沥青路面快速修复用单组分树脂冷补料性能研究

2020-06-18林科杰弥海晨陈华鑫张晓峰

硅酸盐通报 2020年5期

林科杰，弥海晨，向豪，陈华鑫，张晓峰

(1.长安大学材料科学与工程学院，西安 710061；2.西安公路研究院，西安 710065)

0 引言

沥青路面的坑槽破损病害对道路的整体寿命、行车的舒适度以及行车安全性都有不利的影响。当沥青路面出现坑槽病害时必须及时处理，避免出现消极影响[1-3]。

沥青路面坑槽修补的常见方法包括热补法和冷补法。热补法虽然修补质量较高，但它对施工环境、设备要求较高，同时对地点分散、修补工程量小的路面坑槽来说修补较为困难。此外，也存在能耗大、污染重等缺陷[4-6]。冷补法能较好地弥补热补法的不足，但是冷补法所使用的常规冷补沥青混合料仍然存在许多亟待解决的问题[7]，例如：溶剂型和乳化型冷补沥青混合料存在初期强度低、强度增长缓慢以及耐久性差等问题[8-10]。此外，更新颖的反应型冷补沥青混合料，其结合料的组分一般包括基质沥青、稀释剂、热固性树脂，其不足之处在于冷补液制作复杂、储存稳定性差，这限制了反应型冷补沥青混合料的大规模应用[11]。

目前有少数研究者对树脂冷补料进行了研究。树脂冷补料突破了三种常规冷补沥青混合料均需要以沥青作为主要结合料的常规思路。树脂冷补料是以纯树脂或改性树脂作为结合料的沥青路面冷补料，具有初期强度高、与原路面粘结能力强、耐久性好的特点。Hyuk等[12]利用液态硫聚合物(LSP)和环氧树脂的混合物作为结合料研制了一种沥青路面修补材料(LSPA)。与普通沥青混合料相比，LSPA的马歇尔稳定度提高了约2倍；此外，LSPA的高温抗车辙性能优异，且能快速固化减少修复时间。Shimizu等[13]研究了一种新型聚合物水泥砂浆用于修复沥青路面的坑槽，该聚合物水泥砂浆的粘结性以及耐久性能优良，在升温和降温的条件下，其粘结强度和动稳定度相对稳定，用于路面的修补效果较好。邓玉训等[14]研究了集料类型、级配类型以及击实方法和养生条件对高分子树脂冷补料路用性能的影响。结果表明,高分子树脂冷补料稳定度与集料类型关系密切，矿料级配类型对冷补沥青混合料高、低温性能及水稳定性的影响显著。王锐[15]所研制的改性环氧树脂冷补料，初期强度形成速率较快，具有良好的路用性能。目前研究者所使用的树脂结合料大多是双组份的，它不仅对工人的施工水平要求较高，而且会使施工过程更加复杂，从而不利于沥青路面坑槽的快速修补[16]。

本文通过对树脂冷补料的材料组成、膨胀现象、强度形成规律、路用性能指标、界面胶性能以及工程应用进行研究，研制了一种环境敏感度低、初期强度高、寿命长、施工简便同时满足非开挖修补工艺的单组分树脂冷补料。

1 冷补料的材料组成及级配设计

1.1 材料组成

本文所用结合料为单组分树脂。其主要性能见表1。单组分树脂使用简便，无需添加固化剂，在潮湿条件下与空气接触后自然固化交联，生成具有三维立体网状结构的热固性聚合物，其强度高，具有较好的柔性及耐候性。

表1 单组分树脂材料性能Table 1 Properties of single component resin material

选用石灰岩集料和矿粉。集料符合《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)要求，共三档：5～10 mm、3～5 mm、机制砂。

添加剂为聚酯纤维，其可抑制冷补料膨胀并增加冷补料韧性。纤维长度是影响冷补料性能的关键因素，太长其拌和效果不佳，太短其阻裂性能较差，所以本文选用长度为6 mm的聚酯纤维[17]。

