（道路与铁道工程专业论文）沥青路面坑槽冷补材料研究.pdf

摘要 采用冷补沥青混合料和界面高效粘接材料冷补坑槽是目前高速公路沥青路面 坑槽修补的一种新形式。冷补沥青混合料不受天气条件限制，能随用随补，环氧 改性沥青、环氧煤焦油改性沥青界面粘接材料新型经济且高效。 本文先对沥青改性剂进行研究选择确定改性沥青用主改性剂品种和规格。在 确定了冷补添加剂用主改性剂品种和规格后，通过大量的试验确定冷补添加剂其 它组成成分的品种、规格及用量，确定冷补沥青添加剂的配方，配制冷补沥青混 合料用冷补沥青添加剂。选取国内多种具有代表性的冷补沥青混合料，配制适应 于不同气候条件下使用、不同矿料级配规格的各种冷补沥青混合料，并对冷补沥 青混合料的初始强度、抗水性、疏松性及压实性、贮存稳定性、路面成型后的马 歇尔稳定度、动稳定度、低温抗裂性等各项技术性能进行了研究，分析了冷补材 料强度形成机理及影响因素，提出了路用性能试验方案，同时根据大量室内试验 数据提出了冷补沥青混合料路用性能的评价指标。 此外通过对比以s b s 改性沥青为主的、经济型沥青路面裂缝修补材料和沥青 路面坑槽界面粘接材料的最优配方；对比以环氧改性沥青、环氧煤焦油改性沥青 作为沥青路面坑槽界面处理的新型、高效的界面粘接材料的最优配方，以及相应 的技术性能研究，确定以环氧改性沥青、环氧煤焦油改性沥青作为沥青路面坑槽 界面处理的新型、高效的界面粘接材料。 本课题通过对稀释剂和改性剂的筛选，配制性能优良的冷补沥青混合料，采 用高效的界面材料，通过相应的试验路的修补观测，表明此修补材料是一种良好 的路面坑槽材料。 关键词：冷补沥青混合料；路用性能；评价标准；试验方法；环氧改性沥青、环 氧煤焦油改性沥青 a b s t r a c t f i l lw i t hc o l da s p h a l tm i x t u r ea n d h i g h p e r f o r m a n c ei n t e r f a c eb o n d i n gm a t e r i a l s t or e p a i ra i rt a n ki se m p t y h i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n tr e p a i rt r o u g ho fan e wf o r m c o l d a s p h a l tm i x t u r eu pf r o mt h ew e a t h e rc o n d i t i o n s ，c a nb eu s e da s f i l l a l o n g ，e p o x y m o d i f i e da s p h a l t ，c o a lt a re p o x ya d h e s i v em o d i f i e da s p h a l ti n t e r f a c ea n dan e w t y p eo f e c o n o m i ce f f i c i e n c y t h i sa r t i c l ef i r s to nt h ea s p h a l tm o d i f i e ro ft h es t u d y ，c a r r i e do u tt oi d e n t i f yt h e m a i nu s eo fm o d i f i e da s p h a l tm o d i f i e rv a r i e t i e sa n d s p e c i f i c a t i o n s i nd e t e r m i n i n gt h e m a k eu po fc o l da d d i t i v e sw i t ht h em a i nv a r i e t i e so fm o d i f i e ra n dt h es p e c i f i c a t i o n s a d o p t e db yal a r g en u m b e ro fc o l d u pt e s t st od e t e r m i n et h ec o m p o s i t i o no ft h e a d d i t i v e so t h e rv a r i e t i e s ，s p e c i f i c a t i o n sa n du s a g e ，d e t e r m i n et h ec o l da s p h a l t a d d i t i v e s m a k eu pt h ef o r m u l aw i t hr e f r i g e r a t i o nf i l lw i t h a s p h a l tm i x t u r ec o l df i l la s p h a l t a d d i t i v e s s e l e c tav a r i e t yo fd o m e s t i cr e p r e s e n t a t i v eo ft h ec o l d a s