沈 凡，劉非易，余泳幸，盧 吉

(1.武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430205; 2.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引 言

瀝青路面由于良好的行車舒適性成為路面建設的主流材料，但在自然條件與行車荷載的作用下，瀝青路面易出現(xiàn)坑槽、裂縫、擁包、車轍等路面病害[1-3]，其中坑槽類病害作為一種早期發(fā)生的路面病害，具有發(fā)生頻率高、局部但分散性大的特點，是道路日常養(yǎng)護的主要工作內容[4-5].目前，冷補瀝青混合料由于具有便于儲存、常溫施工與修補迅速等特點，在道路的日常養(yǎng)護中使用越來越廣泛[6-7].冷補瀝青混合料根據(jù)其強度形成機理的不同，可分為乳化型、溶劑型與反應型三類.三種混合料中，溶劑型冷補瀝青混合料由于制備與施工方便，儲存時間長，成為市面上最常用的冷補瀝青混合料，這種冷補瀝青混合料一般是以柴油作為稀釋劑，其強度的形成主要隨著柴油的揮發(fā)而發(fā)展，因此此種冷補瀝青混合料存在早期強度低、后期強度增長緩慢、水穩(wěn)定性較差等不足[8-10].反應型冷補瀝青混合料具有較高的強度和水穩(wěn)定性，但由于該類型冷補料依靠多組分反應交聯(lián)固化形成強度，不能長時間儲存，一般是現(xiàn)拌現(xiàn)用，現(xiàn)場施工限制了該種冷補料的推廣使用[11-12].因此，研發(fā)出一種易于儲存、便于施工、施工后強度發(fā)展迅速的反應型冷補瀝青混合料對未來瀝青道路養(yǎng)護技術的發(fā)展具有十分重要的意義.

本文綜合利用溶劑型和反應型冷補瀝青混合料的設計原理，優(yōu)選一種反應型稀釋劑，利用反應型稀釋劑與堿性添加劑在水的激發(fā)下發(fā)生化學反應的技術原理，研究稀釋劑用量、堿的種類及摻量、反應條件(水)對瀝青膠漿黏度的影響規(guī)律，從而確定冷補液及堿性添加劑的組成.以此為基礎，采用LB-10型級配，制備出一種可長期儲存、易于施工的新型反應型冷補瀝青混合料，并系統(tǒng)表征該反應型冷補瀝青混合料的性能.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本文瀝青采用70號A級道路石油瀝青，溶劑型稀釋劑采用0#柴油，反應型稀釋劑采用帶羧基和羰基的有機化合物溶劑，反應型冷補料堿性添加劑采用工業(yè)級NaOH、Ca(OH)2與堿性混合物A(以CaO為主，復合硅酸鈉、鋁酸鈣等的混合堿)，集料采用石灰石集料.

其中，0#柴油各項技術指標滿足標準GB 19147-2016《車用柴油》[13]，工業(yè)級NaOH、Ca(OH)2各項技術指標分別滿足GB/T 209-2018《工業(yè)用氫氧化鈉》與HG/T 4120-2009《工業(yè)氫氧化鈣》的技術要求[14-15]，石灰石集料各項技術指標滿足標準JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》[16]表4.8.2與表4.9.2要求，瀝青與反應型稀釋劑各技術指標見表1～表2.

1.2 試驗方案

1.2.1 反應型稀釋劑用量對瀝青黏度的影響規(guī)律研究

測試反應型稀釋劑摻量分別為瀝青質量23%、28%、33%、38%和43%時，試樣 25 ℃ 的布氏黏度，并與柴油摻量占瀝青質量分數(shù)分別為19.5%、22.5%、25.5%、28.5%和31.5%時，試樣 25 ℃ 布氏黏度進行對比分析.