冷补料的固化剂为空气中的湿气，实验中采用自来水以水雾的形式喷洒在冷补料中，加速冷补料固化。

1.2 级配设计

通常冷补料宜密实、防水，与原路面接缝处的结合、粘结性能好，在矿料级配选择上，宜选取AC-10型级配进行试验研究，其合成级配结果见表2。

表2 AC-10型冷补料级配设计Table 2 Gradation design of AC-10 cold patch material

2 冷补料各组分最佳掺量的确定

2.1 冷补料膨胀率及马歇尔稳定度测试方法

2.1.1 冷补料膨胀率

由于冷补料中的单组分树脂在固化过程中会产生气体，产生的气体往往不能及时释放出来，因此会导致冷补料产生一定的体积膨胀。为了明确冷补料固化过程中的膨胀情况，试验采用膨胀率α对其膨胀大小进行量化表征。

2.1.2 冷补料膨胀率的测试方法

采用与马歇尔试模相似的自制模具成型试件，如图1所示，其高为60 mm，内径为100 mm。自制模具与马歇尔试模的区别在于它可以将侧面及底面自由拆卸，会使试件在脱膜过程中不受外力影响，保持试件脱模前后的形状尺寸不变，从而能准确反应试件成型过程中的膨胀情况。采用自制模具成型试件可使冷补料在固化时只朝着试件上底面方向膨胀，从而控制了下底面以及侧面的膨胀，这样可准确反映冷补料在单一方向上的膨胀大小。此外，使用自制模具成型的试件的密实程度与实地修补中的冷补料的密实程度更为接近，更能准确反映实地修补过程中冷补料的膨胀大小。

图1 自制模具实物图Fig.1 Self-made mold physical diagram

图2 测试试件高度的等分方法示意图Fig.2 Schematic diagram of divide equally method for testing specimen height

试件的成型方法如下：将1 kg的冷补料装入自制模具中。装料的同时进行插捣密实，然后采用橡胶锤进行击实。为了保证冷补料与模具顶端在同一水平线上，用橡胶锤击实后再使用平整光滑的钢板对冷补料再次击实、压平。试件养护1 h后即可拆模。

试件高度的测试方法：测量时先将试件的上底面圆随机分为6等份，如图2所示。然后在等分线上靠近圆心附近的区域进行测量。每条等分线上测量2个值，所测结果先取最大值，记录3组数据，最后求这3组数据的平均值，得到每个试件的平均高度。

试件膨胀率的计算方法：所有试件刚成型好时的初始高度与自制模具高度一致，即为h0=60 mm，测量件固化后的高度h，可由公式(1)求得试件膨胀率α。

(1)

2.1.3 冷补料马歇尔稳定度测试方法

单组分树脂冷补料的马歇尔稳定度较高，其数值超过了一般马歇尔仪的量程。试验过程中使用马歇尔稳定度压头在压力机上测试单组分树脂冷补料抵抗破坏的最大抗压力值，即马歇尔稳定度，其加载速率为0.5 kN/s，测试方法见图3。试验过程中分别采用压力机和马歇尔仪测试了同一种普通沥青混合料试件的稳定度，两种测试方法的数值波动在1 kN以内，表明采用压力机测试冷补料稳定度的方法具有可行性。

图3 马歇尔稳定度测试方法Fig.3 Marshall stability test method

2.2 冷补料临界膨胀率

图4 冷补料的膨胀率及马歇尔稳定度与用水量的关系Fig.4 Relationship between expansion rate and Marshall stability of cold patch and water consumption

因冷补料膨胀会影响其力学性能，所以在满足强度要求下，确定冷补料的临界膨胀率具有重要意义。一方面，在临界膨胀率内可确定冷补料各组分最佳用量；另一方面，在工程应用中，临界膨胀率可作为冷补料膨胀率的上限，对冷补料的工程应用提出具体规范要求。