p h a i tm i x t u r c m e e t i n g ，p r e p a r e dt oa d a p tt od i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s ，t h eu s eo fd i f f e r e n tm i n e r a l a g g r e g a t eg r a d a t i o no ft h ev a r i o u ss p e c i f i c a t i o n so fc o l da s p h a l tm i x t u r eu pa n df i l lt h e c o l da s p h a l tm i x t u r ei n i t i a ls t r e n g t h ，w a t e rr e s i s t a n c e ，o s t e o p o r o s i sa n dc o m p a c t i o n s t o r a g es t a b i l i t y ，r o a ds u r f a c ea f t e rt h ef o r m i n go ft h em a r s h a l ls t a b i l i t y , d y n a m i c s t a b i l i t y ，l o wt e m p e r a t u r eo fc r a c ka n do t h e rt e c h n i c a lp e r f o r m a n c eh a sb e e ns t u d i e d a n a l y z e dt h ec o l d 删m a t e r i a ls t r e n g t ha n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi n f l u e n c i n g f a c t o r s ，ar o a dt e s tp r o g r a m ，a c c o r d i n gt ot h es a m et i m eal a r g en u m b e ro fl a b o r a t o r y t e s td a t am a d eu po fc o l db i t u m i n o u sm i x t u r eo fp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i na d d i t i o n ，t h r o u g hc o m p a r i s o nw i t hs b sm o d i f i e da s p h a l t b a s e d ，e c o n o m i c a l r e p a i rc r a c k si na s p h a l tp a v e m e n tm a t e r i a l sa n da s p h a l tp a v e m e n tp i ti n t e r f a c e a d h e s i v ef o r m u l a t i o n so ft h eb e s t ；c o m p a r e dw i t he p o x ym o d i f i e da s p h a l t ，c o a l t a r e p o x ym o d i f i e da s p h a l ta st h ea s p h a l tp i tr o a dt od e a lw i t han e wi n t e r f a c ea n d e f f i c i e n ti n t e r f a c eb o n d i n gm a t e r i a l o p t i m a lf o r m u l a ，a sw e l la st h et e c h n i c a l p e r f o r m a n c es t u d yt od e t e r m i n et h ee p o x ym o d i f i e da s p h a l t ，c o a lt a re p o x ym o d i f i e d a s p h a l ta st h ea s p h a l tp a v e m e n tp i tt od e a lw i t han e wi n t e r f a c ea n de f f i c i e n ti n t e r f a c e b o n d i n gm a t e r i a l t h i st a s kt h r o u g hm o d i f i e ra n dt h i n n e ro nt h es e l e c t i o n ，p r e p a r a t i o no fag o o d p e r f o r m a n c eu pc o l da s p h a l tm i x t u r e ，u s