表1 70號A級道路石油瀝青技術指標

表2 反應型稀釋劑各參數(shù)

1.2.2 堿性添加劑種類對反應型冷補液的影響規(guī)律

將NaOH、Ca(OH)2與堿性添加劑A分別加入反應型稀釋劑與瀝青的混合物(反應型冷補液)中，其中NaOH、Ca(OH)2與堿性添加劑A占冷補液的質量分數(shù)均為0.5%，研究試樣 1 min、1 h 與 24 h 的 25 ℃ 布氏黏度.

1.2.3 不同反應條件下堿性添加劑A摻量對反應型冷補液的影響規(guī)律

測試堿性添加劑A摻量分別為反應型稀釋劑質量30%、36%、42%、48%、54%、60%時，試樣的 25 ℃ 布氏粘度，并測試加入反應型冷補液質量20%的水后，試樣 3 min 及 1 h 的 25 ℃ 布氏黏度.

1.2.4 反應型冷補料的性能評價

反應型冷補料的礦料級配見表3，冷補液的用量為礦料質量的6.0%，堿性添加劑A摻量冷補液質量的60%，制備反應型冷補瀝青混合料，研究混合料存儲 1 d 以及 60 d 后的修正馬歇爾穩(wěn)定度、馬歇爾穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度與貫入強度.

表3 冷補料級配

1.3 試驗方法

1.3.1 黏度試驗

參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[17]，采用布洛克菲爾德黏度計(Brookfield，簡稱布式黏度計)旋轉法測試試樣 25 ℃ 的黏度.

1.3.2 反應型冷補瀝青混合料的拌合方法

書稿排印時的技術錯誤也可能會導致“正字誤錄”現(xiàn)象，《中華道藏》中反復出現(xiàn)一些常用字反而被錄成了形體相近的罕見字，這種情況不大可能歸咎于點校者，更可能是排印過程出現(xiàn)的錯誤。

首先將基質瀝青加熱至 130 ℃±10 ℃， 然后加入適量的反應型稀釋劑、堿性物質攪拌均勻得到冷補液，接著將反應型冷補液降溫至 100 ℃±10 ℃ 并儲存，最后將溫度為 150 ℃±10 ℃ 的集料放入溫度為 110 ℃±10 ℃ 攪拌鍋內攪拌 60 s，加入冷補液繼續(xù)攪拌 60 s 制得反應型冷補瀝青混合料.

1.3.3 修正馬歇爾試驗方法

溶劑型冷補瀝青混合料參考規(guī)范JTT 972-2015 《瀝青路面坑槽冷補成品料》[18]成型馬歇爾試件.

反應型冷補料成型馬歇爾試件步驟:首先在定量的反應型冷補瀝青混合料表面澆上適量水，然后將潤濕后的混合料裝入馬歇爾試模中，雙面擊實50次成型馬歇爾試件.

參照JTT 972-2015 《瀝青路面坑槽冷補成品料》[18]測定冷補料的 25 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度與浸水殘留穩(wěn)定度.

1.3.4 馬歇爾試驗方法

參照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[17]測定冷補料的 60 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度與浸水殘留穩(wěn)定度.

1.3.5 貫入試驗

貫入強度參照規(guī)范JTT 972-2015 《瀝青路面坑槽冷補成品料》[18]進行.

2 結果與分析

2.1 反應型稀釋劑用量對瀝青黏度的影響

測試反應型稀釋劑對冷補液黏度的影響規(guī)律，研究結果見圖1～圖2.

圖1 柴油摻量對瀝青黏度的影響Fig.1 Influence of reactive diluent content on asphalt viscosity

圖2 反應型稀釋劑摻量對瀝青黏度的影響Fig.2 Effect of diesel oil content on asphalt viscosity

研究結果表明，隨著反應型稀釋劑摻量的增加，瀝青黏度迅速下降.當稀釋劑摻量為23%時，反應型稀釋劑與瀝青混合膠漿黏度為 198.96 Pa·s;當稀釋劑摻量為43%時，反應型稀釋劑與瀝青混合膠漿黏度降至 20.57 Pa·s，與溶劑型冷補液黏度變化規(guī)律一致.一般溶劑型冷補液中柴油摻量約為20%時(即柴油摻量占瀝青質量分數(shù)的25.5%)，冷補料具有良好的儲存穩(wěn)定性與施工和易性[19].由圖1可知，此柴油摻量下，瀝青的粘度為 35.41 Pa·s；由圖2可知，當反應型稀釋劑摻量為38%～43%時，瀝青的粘度在 40.00 Pa·s～20.57 Pa·s，因此選擇反應型稀釋劑摻量為40%，與瀝青混合后形成反應型瀝青冷補液.