从图4可以看出,(1)用水量增加，冷补料膨胀率增大。因此要控制膨胀率，用水量要适中。但是水作为固化剂，会影响冷补料初期固化速率。为此，在保证初期具有一定固化速率的条件下，用水量要尽可能少。(2)用水量增加，冷补料马歇尔稳定度降低。由于膨胀越严重，冷补料内部出现的孔隙越多，稳定度则随之下降。(3)当用水量为12‰和15‰时，其冷补料膨胀率分别为6.63%和7.71%，稳定度分别为59.3 kN、55.2 kN，这比用水量为0‰时对应的稳定度75.4 kN分别下降了21.4%、26.7%。参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，对于普通沥青混合料，需满足浸水后的稳定度损失率最大不能超过25%的要求。因此，要使冷补料因膨胀产生的稳定度损失率不超过25%，那么冷补料的膨胀率不能超过6.6%。所以冷补料临界膨胀率为6.6%时即可满足强度要求。

2.3 冷补料各组分最佳掺量

单组分树脂冷补料的马歇尔稳定度一般较大，通常都能满足相关要求。而冷补料膨胀对其强度和稳定性影响很大，所以在确定各组分最佳用量时以冷补料膨胀率作为主要控制指标。

影响冷补料膨胀率的因素主要有冷补液用量以及用水量，而聚酯纤维具有抑制冷补料膨胀的作用。为了探究以上三种因素对冷补料膨胀率的影响，试验采用正交试验方法，不考虑各因素间的交互作用，选用L9(33)的正交表，试验的影响因素及水平梯度见表3。试验成型9组试件，测量各组试件高度并计算膨胀率，同时对各影响因素下的膨胀率进行极差分析，其结果见表4。

表3 正交试验的影响因素及水平梯度Table 3 Influencing factors and horizontal gradient of orthogonal test

表4 膨胀率的极差分析结果Table 4 Range analysis of expansion rate

极差分析结果表明,冷补料膨胀率影响因素的主次顺序为：冷补液用量→用水量→聚酯纤维用量。膨胀率最小时各因素的最佳组合水平是A1B3C1。但冷补液用量为4.5%时，拌合效果不佳，冷补液对集料的浸润效果不够好，导致集料较松散。兼顾冷补料膨胀率和拌合效果，建议选择的冷补液用量为5.0%。最终确定的最佳组合水平为A2B3C1，即冷补液用量为5.0%、聚酯纤维用量为4.0‰、用水量为2.0‰。

由表4中聚酯纤维用量对应的R值可知,膨胀率随聚酯纤维用量的增加而降低，可见聚酯纤维的掺入对冷补料膨胀率有减弱的作用。此外，当冷补液用量为5.0%、聚酯纤维用量为0‰、水用量为2.0‰时，对应的冷补料膨胀率为5.86%，这比最佳组合水平下对应的冷补料膨胀率3.21%升高了45.2%。可见聚酯纤维降低冷补料的膨胀率的效果显著。其原因可能是：(1)由于聚酯纤维自身的吸油特性，导致有效的冷补液量减少，膨胀减弱[18]。(2)聚酯纤维掺入后能增大比表面积，进而提高冷补液的分散性，从而膨胀不会过于集中，这对整体膨胀起着减弱作用。(3)聚酯纤维的直径极小，且有一定硬度，可以提供一些细小的气孔供气体释放，削弱了冷补料的膨胀。

3 养护温度及养护时间对冷补料马歇尔稳定度的影响

图5 不同养护温度下的马歇尔稳定度随养护时间的变化规律Fig.5 Marshall stability varies with maintenance time at different maintenance temperatures curing

为了研究冷补料在不同养护温度和不同养护时间下的强度变化规律，将成型的试件在不同温度下养护不同的时间，测试其稳定度。冷补料的材料组成为各组分的最佳组合水平，在恒温恒湿环境箱中养护试件。冷补料的养护湿度为RH=50%；养护温度分别为-5 ℃、25 ℃、60 ℃；养护时间分别为2 h、4 h、6 h、1 d、2 d、3 d、7 d。在压力机上测试各组试件的马歇尔稳定度，结果见图5。

