（道路与铁道工程专业论文）冷补沥青混合料研究.pdf

摘要 冷拌冷补沥青混合料是国内新兴一种路面坑槽修补材料。冷补沥青混合料具 有不受天气条件限制，随用随补等优点，但是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。针对这一问题，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，并 开发了一种新型冷补沥青混合料。 本文选取国内多种具有代表性的冷补沥青混合料，通过粘附性、初始马歇尔 稳定度、成形马歇尔稳定度、残留稳定度、冻融劈裂和车辙等室内试验，系统研 究了冷补沥青混合料的路用性能，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。 此外通过对稀释剂和改性剂的筛选，开发出一种性能优良的冷补沥青混合 料。通过相应的路用性能试验及试验路的铺筑观测，表明此新型冷补沥青混合料 是一种良好的道路养护材料。 本文还分析了冷补沥青混合料生产工艺、存储方式及施工工艺，并从初期费 用与后期费用两方面对冷补沥青混合料与普通热拌沥青混合料的技术经济效益 进行对比分析。 关键词：冷补沥青混合料路用性能评价标准试验方法 冷补材料开发经济效益施工技术 a b s t r a c t c o l dm i xa n dc o l dp a t c ha s p h a i im i x t u r e ，w h i c hi sn o tr e s t r i c t e db yc l i m a t e a n dw i t hu s ew i t hr c p a ir ，h a sb e e nw i d e l yu s e da si n b o a r dp i tm e n d i n gm a t e r i a i i nt h e r e c e n tf e wy e a r s a sar e s u l to ft h es h o n a g eo fr e l e v a n te v a l u a t i o ng u i d e l i n et o e v a l u a t ec o l dp a t c ha s p h a l tm i x t u r e ，t 1 1 ec o l d p a t c ha s p h a l im i x t u r ep e r f b 册 d i 腩r e n t l yb e c a u s eo ft h es h o n a g eo fr e l e v a n te v a l u a t i o ng u i d e i i n ef o re v a l u a t i n gi t s p a v e m e n tp e r f b n n a n c e ，a n dp e o p l ec a i m o tb e e nm a d et 1 eb e s to f i t sa d v a f l t a g e s a i m a tt h i sp m b l e m ，t l l i sp a p e rf u r t h e rs t u d i e dp a v e m e n tp e 怕n 】1 a n c eo ft h ec o l dp a t c h a s p h a l tm i x t u r e i n 山i sb a s e ，t 1 1 ep a p e re s t a b l i s h e dp a v e m e n tp e r f b f i l l a i l c ee v a l u a t i o n s y s t e mo fc o l dp a t c ha s p h a l tm i x t u r e ，a n dd e v e l o p e dan e 、v s t y l ec o l dp a t c ha s p h a l t m i x t u r e t h i sp a p e rs e l e c t e dm a n yk j n d so fd o m e s t i cc o l dp a t c ha s p h a l tm i x t u r e a c c o r d i n gt om a s s i v em t e r i o re x p e r i m e n t so fc o h e s i v e n e s s ，i i l i t i a lm a r s h a l ls t a b i l i t y ， f o m e dm a r s h a us t a b i l i 吼r e s i d u a is t a b i l i 坝舶e z e t h a wc l e a v a g ea 1 1 d 仃a c k ，t l l ep a p e r s t u d i e s p a v e m e