2.2 堿性添加劑種類對反應型冷補液的影響

測試了不同堿性添加劑種類對冷補液黏度的影響規(guī)律，研究結果見表4.

表4 不同堿性添加劑對反應型冷補液黏度的影響

研究結果表明，在反應型瀝青冷補液中分別摻入NaOH與Ca(OH)2兩種堿性化合物后，冷補液黏度均迅速增加，1 min 黏度便均已超過 200.00 Pa·s(超過測試量程)；而在摻入堿性添加劑A后，冷補液黏度維持在 30 Pa·s 左右，且隨時間增長基本保持不變.這是由于NaOH與Ca(OH)2中的金屬離子和OH-極易在常溫下與反應型稀釋劑的羧基反應，產(chǎn)生交聯(lián)固化，使得冷補液黏度迅速增長，嚴重影響反應型冷補料的儲存穩(wěn)定性與施工和易性，因此NaOH與Ca(OH)2并不適合作為堿性添加劑.在冷補液中摻入堿性添加劑A后，由于添加劑中各組分不能直接提供OH-，常溫下金屬離子難以與反應型稀釋劑中的羧基反應，能夠在密封條件下較長時間儲存，可以作為添加劑用于制備反應型冷補瀝青混合料.

2.3 堿性添加劑A摻量及反應條件對反應型冷補液粘度的影響

測試了不同堿性添加劑A摻量下，不加水及加水 3 min 和 1 h 冷補液的黏度，研究結果見圖3.

圖3 不同摻量堿性添加劑A的反應型 冷補液各階段黏度變化Fig.3 Viscosity variation of reactive cold patch asphalt with different dosage of alkaline additive A at different stages

研究結果表明，反應型冷補液黏度隨堿性添加劑A摻量的增加而略微升高，試樣加水 3 min 后，冷補液黏度下降，1 h 后，冷補液黏度迅速升高，且隨堿性添加劑A摻量的增加，冷補液黏度增長幅度越大，當堿性添加劑A摻量為60%時，試樣加水 1 h 后的冷補液黏度達到最高，為 137.6 Pa·s.反應型冷補液黏度隨堿性添加劑A摻量的增加而升高是由于堿性添加劑A組分中的CaO、復合硅酸鈉、鋁酸鈣等粉末吸附部分瀝青形成結構瀝青，隨著堿性添加劑A摻量增加，形成的結構瀝青越多，因此反應型冷補液黏度也隨之略微增大；當反應型冷補液加水后，其內部的CaO、復合硅酸鈉、鋁酸鈣遇水提供堿性環(huán)境，金屬離子與反應型稀釋劑的羥基和羰基的水解產(chǎn)物發(fā)生交聯(lián)固化反應，反應初期，由于生成的OH-較少，體系內的堿性環(huán)境較弱，因此金屬離子與反應型稀釋劑之間生成產(chǎn)物較少，該物質分散于水中，與水混合后充斥在瀝青與稀釋劑之間，具有一定的潤滑作用，使得體系黏度降低.隨著時間增加，環(huán)境中堿性增強，金屬離子與稀釋劑之間進一步發(fā)生交聯(lián)固化，使得體系黏度增至約原黏度的3倍，大于 80 Pa·s，且堿性添加劑A摻量的增加使得體系內堿度增加，反應更為劇烈，從而使得反應型冷補液加水 1 h 后的黏度隨堿性添加劑A摻量的增加而迅速增加.