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由图5可知,(1)三种养护温度下，随着养护时间的增加，冷补料的稳定度都是先逐渐增加，然后趋于稳定。冷补料在-5 ℃、25 ℃、60 ℃下养护3 d的稳定度能分别达到养护7 d的93%、95%、98%，所以可以将冷补料的基本固化时间确定为3 d。(2)冷补料的初期强度较高。在-5 ℃、25 ℃、60 ℃下养护2 h后的稳定度分别为16.4 kN、27.5 kN、42.3 kN，均远远超过《沥青路面坑槽冷补成品料》(JT/T 972—2015)中马歇尔试验稳定度不宜小于3 kN的要求。说明冷补料的初期强度形成速率较快，养护2 h即可开放交通。(3)养护温度对冷补料形成强度的影响较为显著。冷补料养护2 h、4 h、6 h、1 d、2 d的稳定度是随养护温度的增加而增加，这与单组分树脂固化反应速率有关，温度越高，固化速率越快，对应的稳定度越高[19]。但是冷补料在60 ℃养护温度下比-5 ℃、25 ℃的最终强度更低。其原因是：在高温下单组分树脂固化反应速率较快，导致试件内部某些区域的孔隙被堵住，从而试件内部的大部分气体来不及释放，导致试件的膨胀加剧，而在低温或室温下，固化反应速率缓和，试件内部的一部分气体可缓慢释放，整体膨胀较弱，最终的稳定度更大。另外，单组分树脂高温固化极易产生内应力[20]，也会降低试件的最终稳定度。

4 路用性能

4.1 高温车辙试验

采用沥青混合料车辙试验方法测试单组分树脂冷补料的动稳定度，冷补料的材料组成为各组分的最佳组合水平，成型后的试件在室温下养护3 d，车辙试验结果见表5。

表5 高温车辙试验结果Table 5 Test results of high temperature rutting

由表5的结果可知,冷补料的高温稳定性很好，一方面是因为冷补料的级配类型为连续密级配，密实度高，集料的嵌挤能力较好，进而其车辙深度较低；另一方面，单组分树脂固化完全后，变成热固性聚合物，它具有三维网状结构，是一种不溶、不熔物，因此冷补料的高温稳定性很好[21]。

4.2 低温弯曲试验

为了表征冷补料的低温抗裂性能，采用沥青混合料低温弯曲试验规范进行试验。冷补料的材料组成为各组分的最佳组合水平，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，小梁试件尺寸均符合规范要求，进行五次试验，对所得结果取平均值。其测试结果见表6。

表6 低温弯曲试验结果Table 6 Bending test results of low temperature

从低温弯曲试验结果来看，冷补料不仅能保证最大弯拉应变大于2 500 με，同时其最大荷载、抗弯强度以及弯曲劲度模量也较高，其低温抗裂性能较好。这主要得益于单组分树脂固化后的聚合物具有较高模量，同时具有较好的柔韧性。

4.3 水稳定性试验

4.3.1 浸水马歇尔试验

按照沥青混合料浸水马歇尔试验方法测试冷补料的浸水残留稳定度。冷补料的材料组成为各组分的最佳组合水平，试件在室温下养护3 d，其浸水残留稳定度测试结果见表7。

表7 残留稳定度测试结果Table 7 Residual stability test results

由表7可知,冷补料的残留稳定度大于85%，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的基本要求。冷补料具有较好的水稳定性能。

4.3.2 冻融劈裂试验

为了进一步表征冷补料的水稳定性能，按照沥青混合料的冻融劈裂试验规范，测试冷补料的冻融劈裂强度，测试结果见表8。

表8 冻融劈裂强度测试结果Table 8 Test results of freeze-thaw splitting strength

由测试结果来看，冷补料的冻融劈裂强度比为83.1%，这一数值偏小，可能与单组分树脂固化后的聚合物本身性能有关，但是仍然能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的基本要求，水稳定性能符合要求。

5 非开挖修补工艺

5.1 界面胶的性能

图6 界面胶的旋转粘度及拉拔强度与稀释剂掺量的关系Fig.6 Relationship between the rotating viscosity and drawing strength of interfacial adhesive and the amount of diluent

