生交联固化反应形成最终的反应型冷补沥青。本项目参考前期研究基础［4］，选择P.O 32.5普通硅酸盐水泥与偏高岭土按比例掺配制得固化剂。

1.2 制备方法

为避免出现沥青老化，反应型冷补沥青选择135 ℃作为加工温度，加工设备采用高速剪切乳化机，具体制备流程如图1所示。

1.3 试验方案

1.3.1 反应型沥青冷补液配方研究

在参考相关研究基础上拟定了不同添加剂的掺量［5］，采用60 ℃布氏黏度作为控制指标进行正交试验确定最佳配比。具体试验方案如表4所示。

1.3.2 反应型冷补沥青固化规律研究

在反应型冷补液中掺入不同掺量的固化剂制备反应型冷补沥青，以沥青三大指标作为控制指标确定固化剂最佳掺量。

1.3.3 反应型冷补沥青流变性能检测

对制备的反应型冷补沥青进行流变性能试验，其高温性能和低温性能分别利用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪进行试验评价。

2 试验结果分析

2.1 正交试验结果分析

按照既定试验方案制备不同配比的反应型沥青冷补液并测定其60 ℃布氏黏度，通过对试验结果进行极差分析确定各组分的影响程度大小，相关结果如表5、表6所示。

布氏黏度可以较为真实地反映冷补料的施工性能和强度发展情况。布氏黏度较低时虽然可以确保冷补料具备较好的，但其早期强度难以形成，不利于快速开放交通。布氏黏度过高虽然使得冷补料具备较大的早期强度，但容易导致冷补料施工和易性较差。根据施工经验总结，冷补料的60 ℃布氏黏度宜控制在2～2.5 Pa·s。从试验结果来看，第1组、5组、8组配方符合建议范围，因此对上述三组配方进行进一步比较优化。先将第1组和第5组配方进行对比，第1组配方的60 ℃布氏黏度较第4组配方高4.9%，这说明其冷补料性能更优，因此选第1组配方作为优选配方进行下一步比较。将第1组和第8组配方进行对比，第8组的60 ℃布氏黏度虽然比第1组高7.6%，其冷补料性能会更优，但第8组配方中水性环氧树脂、稀释剂及硅烷偶联剂的掺量分别增加了4%、5%和10%，这将导致成本显著增加。从施工性能与经济性的平衡性考虑，选定第1组配方作为反应型沥青冷补液的最佳配方组合。

极差分析中的R值大小可以分析出各组分对60 ℃布氏黏度的影响程度，通过对比表6中的数据可知，按显著性影响程度排序，影响程度大小依次是稀释剂掺量、水性环氧树脂掺量和硅烷偶联剂掺量。

2.2 反应型冷补沥青固化规律研究

以2%为增加梯度，在4%～14%范围内选取6个不同的固化剂掺量制备反应型冷补沥青并进行沥青三大指标性能试验，试验结果如表7所示。

从表7中数据可以看出，反应型冷补沥青的软化点随着固化剂掺量增加而变大，针入度逐渐变小，延度则是先增大后减小。这说明固化剂在加入沥青后会使沥青逐渐固化，沥青整体变稠、变脆硬，同时高温性能会有所提升。这是因为，一方面固化剂会与沥青中的反应型稀释剂发生交联固化反应，促进了沥青强度的提升；另一方面固化剂会在水性环氧树脂带来的水环境条件下形成水化产物，水化产物会与沥青发生反应，这导致沥青中沥青质含量会增加，沥青逐渐变硬稠，而硅烷偶联剂的存在也进一步强化了这种结合反应。就具体数值而言，当固化剂掺量为10%时，沥青性能可以达到一个平衡点，延度值此时达到最大值49，软化点达到70 ℃，针入度值则达到50（0.1 mm），若进一步增加固化剂掺量将导致低温性能下降，所以固化剂掺量采用10%。

