马全红　 邢雪婷　 许雪松　 周丽君　 冯小含

(1东南大学化学化工学院, 南京 211189)(2南京市路桥工程总公司, 南京 210046)

冷补沥青混合料的制备及其性能分析

马全红1邢雪婷1许雪松2周丽君1冯小含1

(1东南大学化学化工学院, 南京 211189)(2南京市路桥工程总公司, 南京 210046)

摘要:为提供一种全天候路面坑槽修补材料,采用多种矿质黏土和3种稀释剂制备冷补沥青混合料.通过标准马歇尔试验、浸水马歇尔试验、低温和易性试验、冻融劈裂试验和车辙试验等室内试验,系统地研究了冷补沥青混合料的路用性能.结果表明,稀释剂对冷补沥青混合料的马歇尔强度和低温和易性具有一定影响.加入重油可以提高混合料的马歇尔强度,但是重油的加入量过多则会影响混合料的低温和易性,因此,将柴油-重油作为最佳稀释剂.矿质黏土制备的冷补沥青混合料路用性能良好,马歇尔强度不小于4.43 kN,残留稳定度不小于85%,冻融劈裂强度比大于80%,动稳定度大于907.781次/mm.矿质黏土改性沥青的过程仅为物理混合过程,加入矿质黏土后沥青表面呈现不规则波状结构.

关键词:冷补沥青混合料;矿质黏土;凹凸棒土;膨润土

冷补沥青混合料是一种全天候路面坑槽修补材料,不受低温、雨雪等天气的影响,一旦发现路面病害,随时都能进行修补[1].冷补沥青混合料实质上是由改性沥青、稀释剂和一定级配的集料拌和而成的[2].目前,国内外研究者们已采用树脂、橡胶等对沥青进行了改性,从而提高了沥青的路用性能,但这些方法也存在一定的局限性.矿质黏土因其低廉的价格和良好的路用性能成为一种新型的沥青改性剂,在近几年来得到了广泛的应用[3-4].本文采用不同种类的矿质黏土和稀释剂制备了冷补沥青混合料,并对其路用性能进行了比较,研究了矿质黏土改性沥青的机理.

1原材料

1.1沥青

本试验采用江苏宝利沥青股份有限公司提供的70#普通沥青,其主要性能见表1,符合《公路沥青路面施工技术规范》[5]的要求.

表1　70#普通沥青的技术性能

1.2矿料

本试验采用玄武岩碎石,混合料级配采用LB-13级配(见表2),填料采用石灰石矿粉.

1.3稀释剂

稀释剂的主要作用是稀释沥青,暂时降低沥青的黏度.通常选择柴油、煤油、汽油、航空煤油和植物油中的1种或2种作为稀释剂[6].本试验中采用了3种稀释剂,分别为柴油-植物油、重油、柴油-重油.稀释剂黏度见表3.

2试验方法

2.1冷补沥青混合料的制备

将基质沥青加热到120～130 ℃,加入矿质黏土对沥青进行改性,搅拌20min,待温度降到100 ℃时加入稀释剂,搅拌均匀,保温待用.将矿料加热到110 ℃后,于105 ℃下与改性沥青拌和均匀,冷却后装袋备用.

取1/4根白萝卜、1/4白萝卜叶、1/2根胡萝卜、1/4根大牛蒡、1枚香菇。将蔬菜连皮切成大块，放在锅里，加入菜量3倍的水，先用武火煮沸以后，改为用小火煮1 h。熬煮好以前，不要掀开锅盖，煮好后，装入玻璃瓶，即可饮用。冷却后，可放入冰箱保存，以3天内喝完为好。

表2　LB-13型混合料质量百分数　%

表3　稀释剂的运动黏度　mm2/s

2.2冷补沥青混合料的性能测试

2.2.1标准马歇尔试验

称取混合料1 180g,常温条件下装入试模中,双面各击实50次;然后,连同试模一起侧面竖立置于110 ℃烘箱中养生24h,取出后双面击实25次,连同试模一起在室温中竖立放置24h;脱模后在60 ℃水槽中养生30min,进行马歇尔强度测试[5].

2.2.2低温和易性试验

低温和易性是冷补沥青混合料的一个重要特征.如果冷补沥青混合料在修补时容易进行铲、挖、刮平和压实等操作,说明其和易性好;否则,视为和易性差.

