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沥青路面坑槽病害冷补材料研究综述

文章来源:本站 发布时间:2017-9-28 点击数: 294 次

热拌沥青混合料因对各环节温度要求较高,因此在冬季路面病害养护维修中有很大的局限性。与热拌沥青混合料不同,冷拌冷铺沥青混合料具有不需加热、施工简单、环境污染少、适用于低温天气、有良好的社会经济效益等优势。鉴于冷补混合料的这些优点,国内外相关研究也较多。但从目前的研究来看,仍然存在一些技术问题,也是现阶段研究的焦点,诸如:松散性和压实性之间矛盾问题,组成材料的技术要求问题,水中成型的强度问题,冷补料与原路面混合料的结合能力问题,以及低温施工问题等。 
国外冷补材料研究 
国际上对冷补料的研究最早开始于上世纪50年代的前苏联。其研究认为,沥青结合料的粘度、用量集料的比面积等因素是影响冷补料性能的关键因素。当时冷补料的主要特点是结合料仅为5%~6.5%、矿粉用量达15%~30%,以此来提高集料表面的结构沥青膜,从而保证冷补料的疏松性和成型强度。但缺点是铺后路面构造深度较低,矿粉量大,成本较高。 
1996年10月在英国在召开沥青路面冷补料学术会议,会议达成共识采用乳化沥青作为冷补料的主要结合料。Heriot-Watt大学此方面有深入研究,任务级配采用密实型和骨架嵌挤型结构,两种结构各有优缺点,根据实际情况加以选取和调整。 
随后法国研究提出了Grifibre沥青路面冷补料,该混合料主要采用最大公称粒径为10mm的间断级配,结合料中加入EVA改性剂,并加入聚丙烯纤维(总质量的0.1%~0.2%)。该种冷补料采用具有施工方便、防离析、后期剪切强度高等特点,适用于雨季使用,但其加工较贵。 
目前,欧美国家及日本关于冷补料的研究处于领先地位。 
美国研究推出了可储存的沥青路面坑槽修复冷补料,主要优势是使用方便,可在淡季生产旺季使用、随用随取、储存时间可长大1年,且易于处理。该冷补料的主要组成是乳化沥青,并添加了聚合物改性剂,改善混合料粘附力,即填补部分不会松散移位元。同时美国还根据不同天气和环境、质量不错的冷补料。普遍存在的问题冷补料与原坑槽边缘结合能力有待提高。 
加拿大研究的冷补料通过使用特有的添加剂,可使具有较大的其适用温度,达到-26~49℃,且水稳定性较好,雨雪天气也可施工。同时,同美国技术一样可储存,成型后强度也比较高,可使用5年以上。 
日本根据不同季节高低温情况,研究了两种冷补料,采用改性液体沥青,性能较之前有明显提高,但具体技术并未公开。他们人一般的冷补料修复坑槽,经过一年使用一般残存率仅为35%~40%,而该及时的残存率却可达85%~90%。在技术在机场、各等级公路上使用都取得了不错效果。
国内冷补材料的研究 
我国沥青路面冷补料相关研究较晚,从国外相关材料产品进入我国开始,目前冷补料技术已经取得了很大进展,与欧美等国家差距并不大,也开发了多种多样的产品,在工程应用上也比较广泛。 
山西省从1994年开始冷拌冷铺沥青混合料技术在冬季对坑槽进行修复的相关研究,且生产出的产品可在-15℃以下用袋装混合料修补坑槽,而后逐步在本省108国道、307线寿阳段、太长线等项目上进行推广。应用效果较好,但也存在着一些问题,包括与原路面混合料粘结性较差、夏季高温容易拥抱等现象等。 
在我国东北地区,对沥青路面坑槽等病害冷拌冷铺技术需求更为迫切。吉林、黑龙江等省也较早地开展了此方面的研究,1996年吉林省公路局在沥青中添加豆油和航空煤油制成混和沥青油,与骨料进行拌合,制成冷补沥青混合料。1997年起,该项技术在全省推广应用,经过后期观测,该技术极大地改善沥青路面路况水平和使用寿命,取得了良好的社会和经济效益。黑龙江的东北林业大学也针对该省气候特点,研制了2种沥青路面坑槽修复冷补料,两者主要区别是粘结料稀释沥青不同,一种是掺加的18.5%柴油,另一种是掺加的20%煤油。经应用表明,这两种冷补料施工方便、取材容易、造价低廉,但路用性能相对一般。 
同济大学为平衡好可压实性和疏松性之间的关系,开展了冷补沥青混合料特性和配制技术。系统研究结合料用量、粘度、外加剂种类、集料性质、级配等因素对冷补料压实性和疏松性的影响,提出了相应指标的控制范围。同时研发出了自己产品,应用实践表明性能较好,可与进口材料相当,但费用大大降低。