n tp e r f b m a j l c eo fc 0 1 dp a t c ha s p h a l tm i x t u r e ，a i l da i l a l y z e d m e c h a i l i s ma 1 1 da b c t i n gf a c t o r so fi t ss t r e n g t l lf o m l ，a n dp r c s e m e dm em e t h o d so f p a v e m e n tp e r f b 埘l i l c et e s t s ，a tt l es 锄et i i n ep r o p o s e se v a l 吡t i o ns t a l l d a r do ni t s p a v e m e n tp e r f o m l a n c e a c c o r d i n gt ot h j 衄e ra n da d d i t i v e sc h o i c e ，w ed e v e l o p e dan e w s t y l ec o l d p a t c ha s p h a l tm i x t u r e 1 1 l r o u 曲c o r r e s p o n d i n gp a v e m e n tp e r f b n i l a n c ee x p e r i m e n t s a n do b s e i n gt e s t i n gp a v e m e n t ，i n d i c a t et h a tt h es u b j e c td e v e l o p e dn e w t y p ec 0 1 d p a t c ha s p l l a l tm i x t u r ew h i c hi sa 1 1e x c e l l e n tp a v e m e n tm e n d i n gm a t e r i a l t h ep a p e ra l s oa n a l y z e dp r o d u c t i o n ，s t o r a g ea n dc o n s t f u c t i o nt e c h n o l o g y ，a n d c o n 仃a s t e dt h ee c o n o m i ca i l ds o c i a lr e s u l t so fc o l dp a t c ha s p h a l tm i x t u r ew i t h h o t m i xm i x t u r ei ni n j t i a lc o s ta n dl a t e rs t a g ec o s t k e yw o r d s ： c o l dp a t c ha s p h a l tm i x t u r ep a v e m e n tp e r f bn 】_ 1 1 c ee v a l u a t i o n s t a n d a r d e x p e r i m e n t a t j o nm e t h o dd e v e l o p m e n to fc o l dp a t c h m a t e “a l e c o n o m i cr e s u n sc o n s t n l c t i o nt e c m i q u e s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究：亡作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 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。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： b 。0 年窍 v 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名： 糯 妙 沙6 年月厶日 伽年，月，日 第一章绪论 本论文针对目前低温修补沥青路面坑槽所用的一种新型材料，即冷补沥青 混合料，提出了多年冻土地区和季节性冻土地区沥青混凝土路面冷补课题的研 究，明确了这一课题的研究意义。在通过查阅大量国内外文献后掌握了本论文 国内外的发展动态，从而确定了本论文的研究内容和技术路线。 1 1 课题的提出及研究意义 改革开放的2 0 年，是我国历史上公路发展速度最快、规模最大、最具活力 的时期。我国公路建设取得了迅速的发展，公路等级也在不断的提高。公路里 程增加了3 8 5 万公里，高速公路从无到有，1 9 8 8 年上海至嘉定全长1 8 5 千米 的沪嘉高速公路建成通车，我国大陆高速公路实现了零的突破。