i n gh i g h p e r f o r m a n c ei n t e r f a c em a t e r i a l s t h r o u g ht h er o a dt e s to ft h ep a t c ho b s e r v a t i o nt h a tt h i sn e wt y p eo fc o n s e r v a t i o ni sa g o o dm a t e r i a lf o rt h ec o n s e r v a t i o no ft h er o a dm a t e r i a l s k e yw o r d s ：c o l df i l la s p h a l tm i x t u r e ；r o a dp e r f o r m a n c e ；e v a l u a t i o nc r i t e r i a ；t e s t m e t h o d ；e p o x ym o d i f i e da s p h a l t ；c o a lt a re p o x ym o d i f i e da s p h a l t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 确沽 日期：埘年，l 月多e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：乒卅肛f 厂阴岁日 日期：年月日对膨 涮缈 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 沥青路面是世界各国在公路、机场、码头和城市道路中采用最为广泛的路面 结构形式。沥青路面在长期的使用过程中，由于自然和车辆的作用，会逐渐损坏 而出现松散、坑洞、剥落等病害。这些病害不仅会加速路面的破坏，而且降低路 面的使用性能，造成行车颠簸、车速减慢，降低道路的通行能力，影响交通安全， 损害城市景观。因此，及时地进行路面维护是非常必要的。 采用热拌沥青混合料维修路面，对于地点集中、工程量较大的路面维修工程 是适合的；而对于零星分散、工程量小的路面维修就很不方便，尤其在冬春季节， 受气温限制较大。南方雨季期间，沥青路面损坏也往往比较严重，维修工作量大， 采用热料修补也是很不方便的。 采用乳化沥青维修路面，则因为存在初期强度低、成型时间长等缺点，因而 不实用于交通量较大的城市道路。 采用冷补沥青混合料维修路面，适用于任何天气和环境，且材料不需加热， 使用方便。该方法施工简单，所需施工机械的人员较少，可以直接推广至公路养 护段道班使用，适用广泛，不仅可以修补沥青路面，亦可用于修补水泥混凝土路 面坑洞，还能与木材、金属材料迅速粘合，并不被车轮粘带。虽然冷补沥青混合 料的单价要比热拌沥青混合料等略高，但从冷补沥青混合料的生产、施工、应用 等各方面综合考虑及与热拌沥青混合料、乳化沥青等传统修补材料进行比较，仍 可获得巨大的潜在经济效益和显著的社会效益。主要体现在： ( 1 ) 不受季节限制，降低养护成本。阴雨与低温季节，正是沥青路面发生病害 较多的季节。我国多雨的南方地区与寒冷的北方地区，沥青路面的路况常因多雨 和冰冻而急速下降。 ( 2 ) 减少运输成本。路面出现坑槽后，行车速度将随着时间的增长而越来越低， 而且在破损的路面上行驶时，机动车因急刹车，颠簸等增加了部件损耗和轮胎的 严重磨耗，耗油量成倍增长，使得运输成本增加1 0 。1 5 。选用沥青冷补材料对 坑槽进行及时修补可以降低运输成本。 ( 3 ) 改善修补条件，减少环境污染。冷补技术可在任何气温条件下使用，修补 工人可以不受用热沥青混合料修补时的烟熏火燎，从而大大改善了修补条件，降 低了劳动强度，减少了环境污染，所以深受养路工人的欢迎。 ( 4 ) 节省材料。冷补技术对石料的要求比较中性。不管是酸性石料还是碱性石 料都可以被冷补技术所采用。而且随用随取，减少浪费，这对扩大路面修补的材 料来源，降低修补成本有着积极的意义【l j 。 对于沥青路面坑槽，由于发生的面广，出现坑槽的时间并不相同，坑槽发生 的范围很不规则，有大有小，如不及时修补往往使破损面积扩大。因此，沥青路 面坑槽对于养护部门来说，是一项相当繁重、繁琐的工作。按照目前的养护方法， 劳动强度大，由于修补的材料和方法欠周到，坑槽周边防水不力，易出现刚修补 好的空洞，不久就出现原修补处周围沥青路面再次出现坑槽，需多次修补，这样 来回折腾，势必增大了养护的工作量，无疑增大了养护成本。 在沥青路面的坑槽修补施工中，为使修补材料与旧路面( 或基层) 之间具有 足够的粘接强度及新旧路面的界面之间良好结合，防止雨水沿界面渗入路面及基 层，需要在坑底及槽壁上涂刷粘层油。目前，通常采用洒热沥青或乳化沥青的方 法进行施工，它对于零星分散、工程量小的路面维修很不方便，为了满足沥青路 面在冬春季低温及多雨期间沥青路面快速修补的需要，以及储存式冷铺沥青混合 料的使用，可在低温及多雨期间能对沥青路面进行修补，应该采用可靠的沥青粘 层和高效界面粘接材料，否则，经过修补的沥青路面坑槽将会再次出现坑槽【2 1 1 。 