长安大学也开展了此方面的研究,研制出HUL冷拌冷铺沥青混合料。其中添加了较多的添加剂,如:为降低沥青稠度,加入AU稀释剂———工业抽出油;为提高沥青黏韧性,加入AH高分子聚合物改性剂;为提高沥青与集料粘附性,加入AX活性剂,同时增强了沥青混合料的憎水能力;为提高各组成材料相互作用和稳定性,加入VD稳定剂。该冷补料可在低温下拌制和施工,路用性能良好。同时其储存性较好,6个月以上也可使用。 
长沙理工大学通过研究,将增粘剂、混合溶剂、SBS等添加剂按一定比例加入沥青中,在加入稀释剂,然后与集料拌合,预制成冷补沥青混合料,其将其应用于沥青路面的坑槽修补,取得了一定的效果。 
安徽合肥市根据工程市场需求,在美国科氏公司产品技术的基础上,通过加入适宜的改性剂进行改良,达到适用于该省的冷拌冷铺沥青混合料。适用于中、上面层,可在-10℃下施工作业,存放长久、操作简便、修补质量好、价格适中,对冬季和雨季效果更为突出。 
总结分析 
(1)集料。细集料宜采用机制砂,干燥、清洁、石质坚硬,且不含杂质或粘土等。粗集料最好采用玄武岩或石灰岩,保持干燥、清洁、呈立方体,表面粗糙且富有棱角。填料采用碱性岩石等磨细获得,矿粉的母岩和用量对混合料的强度特性、疏松性及压实性有显著影响。 
(2)级配。冷补沥青混合料一般有两种结构类型,一种是骨料嵌挤类,加拿大等国家较常用,该类混合料力学性能主要由骨料嵌挤提供,尽量少用矿粉,一般仅占混合料的1%~2%。另一种是密实类,前苏联是典型代表,该类混合料的力学性能主要由沥青砂胶控制,矿粉用量高达15%~30%。两者结构各有优缺点,骨架密实类混合料乳化剂比较容易完全裂解,但劲度模量和抗疲劳特性一般比较低;密实类混合料的乳化剂不容易裂解,但具有较高的劲度模量。 
(3)结合料。大量研究表明,结合料对冷补沥青混合料的性能影响最大,黏度太低则混合料难以碾压成形,太高不利于混合料的松散性。 
结合料使用目前研究主要有如下几种:第一种一是在乳化沥青中加入改性剂,以增加结合料的粘结力、温度敏感性、流变状况和附着力等。采用常规的稀浆封层摊铺机铺筑。典型代表有法国的JeanIafebvre公司提出的Grifibre混合料,和日本昭和沥青工业株式会社提出的产品。第二种结合料为液体状,挥发分很少,约1%该混合料的主要优点是适用温度范围广;防水性能好,在雨雪天气及积水坑槽也都可以施工,典型代表有加拿大宁枫公司的产品。第三种是液体石油沥青,针入度较大,典型代表是美国我国我国规范(JTGF40-2004)对冷补材料的要求。 
(4)冷补沥青混合料技术要求。目前对于冷补材料的贮存、施工和使用性能评价国际上尚没有统一的方法,但共识是使用前有良好的疏松性,摊铺时有良好的可压实性,摊铺后较高的强度和抗水损害性能。 
①初始强度。为避免冷补料摊铺后初期因强度过低,而产生推移、车辙、拥包等病害,冷补料初期就须具有一定强度,即初始强度。一般以摊铺碾压后第7d的稳定度作为评价指标,我国规范要求冷补料7d的稳定度大于20kN时,方可开放交通。 
②工作性。冷补沥青混合料的工作性包括可压实性和疏松性,两种性能是矛盾的,但需兼顾。各国的评价工作性方法大同小异,有的用马歇尔击实一定次数后,放入洛杉矶磨耗机进行磨耗,控制损失率在一定范围内。有的参照公路土工击实试验方法,进行无侧限抗压强度试验,要求抗压强度在一定范围内,我国采用该方法控制冷补料的工作性,要求冷补料料老化前的抗压强度≤200kPa,老化后抗压强度≤1000kPa。 
③成型后强度。为保证冷补料在摊铺后使用过程经受得住车轮荷载的反复作用,要求其具有足够的成型后强度,目前评价其强度特性的方法很多。比较成熟的事采用冷补料成型7d后的稳定度,但要求有很大差别,日本要求>3.0kN;而我国同济大学通过研究得出要求>5.0kN,长安大学则要求>4kN,当然强度与级配差别有关。 
④水稳定性。水稳定性指在水的作用下,混合料保持稳定不松散的特性。国内外评价冷补料水稳定性的评价方法基本一致,即在常温击实一定次数后成型时间,然后浸水一定时间,最后进行稳定度试验,分析浸水前后强度损失情况,一般要求残留稳定度≥70%。 
结语 
综上所述,冷补料因具有施工便捷、利于环保、可储存、可在低温雨季使用等优点,对快速修补沥青路面坑槽、延长使用寿命有显著优势。 
目前美国、加拿大等欧美国家以及日本在沥青路面冷补料技术方面研究处于前列,技术相对比较成熟,也有相应的产品。但也存在着一些问题,如:工作性方面,如何更好的平衡松散性和可压实性之间的矛盾问题;冬季低温雨雪天气和坑槽有积水情况下的适用性问题;以及冷补料与原路面混合料结合能力问题等,都有待根据具体情况加以研究分析。
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