到1 9 9 9 年末， 我国的高速公路达到1 1 6 0 5 公里，仅次于美国和加拿大，位居世界第三：截至 2 0 0 4 年年底，我国高速公路通车总里程达到了3 4 万公里，比世界第三的加拿 大多出近一倍，位列第二。目前，全国已建成的高级、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l o 万公里。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地能力，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 0 倍n 1 ，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 l o 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。 冷补沥青混合料适用于任何天气和环境，且材料不需加热，使用方便；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；混合料可一次拌好后袋装存贮， 路用时可直接使用，不需要二次加工。综上所述，采用冷补沥青混合料进行修 补，可减少环境污染、改善工人的劳动条件，有良好的社会、经济效益，因此 对其进行研究具有十分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 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。寒冷季节沥青路面的破损若得不到及时的修补，将会很大的影响 路面的使用性能和使用寿命，为解决这个养护修补问题，国内外许多单位都做 过大量的研究工作，提出过很多方法。国内有些部门曾采用沥青混凝土预制块 修补坑槽“1 ，但其使用条件仍有很大的局限性，使用效果也不理想；也有采用 在混合料中掺加聚合物使混合料快速成型的方法；八九十年代，使用稀浆封层 技术，但该技术一般要在5 以上施工。国外也曾研究采用各种填缝材料来预 防和修补坑槽。八十年代以来，国内外对常温沥青混合料和低温冷补沥青混合 料做了很多研究，常温沥青混和料的研究对低温冷补沥青混合料的研究提供了 很大的借鉴和推动作用。 1 2 1 国外研究现状 在国外，前苏联、美国于二、三十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 以后，立即作为表面处治及常温铺路材料而使用，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己取得了许多 成果，并取得了多项专利。发展的方向有以下几种： l 可以控制破乳时问的乳化沥青。它于1 9 7 0 年开发，至今已有5 0 0 0 万m 2 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 分钟至数小时，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旆。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是：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，因为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咪唑型的界面活性剂。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。 5 最新发展。目前，在欧洲有一些较新的发展，其中包括1 9 9 5 年n v i l a s a b 公司开始开发n y n 硒5 破裂试剂法、间断级配冷拌沥青混凝土法、填石砂胶方 法。 n ”硒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。 间断级配冷拌法是基于0 0 6 c m 和o 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长见的。在英国有大量的试验题目， 在美国也有许多研究，它包括在挖土方中铺筑同粒料的集料( 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 月召开了冷铺和温铺沥青混合料工艺讨论会哺，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。 他们对冷铺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 型冷铺沥青混合料的研究。英国h e r i o t w j 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。另一方 面，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。