2.3 流变性能测试结果与分析

2.3.1 高温流变性能

利用动态剪切流变仪分别对反应型冷补沥青及70#基质沥青进行58 ℃～88 ℃温度区间的高温扫描，通过分析车辙因子G*/sinδ的大小变化评价其高温性能，试验结果如图2所示。

如图2所示，伴随温度环境的升高，两种沥青的车辙因子均不断减小，这说明反应型冷补沥青与基质沥青表现出相同的材料特性，在温度环境升高条件下是以粘弹特性为主，沥青的高温性能不断被弱化。而在同一温度下，反应型冷补沥青的车辙因子要远高于基质沥青，以58 ℃为例，其车辙因子是基质沥青的1.5倍，而随着温度升高，这种差距更为明显。Superpave规范中规定沥青的车辙因子lt;1 kPa情况条件下将丧失抵抗车辙变形能力，以此为参考，基质沥青在64 ℃时基本丧失了抵抗车辙变形能力，而反应型冷补沥青在88 ℃时仍具备抵抗车辙变形能力，其车辙因子是基质沥青的7.8倍，这表明反应型冷补沥青在高温性能上具备明显优势，可以为反应型冷补料提供良好的高温抗车辙变形能力。

2.3.2 低温流变性能

利用弯曲梁流变仪对反应型冷补沥青及70#基质沥青进行-6 ℃、-12 ℃及-18 ℃三个温度下的弯曲梁流变试验，通过分析蠕变劲度模量S和蠕变速率m的变化评价其低温性能，试验结果如图3所示。

规范规定蠕变劲度模量S≤300 MPa，否则沥青将显现出较大脆性易断裂，而蠕变速率m要求≥0.3，否则会降低沥青对应力松弛消散的能力。如图3所示，伴随温度降低，沥青的蠕变劲度模量S会增大而蠕变速率m会减小，这说明沥青的抗开裂能力在温度降低环境下不断减弱。两种沥青在-18 ℃时均已丧失抗开裂能力。同一温度下，基质沥青的蠕变劲度模量S高于反应型冷补沥青，而蠕变速率m小于反应型冷补沥青，但这种差异较小。这说明反应型冷补沥青在改性剂和固化剂的综合作用下虽然低温抗裂性能有所改善，但效果并不明显。

3 结语

（1）根据正交试验极差分析结果可知，反应型沥青冷补液60 ℃布氏黏度受稀释剂掺量影响最大，其次是水性环氧树脂，最后是硅烷偶联剂。结合正交试验结果进行分析，反应型沥青冷补液中各类外加剂的最佳掺量为水性环氧树脂6%、稀释剂20%、硅烷偶联剂10%。

（2）反应型沥青冷补液中掺入固化剂后会发生交联固化反应形成强度，生成的反应型冷补沥青稠度较高，固化剂掺量增加会提升其高温性能，低温性能则会先提升后降低，固化剂掺量在10%时整体性能最优。

（3）从流变性能角度来看，反应型冷补沥青较基质沥青具备明显更优的高温性能，但低温性能改善效果并不明显。

参考文献：

［1］刘 侠，郑木莲，鞠 健，等.溶剂型冷补沥青研制及其混合料性能评价方法［J］.科学技术与工程，2023，23（10）：4 384-4 391.

［2］刘非易，余泳幸，沈 凡.反应型冷补沥青混合料的强度形成机理及强度发展规律研究［J］.公路，2023，68（5）：45-50.

［3］沈 凡，刘非易，余泳幸，等.反应型冷补沥青混合料的制备及其胶浆黏度特性研究［J］.昆明理工大学学报（自然科学版），2022，47（2）：20-26.

［4］杨 胜.反应稀释型冷补沥青混合料的性能研究［D］.北京：北京建筑大学，2022.

［5］曾 巍.反应型高性能冷补料开发及研究［D］.重庆：重庆交通大学，2021.