取己拌和的冷补沥青混合料2kg置于托盘中,使其处于松散状态,并且厚度不超过50mm.然后,将托盘放入-10 ℃的冰箱中,冷冻24h.取出后用铁铲将其拌和,同时观察混合料的性状[5].若能够进行拌和并且混合料没有结块现象,则说明冷补沥青混合料具有较好的低温和易性,可以在冬季寒冷的环境下使用.根据冷冻之后的冷补沥青混合料恢复室温后的拌和情况,将冷补沥青混合料划分为5个等级:① 混合料大部分结团,无法用铁铲进行拌和;② 混合料结团较多,不能轻易将结团混合料散开,拌和时较为困难;③ 混合料有较多小块结团,用铁铲拍打之后可松散开;④ 混合料有少量结团,用铁铲拍打之后很容易松散开;⑤ 混合料颗粒间界面分明,无结团现象.

2.2.3水稳定性试验

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验进行水稳定性检测,根据残留稳定度和冻融劈裂强度比进行定量评价.

浸水马歇尔试验试件成型方法与标准马歇尔试验试件成型方法一致.成型后的马歇尔试件在60 ℃水中保温48h,测试其马歇尔强度,该稳定度与未浸水试件马歇尔强度的比值即为残留稳定度[7].

在冻融劈裂试验中,称取1 250g冷补沥青混合料,于常温下装入马歇尔试模,双面各击实50次,试件高度为(63.5±1.3)mm.然后,将试模竖立放置于110 ℃烘箱中养生24h后取出,双面各击实25次,室温放置24h后脱模.将试件分成2组:第1组试件置于室温下保存备用;第2组试件按标准饱水试验方法真空饱水,然后取出试件放入塑料袋中,加入10mL水,扎紧袋口,放入恒温冰箱(冷冻温度为-18 ℃)保持16h,试件取出后立即放入40 ℃恒温水浴箱中,撤去塑料袋,保温24h.最后,将2组试件同时放入25 ℃恒温水浴箱中2h,取出后立即进行劈裂试验.试验中对水浴温度进行了修正,采用40 ℃水浴温度作为冻融劈裂试验的试验温度.这是因为40 ℃水浴温度既能反映冷补沥青混合料产生水损害时的环境温度,又能解决由于稀释剂的存在冷补沥青混合料在水浴温度太高的情况下出现松散垮塌的问题,保证试验的顺利进行[8].

2.2.4高温稳定性试验

采用车辙试验进行高温稳定性评价.车辙试验所使用的试件尺寸为300mm×300mm×50mm,试验轮行走速度为42次/min.将拌和好的混合料在轮碾机上碾压4个往返,然后放入110 ℃烘箱中养生24h,取出后再次于轮碾机上碾压8个往返,室温养生一段时间后,于试验温度40 ℃、轮压(0.7±0.05)MPa的条件下进行试验[8].

3结果与讨论

3.1马歇尔强度

在标准马歇尔试验中,每组试验制作6个试件.试验结果见表4.

表4　不同矿质黏土制备的冷补沥青混合料马歇尔强度　kN

由表4可以看出,采用柴油-重油作为稀释剂、利用矿质黏土制备的冷补沥青混合料马歇尔强度不小于4.43kN.矿土类型对冷补沥青混合料的马歇尔强度具有一定影响,不同矿土的冷补沥青混合料在3种稀释剂情况下的表现趋势基本相同.稀释剂种类对冷补沥青混合料的马歇尔强度影响比较大,改性剂相同的情况下马歇尔强度主要取决于稀释剂的种类,即稀释剂为重油的混合料马歇尔强度大于稀释剂为柴油-重油和稀释剂为柴油-植物油的混合料的马歇尔强度,究其原因在于,重油和沥青都是从石油中提炼出的同系列产品,两者具有很多相似之处,重油稀释后的沥青均匀稳定,是良好的沥青稀释剂[9].按相同方法进行市售产品的标准马歇尔试验,其马歇尔强度为4.06kN,低于采用重油和柴油-重油为稀释剂时制备的冷补沥青混合料.

3.2低温和易性

自制冷补沥青混合料的低温和易性试验结果见表5.由表可知,冷补沥青混合料的低温和易性主要取决于稀释剂的种类,稀释剂为重油的冷补沥青混合料的低温和易性较差,低温和易性等级为3.稀释剂为柴油-重油和柴油-植物油的冷补沥青混合料的低温和易性较好,其低温和易性等级为4.按相同方法进行市售产品的低温和易性试验,所得的低温和易性等级也为4.

表5　不同矿质黏土制备的冷补沥青混合料低温和易性等级表

由此可知,重油作为稀释剂会降低冷补沥青混合料的低温和易性.究其原因在于,重油的平均分子量远大于柴油和植物油,冷补沥青混合料的内摩擦阻力和黏聚力值均较大,因此重油不能很好地降低沥青的黏度,以重油为稀释剂的冷补沥青混合料的低温和易性等级最低.植物油的平均分子量最小,加入植物油可以起到一定的润滑作用,但是会降低沥青的初期黏度,使冷补沥青混合料的内摩擦阻力和黏聚力值减小,因此,以柴油-植物油为稀释剂的冷补沥青混合料的马歇尔强度最低.综上可知,加入重油可以提高混合料的马歇尔强度,但是重油的加入量过多则会影响混合料的低温和易性.因此,本试验选用柴油-重油为稀释剂.