铺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铺混合料性能。考虑到维修工 程的需要，提出了对材料的新要求： 材料应用应持续长久且贮藏简便： 使用现有最佳施工法或轻型设备压实路面； 材料易于流入角隅和箱形路面的四周： 形成和现有垂直边缘的抗老化作用的粘结： 少量使用时成本效益好； 在性能上是一致的能够使其与路面外观匹配： 施工人员不需要素质太高即可操作。 目前，英国运输与道路研究所己开发出了永久性冷铺路面材料( 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问隔为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。研究人员g o k 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 介绍了永久性冷铺路面材料的研制并对此进行了确 认。此外，m a ) 【w e n 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铺路面材料的发展历史。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铺路面材 料，要求满足刚度模量规范和大于2 3 年的保证期。 美国的s h a r p 计划就路面养护方面做了有史以来最广泛的试验和研究。 数百篇的论文发表，涉及冷拌l 临时修补、坑洞修补、冬季修补及相关课题，多 数论文都提到在较冷的气候下道路养护面临的问题。他们通常都对养护混合料 的强度做了测定，但是对混合料在库存中的老化以及混合料老化前后的和易性 却很少研究，只有少部分研究探讨了混合料的库存老化和老化后的混合料与摊 铺压实等相关的特性。 国外的冷铺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铺沥青混合料一般在 5 以上的气温时使用，在负温度环境下不能施工作业。 前苏联、日本及欧美一些国家也研制了许多种能在负温度下旅工的冷补混 合料。前苏联的研究指出 1 ，冷铺沥青混合料与热铺沥青混合料的根本区别在 于，冷铺沥青混合料使用的结合料为稀释沥青，而热铺沥青混合料使用的结合 料为粘稠沥青；拌制冷铺沥青混合料时必须使用一定量的矿粉，沥青越稀释， 越应加大矿粉用量。分别用粘稠沥青和稀释沥青制备的两种沥青混合料具有相 同初始强度( 例如r 2 0 = 3 5 m p a ) ，然而采用粘稠沥青混合料时，矿粉用量应占 矿料总量的o 5 ，而采用稀释沥青混合料时，矿粉用量应占1 2 。 加拿大宁枫公司生产的冷补添加剂b 1 ，此种冷补添加剂为液体状，带有石 油气味，挥发分约1 ，闪点1 7 7 ，沸点1 4 5 3 7 5 。用宁枫冷补添加剂 生产低温混合料的工艺：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，一般在一 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 以一e 。 1 2 2 国内研究现状 在国内，对冷补沥青混合料的开发比较晚，大约在九十年代初国内才逐渐 6 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。 九十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”1 ，一 种是在沥青中掺加煤油：另一种是掺加柴油和油脚，该油脚是一种饱含磷等多 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，与1 9 9 4 年铺筑了试验路，同时与乳剂型常温沥青混合料进行了 对比分析，经过两年后观察，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。应用该技术可以在冬季一1 5 以下用袋装混合料修补坑槽， 效果良好。特别是1 9 9 6 年冬季成功地在3 0 7 线姚村进行了3 0 0 多平方米的桥面 铺装，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，并在一2 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：在沥青中参加 r m 5 5 号溶剂1 5 2 0 ，在沥青与溶剂油混合液中，在掺加植物油添加剂3 8 ，混合料中沥青用量为3 5 5 。