采用冷补沥青混合料和可靠的沥青粘层和高效界面粘接材料修补坑槽，坑槽 能够得到及时修补，路面完好且耐用，行车舒适，减少了车辆堵塞及交通事故的 发生，人心舒畅。不仅维护了社会的良好形象，而且为公路沿线经济发展起到了 推动作用，其社会效益十分明显，推广前景广阔。 采用冷补沥青混合料和界面高效粘接材料修补坑槽是目前沥青路面坑槽修补 的一种新形式。冷补沥青混合料不受天气条件限制，能随用随补，环氧改性沥青、 环氧煤焦油改性沥青界面粘接材料新型经济且高效。但是国内由于缺乏冷补沥青 混合料路用性能评价指标和相应的试验方法，造成其质量良莠不齐，不能充分发 挥冷补沥青混合料的优势，对于界面材料的质量更要求严格，不然坑槽再出现坑 槽的情况更严重。针对类似问题，本文对国内多种具有代表性的冷补沥青混合料 的路用性能进行了深入研究，在此基础上建立了冷补沥青混合料路用性能评价体 系，开发出了一种优良的沥青路面坑槽冷补材料，为了更好的发挥其优势，我们 还对其界面粘接材料作了一定的研究，通过对比确定了沥青路面坑槽修补时新型、 高效界面粘接材料的最优配方，并对界面材料相应的技术性能进行了研究。 1 2 国内外沥青路面坑槽修补材料的研究概况 1 2 1 国外研究概况 在国外，前苏联、美国于2 0 世纪2 0 3 0 年代便开始了冷补沥青混合料的研究 与应用，日本、欧洲也不遗余力的对冷补沥青混合料进行了研究。但当时冷补沥 青混合料使用的结合料主要是乳化沥青。自1 9 2 1 年确定乳化沥青的工业化生产以 2 后，立即作为表面处治及常温补路材料而使用，乳化沥青在道路工程中担负着重 大的作用。欧美在冷补沥青混合料的关键技术乳化沥青上也已取得了许多成果， 并取得了多项专利。发展的方向有以下几种： ( 1 ) 可以控制破乳时间的乳化沥青。它于1 9 7 0 年开发，至今已有5 0 0 0 万m ： 以上的工程实例。调整破乳速度的方法，一般为制造厂家的专利，最常用的方法 是在喷洒乳液的时候同时喷洒破乳剂，这也是最简便的方法。破乳时间可以调节 在2 0 3 0 r a i n 至数小时，可在很短的时间内，形成不含水高粘附性的结合料。它在 对表面进行处治时可以用时很短，并能在雨中或霜中对道路进行养护，在夏季气 候变化的情况下也可按预定计划实施。因此，可以大大延长路面表面处治的施工 季节。在法国有这样的实例，一般情况必须立即着手进行5 表面处治修补的路面， 由于使用了可以控制破乳时间的乳化沥青进行表面处治工程，可使很多工程在恶 劣的气候状态下也可进行。 ( 2 ) 掺聚合物的乳化沥青。掺加聚合物的改性乳化沥青是2 0 世纪8 0 年代初开 始工业化生产的。它与其它乳化沥青相比具有以下优点：由于带有活性物质，具 有很好的粘结性，与热沥青相比较不受气候的影响；由于溶剂的用量比例很少可 以很快的固化得到很强的粘结力；与稀释沥青相比，它可将骨料充分裹覆，而且 粘度低喷洒容易。实际证明使用s b s 改性乳化沥青制成质量很高的表面处治，即 便在重交通道路上也可以使用。 ( 3 ) 精制乳化沥青。在制造乳液时，高的界面张力是制备细微粒乳液的最大障 碍。沥青的操作温度较高，如在酸性状态时往沥青中加入低分子多胺，那么沥青 中将形成稳定的界面活性剂。由于这种界面活性剂的存在，使沥青与酸性溶液的 界面张力显著下降。当p h 值接近于2 时，界面张力几乎是零，这样处理的沥青制 造乳化沥青时形成微小颗粒，也就是说一般乳化沥青微粒直径的中间值为3 。5 微 米，而精制乳化沥青的中间值为l 。2 微米，微细粒径和单一的粒径将有助于乳化 沥青的贮存稳定性和与骨料的粘结性。另外，骨料上沥青膜很薄，可节省沥青用 量，从而大大提高其实用性。 ( 4 ) 高浓度乳化沥青。在道路上使用的乳化沥青最初是沥青含量5 0 的阴离子 乳化沥青，渐渐制作出5 5 。6 0 的乳化沥青，而阳离子乳化沥青可制成6 5 甚至 6 9 的沥青含量乳液。最近，法国已经开发了沥青含量浓度为7 2 。8 0 的乳液， 是属于水包油形的阳离子乳化沥青1 2 8 1 。 目前，在欧洲有一些较新的发展，其中包括1 9 9 5 年n y n a s a b 公司开始开发 n y n a s s 破裂试剂法、间断级配冷拌沥青混凝土法、填石砂胶方法。 n y n a s 破裂试剂法是指具有一种特殊阴离子掺加剂的一种阳离子慢裂乳液的 破裂。它是一种双层乳液，底层乳液乳化在油中，另外一种溶液乳化在水中，随 后底层溶液通过油态延缓沥青乳液的破裂。 3 间断级配冷拌法是基于o 。0 6 c m 和0 一l c m 间断级配骨料混合料，然后将聚丙 烯晴纤维组织加入干骨料中，加入的标准是0 1 。0 2 ，乳液中还掺加了一种e v a 改进结合料。 相对上面两种方法，填石砂胶法是比较常见的。在英国有大量的试验题目， 在美国也有许多研究，它包括在挖土方中补筑同粒料的集料( 大约2 c m ) ，在里面 浇入包括沥青乳液、水泥、比较均衡的砂子和水的稀浆，这种稀浆比较稀薄，能 够充分灌入通过基层的所有孔隙，由于多用高标号水泥，混合料很快凝固，实际 证明这是一种非常硬的材料。 英国在1 9 9 6 年1 0 月召开了冷补和温补沥青混合料工艺讨论会，会中提出的 论文主要涉及混合料组成、刨槽修复、人行道以及欧洲大陆有关沥青混合料经验 的概述。