为了使实地修补工艺更为简便，本文采用非开挖坑槽的修补工艺。试验采用单组分树脂作为界面粘结剂。单组分树脂与原路面的混合料除具有一般的粘结方式以外，同时它的湿气固化机理使得其可以与原路面的混合料形成化学键，进而形成化学结合方式，使得粘结效果更好。

单组分树脂界面胶粘度较大，会降低其整体粘结效果。试验中，在单组分树脂中分别掺入0%、5%、10%、15%、20%的稀释剂，在25 ℃下测试其旋转粘度值，同时测试界面胶与普通沥青混合料的界面拉拔强度。测试结果见图6。

由图6可知,随着稀释剂掺量的增加，界面胶的粘度逐渐降低，与普通沥青混合料的界面拉拔强度也逐渐降低。掺入15%稀释剂的界面胶粘度为108 mPa·s，与未加稀释剂的界面胶粘度2 497 mPa·s相比降低了96%，稀释剂降低界面胶粘度的效果非常显著，而拉拔强度仍能达到1.66 MPa。因此稀释剂掺量为15%较为合理。图7是修补实验后现场宏观图，如图7(b)、(c)，冷补料与沥青混合料粘结紧密，且稀释后的界面胶(黄棕色固化物)具有较好的流动性，可渗透到坑槽内部的裂缝并固结周边松散集料，增强冷补料与沥青混合料的粘结程度。界面胶较高的粘结强度可使冷补料与原路面粘结牢固，不易脱落，由于冷补料在低温下的最大弯拉应变值能达到2 500 με，因此与普通沥青混合料相比其柔韧性也较好。因此当修补路面受到荷载时，冷补料与沥青混合料可共同变形，能较好地保证坑槽的修补质量。

图7 (a)为修补好的车辙板,(b)、(c)均为界面胶渗透到坑槽内部裂缝的宏观图Fig.7 (a) is the repaired track plate, (b), (c) are macrographs of interface glue penetrating into cracks in pothole

5.2 非开挖施工工艺

非开挖修补工艺施工简单，可以缩短开放交通的时间，这能给道路的运营带来更大的经济效益和社会效益。具体施工工艺按照下列步骤进行[22]：

(1)清理坑槽：清理松动的石屑，同时清扫并吹净渣滓、尘土。石屑的清除要见到混合料的坚固面为止，同时保证坑槽内部及周围无明显灰尘[23]。

(2)涂刷胶料：经过稀释后的界面胶流动效果好，以0.6～0.8 kg·m-2的涂布量对坑槽内部及其边缘3 cm以内的区域进行均匀涂布。

(3)拌和冷补料：采用强力拌料机拌和冷补料。每锅冷补料的拌和时间约2 min。

(4)摊铺压实：采用平板振动夯夯实冷补料。修补后的坑槽表面应满足中间略高于四周约1.5 cm的要求。当坑槽深度大于8 cm时宜采用分层铺筑，每层厚度5 cm。

选择陕西省西安市高新区丈八北路的坑槽进行修补。这条道路作为城市主干道，白天私家车辆及公交车辆众多，夜晚有较多重载型货车通行，坑槽病害时常出现。选择这条公路上的坑槽进行修补，具有一定的代表性，修补效果见图8。

图8 坑槽修补的效果观察Fig.8 Observation on the effect of pothole repair

坑槽修补完成后，养护2 h后立即通车。由图8(b)可以看出冷补料表面无明显压痕，单组分树脂冷补料具有较高的初期形成强度，可缩短开放交通的时间。从图8(c)、(d)可以看出,冷补料的颜色与原路面相近，不会影响路面美观；修补1年后的路面与修补3个月后的路面没有明显差别，修补1年后的路面没有明显破损、掉粒现象，冷补料与原路面的接缝处也无明显脱落现象。在这条道路上又修补了几个坑槽，经过长期跟踪观察，使用冷补料所修补处的路面都完好无破损。因此，采用非开挖修补工艺具有一定的可行性，单组分树脂冷补料具有良好的路用性能和使用耐久性。