低温混合料的制备程序为：在1 2 0 1 0 0 号沥青中加入溶剂油，经胶体磨混合为常温液体沥青；根据贮存时间的 要求和气温高低，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：在沥青中掺加一2 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，用量为混合油的1 0 ，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，其具有操作简便、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 年由长安大学( 原西安公路交通大学) 张秀华老师等研制h u l 冷补 沥青混合料。1 。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 断完善与旧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 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 的不同可选用不同标号的基质沥青( 7 0 # 、1 0 0 # 、1 4 0 # ) 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。 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 理论分析川1 ，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。 1 3 本论文的研究思路及研究内容 虽然目前国内冷补沥青混合料品种比较多，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， 其产品有的注重和易性而忽略强度，或者注重早期强度而忽略了施工和易性。 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，开发出一种新型冷补沥青混合料。 1 31 研究思路 本论文前期通过对几种不同厂家冷补沥青混合料调查分析，查阅相关资料， 同时进行室内对比试验，对冷补沥青混合料的路用性能进行对比选优，选择出 具有一定代表性的几种冷补沥青混合料，通过对这几种冷补材料路用性能试验， 提出适合于评价冷补沥青混合料路用性能的室内试验方法及评价指标。同时根 据冷补沥青混合料自身特点，选择稀释剂和改性剂，自主开发一种新型冷补沥 青混合料。 对所选出的几种材料分别从冷补沥青混合液与集料的粘附性试验：冷补沥 青混合料的初始稳定度试验：冷补沥青混合料经过1 1 0 高温养生时段后的马 9 歇尔稳定度试验；冷补沥青混合料车辙试验；冷补沥青混合料的水稳定性试验 冷补沥青混合料的低温工作度等室内试验进行混合料性能分析。 1 3 2 研究内容 本论文针对冷补沥青混合料进行了一系列研究。首先由于国内对冷补沥青 混合料的各项技术指标和试验方法尚无统一规定，本论文希望通过对冷补沥青 混合料坑槽修补现状、冷补沥青混合料组成结构、特点、形成机理、路用性能 研究及生产、储存、施工工艺、技术经济比较等研究，提出一套评价冷补沥青 混合料路用性能的试验方法和指标。其次本课题组希望对稀释剂和改性剂进行 优选，通过配合比设计研究，自主开发一种性能优良的冷补沥青混合料。具体 研究内容如下： 1 对现行坑槽修补的方法、材料进行对比分析 综合国内坑槽修补方法及修补材料，分析各自的优缺点，阐明每种方法适 用条件。 2 分析冷补沥青混合料的组成结构、特点、强度形成机理 根据沥青混合料结构特点，采用沥青与矿料粘附性理论，分析并研究冷补 沥青混合料组成结构、特点和强度形成机理。 3 冷补沥青混合料的性能研究 主要侧重于对所选的不同厂家冷补沥青混合料的室内试验研究，并提出评 价指标及评价标准。主要试验内容如下： ( 1 ) 冷补沥青混合料与集料粘附性，选择水煮法进行评价： ( 2 ) 冷补沥青混合料初始稳定度试验，采用非标准马歇尔稳定度试验进行 评价： ( 3 ) 冷补沥青混合料成型稳定度试验，采用非标准马歇尔稳定度试验进行 评价； ( 4 ) 冷补沥青混合料水稳定性，选择浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验进行 评价； ( 5 ) 冷补沥青混合料车辙试验评价； ( 6 ) 冷补沥青混合料低温型的低温工作度评价。 o 4 通过大量试验改进冷补沥青混合料性能试验方法、提出评价性能指标 通过室内试验数据和试验现象，结合冷补沥青混合料的自身特点，总结并 提出更适合评价冷补沥青混合料路用性能的试验方法。同时根据试验数据提出 评价冷补沥青混合料路用性能指标。 5 开发新型冷补沥青混合料 选择稀释剂、基质沥青和改性剂，通过室内试验进行配合比设计，开发出 一种路用性能好，生产方便，更为经济的冷补沥青混合料。 6 冷补沥青混合料生产工艺、储存方法和施工工艺 根据冷补沥青混合料自身特点，总结出其生产工艺和储存方法，并提出了 冷补沥青混合料生产时的关键技术。根据室外现场铺筑试验路，观察使用效果， 总结出冷补沥青混合料的施工工艺，同时提出冷补沥青混合料施工时的关键技 术。 