研究人员g o l a s 介绍了用于永久性修复材料的乳化沥青的研制，认为乳 化沥青混合料的优点远远超出通用的热拌沥青混合料。英国研究人员b a r d o n 介绍 了永久性冷补路面材料的研制并对此进行了确认。此外，m a x w e l l 等人介绍了美 国、南非、澳大利亚和英国利用泡沫沥青和回收再用的沥青做冷补路面材料的发 展历史。他们对冷补沥青混合料采用的结合料主要是乳化沥青，也就是侧重于乳 剂型冷补沥青混合料的研究。英国h e r i o t w a t t 大学用了六年的时间对乳化沥青混 合料进行了系统的研究并对其性能有一定的理解。截至目前已经得出下列结论： 开式粗级配沥青混合料可以导致乳化沥青混合料完全裂解，但它具有很低的劲度 模量和很低的抗疲劳特性，除非采用改性沥青制成的乳化沥青；乳化沥青混合料 的力学性能是由骨料结构控制的，该混合料需要很高的压实能量；细的密级配混 合料可能不会导致结合料乳剂的完全裂解，但这种混合料可能具有相对很高的劲 度模量，该混合料的力学性质是由构成材料的基本结构的沥青砂胶控制的；补筑 这种混合料需要用重型的压实荷载；当使用改性沥青作为结合料时，则用这种混 合料可以获得等值的热补混合料性能。考虑到维修工程的需要，提出了对材料的 新要求： ( 1 ) 材料应用应持续长久且贮藏简便； ( 2 ) 使用现有最佳施工法或轻型设备压实路面； ( 3 ) 材料易于流入角隅和箱形路面的四周； ( 4 ) 能形成和现有垂直边缘的抗老化作用的粘结； ( 5 ) 少量使用时成本效益好； ( 6 ) 在性能上是优良的且能够使其与路面外观匹配； ( 7 ) 旌工人员不需要素质太高即可操作。 日本近年来对常温修补材料也进行了大量的研究工作，日本大有株式会社提 出了常温沥青混合料的试验方法和技术标准。由于目前还几乎没有用于重交通道 路路面面层的冷补沥青混合料，于是提出了研究的目标：能够用于重交通道路路 4 面，动态稳定度d s 达3 0 0 0 次r a m 以上，与热拌沥青混合料相比能耗减少1 0 以 上。据此开发了a e 五种常温式路面： ( 1 ) a 路面是指将高粘度改性沥青为基质的阳粒子系高浓度乳剂作为结合料， 并使用由一定级配范围和一定质量的骨料构成的常温式混合料路面。这种路面可 以用专门的机械进行大规模而迅速的施工，可以早期开放交通。此外，无需进行 铣削即可进行罩面施工。 ( 2 ) b 路面是指使用由高浓度改性乳化沥青和无机固化剂构成的常温式混合 料的排水路面。这种路面不仅具有排水路面的减噪和提高行车安全性的特点，还 具有良好的抗流动性和耐磨耗性。此外，由于混合料能够很容易的生产，所以还 适用于排水路面的小型维修工程。 ( 3 ) c 路面是指使用了改性乳化沥青和低收缩水泥的常温式路面。混合料可 以用专门的拌和机和现有的热拌沥青混合料制造设备生产，并且可以用与热拌沥 青路面相同的施工机械施工。这种路面流动性好。 ( 4 ) d 路面是指使用了改性乳化沥青与二液反应式环氧树脂构成的复合结合 料的路面。这种路面绕曲追踪性和耐流动性好，可以使用与热拌沥青路面相同的 施工机械施工。 ( 5 ) e 路面是指使用聚合物( 环氧树脂) 作为结合料的路面。由于使用树脂 特有的粘性小的结合料，可以使用与热拌沥青路面相同的机械施工，而且耐磨性、 抗流动性好，同时容易实现彩色化】。 目前，英国运输与道路研究所已开发出了永久性冷补路面材料( p c s m ) 将它用 于路面修复和人行道工程。它的优点是具有长期的材料储存时间可减少材料的损 耗，并使材料运送次数减到最少。但它的结构性较热拌混合料低。在英国运输与 道路研究所的试验环道上提取了间隔为4 个月的芯样，进行了弹性劲度、徐变抵 抗、抗车辙性等常规试验并依据面层剖面、面层纹理、抗滑性和透水性对材料在 修复方面的性能做了评价。对于松散材料的试样进行了软化点、针入度、含水率、 空隙率等实验。实验结果是多变的而且表明取得一种符合要求的弹性劲度值的混 合料是困难的。1 9 9 1 年英国颁布了用于修复公路孔洞的规范，该规范不准使用长 期以来使用的可以存储的沥青碎石。它是用软制沥青或液体沥青拌制的，虽然经 过几天或几周后仍可使用，但这种材料的劲性和抗变形能力不如热拌沥青材料。 规范允许使用新研制的永久性冷补路面材料，要求满足刚度模量规范和大于2 。3 年的保证期。 前苏联、美国等较早开展了冷补沥青混合料的研究与应用。前苏联的研究指出 冷补沥青混合料与热拌沥青混合料的根本区别在于，为了保证获得必要的强度、 耐水性、耐热性和耐冻性，在冷补沥青混合料中加入了适当的液体沥青，因此在 矿物材料中应有适量的矿粉含量，沥青越稀释，越应加大矿粉用量。而热补沥青 5 混合料使用的结合料为粘稠沥青；对于用粘稠沥青和液体沥青制备的具有相同初 始强度的两种沥青混合料，采用粘稠沥青混合料时，矿料用量应占矿料总量的0 。5 ；采用液体沥青时，矿粉应占1 2 。同时，用液体沥青制备的混合料中，矿料 的沥青膜比用粘稠沥青制备的沥青混凝土中矿料的沥青膜薄得多。所以，要保证 路面达到耐热性和耐裂性，就需要增加矿粉用量。 美国的s h a r p 计划对路面养护方面做了有史以来最广泛的研究。数百篇的论 文得到发表。