根据标准马歇尔试验以及低温和易性试验结果,并出于成本考虑,选用钠膨润土和中黏凹土制备的冷补沥青混合料进行后续路面性能试验.

3.3水稳定性

浸水马歇尔试验中,每组制作6个试件,试验结果见表6.由表可知,市售产品的残留稳定度最高,钠膨润土冷补沥青混合料的残留稳定度比中黏凹土冷补沥青混合料低,钠膨润土冷补沥青混合料和中黏凹土冷补沥青混合料的残留稳定度不小于85%,满足残留稳定度大于75%的要求.

表6　浸水马歇尔试验结果

冻融劈裂试验结果见表7. 由表可知,钠膨润土冷补沥青混合料的冻融劈裂强度比最高,与市售产品的冻融劈裂强度比接近,且钠膨润土冷补沥青混合料和中黏凹土冷补沥青混合料的冻融劈裂强度比大于80%,满足冻融劈裂强度比大于70%的要求,在使用过程中,具有抵抗雨雪冻融的能力.

表7　冻融劈裂试验结果

综合浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果可以看出,钠膨润土冷补沥青混合料和中黏凹土冷补沥青混合料的水稳定性良好,符合规定要求.

3.4车辙试验

车辙试验结果见表8.市售产品养生期T=7和30d,最大变形量超过25mm,无法测出动稳定度.由表8可知,钠膨润土冷补沥青混合料在T=7和30d时的动稳定度均比中黏凹土冷补沥青混合料低.T=30d时的动稳定度明显大于T=7d时的动稳定度,这是因为随着养生时间的延长,稀释剂不断挥发,冷补沥青混合料的强度不断增大,最终达到甚至超过热拌沥青混合料的强度[10].钠膨润土冷补沥青混合料和中黏凹土冷补沥青混合料在T=30d时的动稳定度值大于907.781次/mm,大于热拌沥青混合料车辙试验800次/mm的规定.

表8　冷补沥青混合料的动稳定度　次/mm

4微观分析

4.1傅里叶红外光谱分析

采用Nicolet5700傅里叶红外光谱仪研究矿质黏土改性沥青中改性剂与沥青的相互作用.通过基质沥青、矿质黏土、矿质黏土改性沥青的红外光谱图,判断改性前后沥青与矿质黏土是否发生化学变化[11].图1为矿质黏土改性沥青红外图.由图可知,矿质黏土改性沥青与基质沥青图谱具有相同的振动吸收峰,红外光谱中没有新的吸热峰产生,唯一区别在于膨润土改性沥青中Si—O伸缩振动吸收带的峰出现在1 052cm-1处,凹凸棒土改性沥青中Si—O伸缩振动吸收带的峰出现在1 042cm-1处,分别接近膨润土和凹凸棒土的Si—O伸缩振动吸收带位置.由此可以认为,矿质黏土加入到沥青中并没有出现复杂的化学反应,没有产生新的官能团,属物理改性过程.

(a) 凹凸棒土改性沥青

(b) 膨润土改性沥青

4.2扫描电镜分析

采用XL30环境扫描式电子显微镜研究矿质黏土、基质沥青和矿质黏土改性沥青的微观结构.膨润土和凹凸棒土的微观结构均为多孔层状结构(见图2(a)和 (b)).基质沥青的表观形貌较为平整(见图2(c)),加入矿质黏土之后可以观察到显著的不规则波状结构(见图2(d)和(e)),矿质黏土均匀分布在沥青中,界面未出现任何剥离,说明矿质黏土加入到沥青中可以显著提高界面的黏结性,增加沥青的比表面积.此外,膨润土改性沥青和凹凸棒土改性沥青的微观结构无明显区别,均呈现不规则波状结构[12].

5结论

1) 矿质黏土类型对冷补沥青混合料的马歇尔强度有一定的影响,但影响不大;稀释剂对冷补沥青混合料的马歇尔强度具有很大的影响,稀释剂为重油时制备的冷补沥青混合料的马歇尔强度明显大于稀释剂为柴油-重油和柴油-植物油的冷补沥青混合料.

2) 低温和易性主要取决于冷补沥青混合料的稀释剂,加入重油可提高冷补沥青混合料的马歇尔强度,但重油加入的量太多则会影响混合料的低温和易性.因此,建议使用柴油-重油作为稀释剂.