7 冷补沥青混合料经济效益和社会效益分析 根据国内目前石料、沥青、改性剂价格，总结出本论文所采用的几种厂家 冷补沥青混合料的价格，同时并分析了冷补沥青混合料社会效益。 第二章沥青路面坑槽修补方法与修补材料对比分析 坑槽是沥青路面常见的病害之一。沥青路面出现坑槽的原因很多，一般来 说，若在沥青路面施工中出现油石比偏小、水稳定性不良、空隙率过大、压实 度不足、矿料含土量多、矿料潮湿、沥青老化、使用酸性矿料未加处理、路面 基层强度不高等现象，在路面的局部就会出现脱粒、麻面等病害，再经过行驶 车辆的不断冲击、碾压，破损面会逐渐加大，最终导致出现大面积的坑槽。在 沥青路面养护维修工作当中，对坑槽的维修工作也最为普遍，而且频率最高、 难度较大。这类破损对沥青路面的使用性能和使用寿命影响也较大。 2 1沥青路面坑槽修补方法 坑槽修补主要是针对坑槽、局部网裂、龟裂等病害的修补和加强，同时还 可对局部沉陷、拥包以及滑移裂缝等病害进行修补。通常沥青路面坑槽修补的 施工工艺为：测定破坏部分的范围和深度，按“圆洞方补”原则，划出大致与 路中心线平行或垂直的挖槽修补轮廓线( 正方形或长方形) 。开槽应开凿到稳定 部分，槽壁要垂直，并将槽底、槽壁清除干净。在干净的槽底、槽壁薄刷一层 粘结沥青，随即填铺备好的沥青混合料；新填补部分应略高于原路面，待行车 压实稳定后保持与原路面相平。而具体的坑槽修补方法较多，常见有热补法、 喷补法、热再生法等三种方式。 1 热补法：其修补工序是首先用破碎工具铲除需补部位的旧路面，然后喷 洒沥青粘结层，填充新的热拌沥青混合料，并摊平、压实。 热拌法，具有修补质量好、耐久性高、修补后的路面可以承受重载交通的 优点，但是热拌法不适用在潮湿、低温的环境下施工。 2 喷补法：这种方法利用高压喷射方式，将乳化沥青经过喷管与输送来的 骨料相混合，通过控制喷管上的乳液、骨料和压缩空气3 个开关，把混合料均 匀、高速地喷洒到坑槽中，达到密实粘结效果，无需碾压，并不需沥青混凝土 拌合厂配合，且不受气候变化影响。 3 热再生法：修补时对破损坑洞不开槽成型，坑洞内的旧料也不清除，其 修补方法是先将高效热辐射加热板放置到待补区域，使得旧沥青路面软化，然 后耙松被软化的沥青旧料，喷洒乳化沥青使旧料现场再生，再喷洒一些粘结料 和补充一些新的热拌沥青混合料，然后就地拌和、摊平、碾压完成修补。这种 方法可对旧料进行现场再生利用，减少了环境污染、资源浪费，降低了维修成 本，进行修补作业时且不受气候变化影响。 但是，此修补方法虽然省去了开槽这一工艺，且将坑洞内的旧料重新利用 起来，但是坑洞内的旧料已老化，失去了其原有的级配和油石比，仅凭经验再 添加一定量的粘结沥青和新料，新旧料的掺配比例不准、拌合不均匀，很难保 证修补材料的性能与质量。虽然经过碾压后坑洞修补表面很平整、坑洞内新旧 料问无明显接缝，但是其压实度得不到保障、材料性能不佳，故采用热再生法 最终获得的坑洞修补质量不一定可靠，耐久性不好。 4 常温修补法：近些年来，国内用一种能够在5 以上气温时全天候使用， 可以储存，便于运输和修补工艺更易于掌握的修补材料常温沥青混合料。 常温混合料是一种以乳化沥青为结合料，预先加热拌和、贮存、常温下使用的 沥青混合料。主要在比较先进的公路上使用的材料。其施工工艺如下： ( 1 ) 在坑槽处放样，确定作业面，用切缝机在坑槽周围切缝，刨出多余的 混合料。如没有切缝机，可用人工刨出规整的作业面。作业面要与路面纵向平 行，槽壁要垂直： ( 2 ) 彻底清扫坑槽，使槽内、槽壁无尘土、杂物； ( 3 ) 为使常温混合料与原路面结合良好，应在坑底槽壁上刷粘层油，粘层 油量一般为( o 3 0 5 ) k g m 1 乳液； ( 4 ) 将常温混合料在坑槽内均匀摊铺整平，松铺系数一般为1 1 1 _ 3 。深 度大于4a i l 的坑槽要分层铺筑压实； ( 5 ) 用振动夯板将混合料夯实。如没有振动夯板，可用6 8 t 压路机压实， 至乳液均匀上浮为止； ( 6 ) 碾压后为防止初期松散，及早通车，可以在作业面上撒适量矿粉或石 屑，以吸收水分，加快混合料成型。 5 低温修补法：此方法是用一种新型的修补材料即冷拌冷补沥青混合料。 此种材料可以在常年冻土地区和季冻地区用来修补坑槽，其特点是不分季节、 气候、可以储存，随用随取。冷补沥青混合料弥补了其它材料不能在低温情况 下修补的缺陷。其施工工艺如下： ( 1 ) 按照坑槽大小，将坑槽刨成两边平行于路中线的外接矩形坑，将坑底 及侧壁清理干净( 也可用切缝机先切缝，再刨出多余部分的混合料) ： ( 2 ) 用汽油喷灯将坑底及侧壁烤干； ( 3 ) 刷粘层油。用刷子蘸热沥青将坑槽底部及侧壁均匀涂刷热沥青( 如无 热沥青，可将沥青块置于槽内用锤子砸碎后，用汽油喷灯烤化) ： ( 4 ) 向坑槽内填入低温混合料，并用耙子整平； ( 5 ) 用压实设备将低温混合料碾压成型，然后即可开放交通。 6 其它方法：除了上述几种坑槽修补方法外，还有一些特殊的或新近发展 的方法。比如采用沥青混合料预制块修补h 1 ，对沥青路面破损处开槽修补的尺 寸应等于预制块的倍数，预制块之间的接缝用填缝料填塞。