这些论文涉及到冷拌临时修补、坑洞修补、冬季修补和相关的课题， 多数论文都提到了在较冷的气候中出现的问题。他们通常对养护混合料的强度做 了测定，但是对于混合料在库存中的老化以及混合料老化前后的工作性却很少研 究，只有很少一些研究探讨了库存中的老化和老化前后的混合料与摊补压实等相 关的特性【2 引。 国外的冷补沥青混合料大多是采用不同规格的稀释沥青或乳化沥青，通过与适 当的矿料级配拌和而成的。采用乳化沥青所配制的冷补沥青混合料一般在5 1 2 以上 的气温时使用，在负温度环境下不能施工作业。 加拿大宁枫公司生产的冷补添加剂，此种冷补添加剂为液体状，带有石油气味， 挥发分约l ，闪点1 7 7 ，沸点1 4 5 0 。3 7 5 0 。用宁枫冷补添加剂生产低温混 合料的工艺是：先将柴油与冷补添加剂在常温下混合，然后再将1 4 0 。1 6 0 的 热沥青倒入柴油与冷补添加剂混溶液体中搅拌均匀，制成冷补沥青混合液。再将 该冷补沥青混合液与矿料拌和成混合料，即可在沥青路面冬季养护工程中修补坑 槽。该低温混合料的主要优点是：适用温度范围广，一般在2 6 以上温度时均可 使用，防水性能很好，在雨雪天气及积水坑槽都可以施工，因而也适用于南方多 雨季节修补坑槽使用。在无覆盖的条件下，可露天存放两年，若将其装入包装袋 中，存放时间会更长，使用前无需再加热或搅拌，可根据实际用量随时取用，剩 余材料可留待以后修补坑槽时备用，不会造成材料的浪费；碾压成型后的路面无 需封闭交通，可立即通车；使用寿命长，可达8 年以上。 对于界面粘接材料的研究，美国的s h a r p 计划也有所研究，关于沥青与集料 界面区的研究结果表明，沥青与集料之间的作用非常复杂，油石界面区的性能对 混合料的力学性能、高温性能和水稳定性有着重要的关系，与低温性能、抗疲劳 性能以及抗老性能也有着一定的关系。而沥青与集料的界面研究应该主要集中在 沥青和集料的界面粘附性问题上，界面粘附强度的提高对于改善沥青混合料的性 能具有重要的意义。 美国s h a p 计划中，对于坑槽处于潮湿或干燥状态下，不同修补材料采用不同 修补工艺时坑槽修补的性能对比。实验表明不论施工气温高低，不论采用临时性 修补工艺还是永久性修补工艺，在坑槽处于干燥状态下进行修补，其寿命为潮湿 状态下坑槽修补的3 。6 倍；而且总体来说，施工气温高比施工气温低的坑槽修补寿 6 命更长( 2 。3 倍) ，采用永久性修补工艺要比临时性修补工艺的坑槽修补寿命更长。 特别是利用热拌沥青混合料，在施工气温较高时采用永久性修补工艺对完全干燥 的坑槽进行修补，其寿命最长。可以说，坑槽清理和干燥( 包括加热) 这步工序 在整个工艺过程中显得最为重要。 总的来说，国外对于冷补沥青混合料和界面粘接材料经过长期的研究、应用， 已有多个成熟的产品，并有多家公司在国内推销其产品，但其技术为国外专利， 产品价格较高，且其各项技术性能也有待进一步提高。 1 2 2 国内研究概况 改革开放近3 0 年，是我国公路历史上交通发展最快，规模最大，最具活力的 时期，我国公路建设得到了迅速的发展，主要干线的高速公路网即将建成，其他 干线公路和县乡公路发展也非常快。交通部资料显示到2 0 0 6 年底，我国高速公路 总数达4 1 万k m ，仅次于美国，继续稳居世界第二。然而，近年来许多公路建成 后，受交通量的迅速增长，车辆大型化，超载严重，行驶渠道化，及沥青材料性 能与路面施工质量等因素影响，早期病害比较普遍，有的甚至比较严重，开通一、 二年后就需要大面积修补。可以预计，随着公路通车里程的增加和使用时间的延 长，今后一个时期，我国公路建设的重点将由建设为主，转为建设与养护并举， 并以养护为主。目前，全国己建成的高级、次高级路面公路里程约占总里程的4 0 ， 其中高级路面突破了1 0 万k m 。在已建成的高速公路中，沥青混凝土路面约占7 5 。 沥青路面因其地质条件适应性强，行车舒适、维护方便等优点被广泛用于高速公 路。 然而，沥青路面最大的缺点就是沥青材料的感温性。多年来沥青路面被大自 然风吹、雨淋、日晒、冻融等灾害损伤着，从而使沥青和矿物粒料不断发生着物 理和化学变化，逐渐降低适应气候变化的能力，再加上车辆猛增，行车数量频繁、 行车负载超重，在重负荷反复碾压下，使局部承受强度低的路面易引起开裂和破 坏，随着路面的透水使基层甚至路基变软，出现坑洼和坑槽，致使行车速度下降， 损坏车轴，增加油耗和磨损，使高速路变为低速路，甚至造成交通中断事故频出， 严重地影响着交通安全。此外，坑槽引起行车颠簸、振动产生的冲击荷载是正常 荷载的1 5 。2 o 倍，在冲击荷载的作用下，松散、坑槽很快连成一片，致使局部路 段大面积损坏，影响道路使用寿命及车辆行驶。因此，应尽早对路面产生的坑槽 进行修补，做好路面的早期养护，延长道路使用寿命。而过去多用热拌沥青混合 料进行坑槽修补，即浪费能源，又污染环境、工序复杂，且热拌沥青混合料受温 度影响较大，只能在5 。1 0 月之间进行路面修补。在寒冷地区，每年1 1 月至次年4 月不能进行施工，这就导致在冬季沥青路面出现的松散，坑槽等病害不能得到及 时处理，积雪融化后化成的雪水将沿着路表面的裂缝不断渗入路基，会导致路基 7 翻浆等更为严重的病害。 