本文通過在反應型冷補液中摻加堿性添加劑A，測試其不加水以及加水 3 min 和 1 h 的黏度，以表征反應型冷補料儲存階段、施工階段、強度形成階段三種不同時期內部冷補液黏度的變化規(guī)律.結果表明，冷補液中摻加堿性添加劑A后，堿性添加劑A吸附瀝青形成結構瀝青使冷補液黏度僅略微增長，表明該反應型冷補料在儲存階段具有良好的儲存穩(wěn)定性；試樣加水 3 min 后，冷補液黏度下降，低黏度冷補液有利于施工，保證了反應型冷補料施工階段良好的施工和易性；試樣加水 1 h 后，冷補液黏度迅速上升，冷補液黏度增強有利于提高冷補料內部粘聚力，有利于強度的快速形成.

2.4 反應型冷補料的性能

測試反應型冷補料貫入強度、儲存 1 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度，儲存 60 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度，并與市售溶劑型冷補料進行對比，研究結果見表5.

表5 兩種冷補料的主要性能參數(shù)

研究結果表明，兩種冷補料貫入強度滿足規(guī)范JTT 972-2015 《瀝青路面坑槽冷補成品料》[18]要求，且反應型冷補料儲存 1 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度與浸水殘留穩(wěn)定度分別可達 20.41 kN、96.8%和 6.02 kN、91.1%;儲存 60 d 的 25 ℃ 和 60 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度與浸水殘留穩(wěn)定度分別可達 19.33 kN、90.7%和 5.88 kN、90.7%，表明該反應型冷補料具有良好的儲存穩(wěn)定性，而溶劑型冷補料 25 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度與浸水殘留穩(wěn)定度僅為 7.17 kN 和 87.6%，60 ℃ 馬歇爾穩(wěn)定度僅為 1.31 kN.這是由于溶劑型冷補料需要揮發(fā)稀釋劑增強瀝青與瀝青或瀝青與集料間的粘聚力，從而提高溶劑型冷補料的強度.由于稀釋劑揮發(fā)緩慢且揮發(fā)后有殘余，因此使得溶劑型冷補料后期強度增長緩慢且后期強度較低[20-21]，而反應型冷補料則主要依靠加水后稀釋劑與堿性添加劑間化學反應產(chǎn)生的交聯(lián)固化作用與瀝青的膠黏作用提供強度，該化學反應過程速率快且以水作為反應促進劑，因此使得反應類冷補料相較溶劑型冷補料具有更高的強度與水穩(wěn)定性.

3 結 論

本文所得結論如下：

1)反應型稀釋劑可有效降低瀝青黏度，且其對瀝青黏度的影響規(guī)律與柴油相同.隨著反應型稀釋劑摻量的增多，瀝青黏度越小，當反應型稀釋劑摻量為43%時，反應型稀釋劑與瀝青混合膠漿的黏度可低于 35.41 Pa·s，實現(xiàn)常溫施工.

2)NaOH與Ca(OH)2可與反應型稀釋劑迅速反應，使反應型冷補液黏度迅速上升，大于 200 Pa·s，使得反應型冷補料喪失儲存性能與施工性能，無法作為堿性添加劑制備反應型冷補料.

3)摻入堿性添加劑A后，反應型冷補液黏度隨時間增加而略微增長，且加水后，冷補液黏度呈現(xiàn)先減小后迅速增加的變化趨勢.冷補液不同反應條件下的黏度變化規(guī)律表明,采用堿性添加劑A作為堿性添加劑制備的反應型冷補料具有易于儲存、便于施工、施工后強度形成快的特點.

4)本文制備的反應型瀝青冷補料，各項指標均滿足規(guī)范JTT 972-2015 《瀝青路面坑槽冷補成品料》要求，其 25 ℃ 和 60 ℃ 的馬歇爾穩(wěn)定度與浸水殘留穩(wěn)定度均遠高于普通的溶劑型冷補料，具有良好的施工和易性、路用性能、水穩(wěn)定性能及儲存穩(wěn)定性.