此种坑槽修补方法 较为简单，修补料的配比较易控制，密实度能得到保证。日本还研究出一种称 为“荒川式斜削施工法”，此法是在返土、压平和补铺沥青混合料前，先将被切 坑槽的边缘，用特制工具切成4 5 度斜坡形，然后再用喷燃器将边缘烧成粗糙形 状，接着再铺压沥青混合料。这样可使新料和旧料紧密吻合在一起，不易出现 裂缝。 2 2 沥青路面坑槽修补材料对比 目前，随着对公路养护技术要求的提高，用于沥青路面坑槽破损的修补材 料也逐渐增多。主要有以下五类：热拌沥青混合料、喷补料、沥青混凝土预制 块、常温乳化沥青混合料、冷拌冷补沥青混合料。 1 热拌沥青混合料 热拌沥青混合料( h m a ) 是经人工筛配的矿质混合料与粘稠沥青在专门设备 中加热拌和而成，并在热态下进行填料和压实的混合料，通称为“热拌热补沥 青混合料”。 热拌沥青混合料是在热铺、热压下进行修补旌工，其修补质量好、耐久性 高，修补后的路面可以承受重载交通，故常被用作坑槽破损的永久性修补材料。 这种材料适合于路面坑槽面积较大，又相对比较集中的情况。同时热拌沥青混 合料技术成熟通过开槽、吹缝、填补、压实等一系列程序，填补材料能与原 路面紧密地结合。 生产修补沥青坑槽热拌沥青混和料的方法有三种：第一种是在沥青混合料 拌和场用拌和机生产出成品混合料，再运到养护现场：第二种是在养护现场使 用小型可移动式拌和机或综合养护车生产出成品沥青混和料；第三种是在养护 现场支锅加热拌和沥青混和料。 第一种方法能够切实保证沥青混合料的质量，但生产成本较高，且不适合 远距离养护作业：第二种方法比较实用，但不可能每个养护道班都配备一台小 型移动式拌和机，且这种机器缺少定型产品，许多是养护部门自行研制的，使 用性能和可靠性很差。使用综合养护车修补坑槽是一种较好的养护工艺，但该 车造价很高，很难在点多面广的公路养护部门全面配备：第三种方法环境污染 与劳动强度较大，沥青混合料的级配及油石比不易严格控制，影响施工质量。 这三种方法还有一个共同的缺点，就是受施工季节影响较大，沥青混合料在气 温较低时不易压实。 2 喷补料 喷补料是将晟大粒径为3 b i n ( 9 5 m m ) 的单一尺寸的矿料与6 0 的乳化沥 青，经专门的喷补设备同步喷射入坑槽中，当矿料喷入坑槽时被同时喷出的乳 化沥青很好的裹覆，而形成的一种无需摊平、碾压的混合料。这种方法形成的 坑槽修补料，是美国的一项专利技术，其较多地用于日常修补和应急修补。喷 补料实质上属于冷拌沥青混合料的一种，只是两者成型的工艺不同。 3 沥青混凝土预制块 沥青混凝土预制块是将良好级配的矿质混合料和粘稠沥青用专门的设备加 热拌和，再将拌好的松散混合料投到钢模中，用压力机将其压实成具有一定压 实度和尺寸规格的板块状修补料。在对破损坑槽进行修补时，必须按照沥青混 凝土预制块尺寸规格的倍数进行放样、开槽、底层补强整平，再将预制块平整 地铺设在坑槽内。此种坑槽修补方法，前期工作较多，开槽的尺寸要求非常严 格，且对不同大小坑槽的适应性较差。 4 常温乳化沥青混合料 常温混合料是相对于热拌沥青混合料而言的，它是将级配矿料与乳化沥青 按照一定的配合比拌和而成的一种材料，一般称之为乳液型常温混合料。常温 混合料可在室温下装袋或入库储存随取使用，和热拌沥青混合料相比，具有以 下4 个优点： ( 1 ) 便于储存、便于运输、施工方便，在5 以上气温时均可使用，大大 延长了沥青路面养护时间： ( 2 ) 沥青混合料油石比可降低o 5 1 个百分点，节省沥青1 0 1 5 ： ( 3 ) 可减少加热沥青的能源消耗，不需用养护工人在施工现场加热沥青、 现场拌和沥青混合料，减轻了养护工人的劳动强度； ( 4 ) 可使养护用沥青混合料的生产实现工厂化，是养护作业方式的根本改 进。 但使用乳化沥青混合料修补坑槽有一个较大的缺点，即初期强度低、成型 慢，不能迅速开放交通，需要较长的时间才能成型，所修补的坑槽容易松散， 难以适应高等级公路的要求，一般只适合轻交通道路使用。同时用乳化沥青配 制的常温沥青混合料不适合长期的储存，大多随拌随用。 若要提高乳化沥青冷补混合料的修补性能，扩大其应用范围，必须给结合 料中添加改性剂，用改性乳化沥青作结合料，拌制高性能的改性乳化沥青混合 料。所谓改性乳化沥青，是指以乳化沥青为基料，以沥青改性剂为外加改性材 料，在一定的工艺流程下，经过掺配、混溶，制备成具有某种特性的改性沥青 混和乳液，该种混和乳液被称为改性乳化沥青。 在我国现已在用的高速公路沥青路面上，多多少少都存在一定深度的车辙。 现在修补车辙一般都采用局部铣刨、重新罩面的方法，成本高、浪费大。而用 改性乳化沥青稀浆封层即可解决这个问题。用改性乳化沥青稀浆混合液修补车 辙，是用装在稀浆封层机上的专用v 型车辙填补摊铺箱进行的。该摊铺箱是经 过特别设计的，能将大部分混合料送到车辙的最深处，其边缘能自动变薄铺开， 可填补深达5 0 衄的车辙，而且十分稳定，不产生塑性变形。这是不用铣刨旧路 面就能解决车辙问题的独特地方，既节约了资金，又提高了生产