我国冻土地区冬季寒冷漫长，致使沥青路面养护时间短，可以说是季节性养 护，特别是春冬季油路出现坑槽，大部分没有办法处理，即使处理也不彻底。因 此为了解决在北方寒冷季节及时迅速地修补沥青路面坑槽病害这一问题，一种新 型材料冷补沥青混合料应运而生。所谓的冷补沥青混合料是指由沥青、级配 矿料、溶剂( 有时还掺加某种添加剂) 按照一定的配合比拌和而成的材料【55 1 。 过去国内对这种沥青混合料没有进行过专门研究。然而早在2 0 世纪3 0 。4 0 年 代，一些国家就已经开展了研究和应用，如前苏联、美国等。近年，国外一些材 料供应商纷纷打入中国市场，大力推销冷补沥青混合料，其中有美国、加拿大、 英国、日本等。由于国外进口的冷补沥青混合料价格十分昂贵，有的推销商的供 货价格是热拌料价格的1 5 。2 0 倍，实际上限制了冷补料的应用。因此，国内积极 开展冷材料的研究和生产是非常必要的。 在国内，对冷补沥青混合料的开发比较晚，大约在2 0 世纪9 0 年代初国内才 逐渐着手开发冷补沥青混合料。近几年来国内一些专家学者及有关部门先后研制 出了多种冷补产品，并已成功运用于工程实践中，大大提高了沥青路面的路况水 平，取得了显著的经济和社会效益，也积累了很多实际经验，但该技术还有待于 进一步完善。 2 0 世纪9 0 年代初东北林业大学研制的低温冷补沥青混合料主要分为两种，一 种是在沥青中掺加煤油；另一种是掺加柴油和油脚，该油脚是一种包含磷等多种 元素的油类物质，在沥青混合料中起到隔离和润滑的作用。该校在大量室内试验 的基础上，于1 9 9 4 年补筑了试验路，同时与乳剂型常温沥青混合料进行了对比分 析。经过两年观察，冷补沥青混合料未见脱落和松散现象，也没有裂缝出现，路 用性能良好，但因含油量大或有部分混合料拌合不均匀，而有轻微拥包及泛油现 象，但经过一段时间通车后，泛油现象基本消失。 山西省公路管理局从1 9 9 4 年开始研究和推广应用冷补沥青混合料冬季修补坑 槽的技术。1 9 9 6 年冬季分别在太长线、1 0 8 国道、3 0 7 线寿阳路段以及交通量较大 的太旧高速公路上进行了推广试用。经过半年的观测表明，其使用效果良好。太 原公路分局中心试验室从1 9 9 4 年开始研究和推广应用低温沥青混合料冬季补槽的 技术。该技术可以应用在冬季一5 c 以下，用袋装混合料修补坑槽，效果良好。1 9 9 6 年冬季成功地在3 0 7 线姚村进行了3 0 0 多m 2 的桥面补装，并在太旧高速公路、东 山过境高速公路以及运城、阳泉、吕梁公路分局等沥青路面上得到应用。 从1 9 9 6 年1 2 月起，吉林省公路管理局开始研制低温混合料，并在2 5 气温 条件下，应用该材料对国道1 0 2 线路面破损进行了修复。一年多的应用证明低温 沥青混合料用于冬季沥青路面的养护是完全可行的。自1 9 9 7 年起，该技术作为吉 林省公路养护管理行业重点新技术在全省推广应用。截止到2 0 0 1 年，利用该技术 8 己累计修补沥青路面超过5 0 0 0m 2 ，极大地提高了沥青路面路况水平，取得了较大 的经济效益和社会效益。 河北省河间市交通局公路管理站研制的低温混合料配方为：在沥青中掺加 r m 5 5 号溶剂1 5 。2 0 ，在沥青与溶剂油混合液中，再掺加植物油添加剂3 一8 ， 混合料中沥青用量为3 一5 5 。低温混合料的制备程序为：在1 2 0 1 0 0 号沥青中 加入溶剂，按气温高低，加入适量的添加剂；将混合料拌和均匀至不见花白为止； 待混合料温度降至常温可装袋贮存备用，也可直接上路使用。 辽宁省北镇市公路段研制的低温混合料配方为：在沥青中掺加2 0 号轻油作为 溶剂油，用量为1 5 。2 0 ，在沥青与溶剂油混合液中，再参加t z l 号植物油添 加剂，混合料中沥青用量为6 左右。在多年的养护工程实践中，该低温混合料也 取得了良好的效果。 北京交科新材料技术公司，依托于交通部科学研究院的资源优势，与美国、 日本等发达国家的多家研究机构和材料生产商合作，推出了交科冷补沥青材料。 合肥市路桥公司养护分公司根据目前养护市场的需求，引进美国科氏公司技 术生产了“恒塔”牌道路冷补沥青混合料，它是一种高科技储存式冷补沥青混合料， 适用于修补各种不同类型的道路面层，具有操作简便、存放长久、修补质量好、 利于环保、价格适中等特点，尤其适用于冬季、雨季养护。 1 9 9 7 年长安大学张秀华老师等研制出h u l 冷补沥青混合料。h u l 冷补添加 剂为棕色油状、有粘性感、略带有刺激性气味的粘稠液体，此添加剂还易挥发， 所以要密封保存。对重交通道路沥青和中轻交通道路沥青经此添加剂改性后，均 可用来生产冷补料。此混合料成形慢，在碾压成型与初期交通荷载作用工程中要 经过一个变形阶段，在此变形阶段中，不断完善与1 日路面周边各坑槽底部的粘结 最终形成一个整体，在此阶段路面虽有发软感觉，但不粘铁锨，不粘鞋底，不粘 车轮，不会出现车辙。此混合料属环保型材料，施工时不会污染环境，不会损害 施工人员的健康，基本不受天气影响，施工过程简单，大大降低施工成本 2 s 】。 同济大学吕伟民老师等曾对冷补沥青混合料强度形成机理做过比较系统的理 论分析，指出冷补沥青混合料本质上是以沥青为介质的粘结体系，其粘结力主要 来源于沥青的分子作用，在充分湿润的情况下，沥青分子的稠密程度是决定粘结 力大小的主要因素。