(a) 膨润土

(b) 凹凸棒土

3) 由微观结构分析可知,矿质黏土加入到沥青中并没有发生复杂的化学反应,属物理改性.加入矿质黏土之后可以观察到沥青界面呈现波状结构,矿质黏土均匀分散在沥青中,与沥青具有较好相容性,界面未出现任何剥离.

参考文献 (References)

[1]李峰,黄颂昌,徐剑,等.冷补沥青混合料组成设计研究[J].武汉理工大学学报,2010,32(14):79-82.

LiFeng,HuangSongchang,XuJian,etal.Studyoncompositiondesignofcoldfillasphaltmixture[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(14): 79-82. (inChinese)

[2]曾欣铨.柴油型冷补沥青混合料成型特性研究[J].建材世界,2013,34(3):24-27.

ZengXinquan.Researchondieselcoldpatchasphaltmixedmaterial[J]. The World of Building Materials, 2013, 34(3): 24-27. (inChinese)

[3]Zare-ShahabadiA,ShokuhfarA,Ebrahimi-NejadS.Preparationandrheologicalcharacterizationofasphaltbindersreinforcedwithlayeredsilicatenanoparticles[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(7): 1239-1244.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2009.12.013.

[4]SongY,CheJ,ZhangY.Theinteractingruleofdiatomiteandasphaltgroups[J]. Petroleum Science and Technology, 2011, 29(3): 254-259.DOI:10.1080/10916460902882768.

[5]交通部公路科学研究所.JTGF40—2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6]胡丹.沥青路面坑槽冷补材料研究[D].长沙:长沙理工大学道路与铁道工程学院,2008.

[7]交通运输部公路科学研究院.JTGE20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[8]韩继国,王选仓,时成林,等.寒区冷补沥青混合料路用性能评价指标及试验检测方法研究[J].公路,2008(5):23-28.

HanJiguo,WangXuanchang,ShiChenglin,etal.Astudyontestmeasurementmethodandevaluationindexforcold-patchbituminousmixtureincoldregion[J]. Highway, 2008(5): 23-28.(inChinese)

[9]刘凤山.一种冷补沥青改性液及其生产方法:中国,102702761[P].2012-10-03.

[10]丁占锋,盛赛华,黄国威.溶剂型冷补沥青混合料强度形成规律研究[J].公路,2014(4):221-224.

DingZhanfeng,ShengSaihua,HuangGuowei.Studyontheformationlawofthestrengthofthesolventbasedcoldrepairasphaltmixture[J]. Highway, 2014(4): 221-224. (inChinese)

[11]CongP,ChenS,ChenH.Effectsofdiatomiteonthepropertiesofasphaltbinder[J]. Construction and Building Materials, 2012, 30: 495-499.DOI:10.1016/j.conbuildmat.2011.11.011.

[12]ZhangJ,WangJ,WuY,etal.Investigationonthermo-rheologicalpropertiesandstabilityofSBRmodifiedasphaltscontainingpalygorskiteclay[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 113(4): 2524-2535.DOI:10.1002/app.30223.

Preparationandpropertyanalysisofcoldpatchasphaltmixture

MaQuanhong1XingXueting1XuXuesong2ZhouLijun1FengXiaohan1

(1SchoolofChemistryandChemicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing211189,China) (2NanjingRoadandBridgeEngineeringCompany,Nanjing210046,China)

Abstract:In order to provide a kind of all-weather pavement road pothole patching material, a variety of mineral clays and three kinds of diluent were used to prepare the cold patch asphalt mixture. The pavement performance of the cold patching asphalt mixture were systematically studied by using laboratory tests such as the standard Marshall test, Marshall immersion test, low temperature workability test, freeze-thaw splitting test, rutting test and so on. The results show that the diluent has a great influence on the Marshall strength and the low temperature workability. The addition of heavy oil can improve the Marshall strength of the cold patch asphalt mixture. However, too much heavy oil affects the low temperature workability of the cold patch asphalt mixture. Therefore, the diesel-heavy oil is adopted to be the optimum diluent. The cold patch asphalt mixture prepared by mineral clays has high road performance with the Marshall stability of not less than 4.43 kN, the residual stability of not less than 85%, the freeze-thaw splitting strength of more than 80%, and the dynamic stability of more than 907.781 times/mm. Mineral clays and asphalt are only physically mixed. After the addition of mineral clays, an irregular wavy structure can be observed.

Key words:cold patch asphalt mixture; mineral clays; palygorskite; bentonite

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.023

收稿日期:2015-12-23.

作者简介:马全红(1968—),女,博士,副教授,mqh@seu.edu.cn.

中图分类号:U414

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0594-05

引用本文: 马全红,邢雪婷,许雪松,等.冷补沥青混合料的制备及其性能分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):594-598.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.023.