另外，升温和施加压力都有利于沥青分子热布朗运动的加强， 粘结温度越高，时间越长，压力越大，扩散作用越强，因扩散作用导致的粘结力 就越大。所以，冷补沥青混合料的性能与沥青密切相关。同时根据大量的室内试 验数据，指出：冷补沥青混合料的性能主要与沥青粘度、矿粉用量、沥青膜厚度、 沥青品种等因素有关。矿粉用量不宜过小或过大，以免损害压实性能，其用量应 控制在1 0 。1 5 的范围内；而最佳油膜厚度应控制在4 5 6 5 范围内；由于沥 青材料本身的局限性，有必要采用改性沥青p 引。 9 2 0 0 4 年四川公路科技实业有限责任公司研制了l b 冷补沥青混合料，此混合料 属溶剂型冷补沥青混合料，l b 冷补沥青混合料主要组成材料为集料、矿粉、基质 沥青、有机溶剂、还原剂以及外加剂( 含改性剂) 。l b 沥青根据用途的不同可选 不同标号的基质沥青进行制备，相应制备的l b 沥青分为l b g ( 高速公路用) ， l b ( 非低温地区一般公路用) ，l b d ( 低温地区一般公路用) 三种系列。l b 沥青 中的添加剂是一种化工复配材料，其作用主要是促使l b 沥青中溶剂的挥发，在溶 剂逐渐挥发后，原基质沥青的物理性质得到还原或提高。 在国内，对坑槽界面粘接材料的开发也比较晚。国内学者赵一哲进行坑槽壁 洒布粘层油后的力学影响分析，建立力学模型。沥青路面坑洞破损部分用破碎机 或铣刨机开槽成型后，在坑槽壁面和底面上可以看到裸露的石料断面，光光的、 没有粘结沥青。若这时直接填入修补材料，因坑槽壁面和底面石料缺少粘接剂， 会使新旧料接缝处油石比偏低、粘附性不强。所以，在摊铺修补材料前，应先向 坑槽壁面和底面上薄薄地、均匀地喷涂一层粘接材料，来浸润坑槽内表面裸露出 的石料。为了对比分析撒和不撤粘层油以及粘油层模量对槽壁最大剪应力的影响， 研究者利用有限元软件计算分析，为用粘接层材料提供依据。 东南大学陈荣生教授分析计算了介于表面层与中面层之间的薄膜型粘层的力 学特征。分析表明增加面层模量，剪应力减少：随着粘层位置的加深，剪应力也 是递减的：增强层间连续接触，剪应力亦减少。结果较合理，为确定粒层材料剪 切强度的技术标准提供了一定的理论依据【l 引。 但由于国内对沥青路面坑槽修补材料的研究时间不长，虽然取得了一些成果， 但从国内外有关文献报到所研制的冷补沥青混合料的主要技术性能来看( 见表 1 1 ) ，国内外研制的冷补沥青混合料普遍存在初始强度低、强度增长慢、温度敏感 性大等问题，特别是初始强度太低、加上冷补沥青混合料的强度增长较慢( 需要 等到冷补沥青混合料中的溶剂完全挥发后才能达到较高的强度，一般需要较长的 时间，因而难以满足高等级路面修补的要求；同时，国内对冷补沥青混合料性能 评价方法和评价指标的研究仍缺乏系统性，目前尚未列入规范，对界面粘接材料 的高效性，有待进一步深入研究。 虽然目前国内坑槽修补材料品种比较多，但对冷补沥青混合料路用性能研究 并不系统，对于如何评价冷补沥青混合料路用性能的试验方法及指标并没有相应 的规范，而且国内冷补沥青混合料技术相对国外同类产品还不够成熟，对于界面 粘接材料缺乏系统的高效性分析。针对这两个问题，本课题组通过大量的混合料 路用性能试验，提出评价冷补沥青混合料路用性能的试验方法及指标。同时进行 稀释剂和改性剂选择，通过配合比设计研究，配制一种新型冷补沥青混合料，同 时确定了以环氧改性沥青、环氧煤焦油改性沥青作为沥青路面坑槽界面处理的新 型、高效的界面粘接材料的最优配方，以及相应的技术性能研究。 1 0 表1 1国内外研制的冷补沥青混合料的主要技术性能 初始强度( 马歇浸水残留路面成型后 编号研制单位 尔稳定度k n )稳定度强度 l2 4 07 2 3 同济大学与上海市政管理处 25 5 39 5 4 7 2 8l ( n 同济大学 34 9 01 0 1 2 5 7 4k n 同济大学 4 2 5 7 0 5 0k n太原市政工程公司 51 8 39 5 6 日本百和道补料 61 9 88 6 5 台湾固沥土 1 3 本课题的研究思路内容 在研究工作中，课题组主要进行如下研究工作： ( 1 ) 沥青改性剂的研究 通过查阅大量文献资料及室内试验，选择、确定了改性沥青用主改性剂品种和 规格。 ( 2 ) 冷补沥青添加剂的研制 在确定了冷补添加剂用主改性剂品种和规格后，通过大量的试验确定了冷补添 加剂其它组成成分的品种、规格及用量，确定了冷补沥青添加剂的配方，配制了 冷补沥青混合料用冷补沥青添加剂。 ( 3 ) 冷补沥青混合料的配制和性能研究 课题组研制的冷补沥青添加剂与稀释剂、沥青、矿料等混合配制了适应于不 同气候条件下使用、不同矿料级配规格的各种冷补沥青混合料，并对拌和工艺及 冷补沥青混合料的初始强度、抗水性、疏松性及压实性、贮存稳定性、路面成型 后的马歇尔稳定度、动稳定度、低温抗裂性等各项技术性能进行了研究。 ( 4 ) 沥青路面坑槽界面粘接材料研究 确定以s b s 改性沥青为主的、经济型沥青路面坑槽界面粘接材料的最优配方； 确定以环氧改性沥青、环氧煤焦油改性沥青作为沥青路面坑槽界面处理的新型、 高效的界面粘接