冷補瀝青混合料材料組成和性能評價綜述

楊彥海，朱光旭，楊野

（沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧沈陽 110168）

0 引言

瀝青路面在使用過程中由于混合料自身問題及外部環境變化將會出現空隙和裂縫，伴隨水損害、層間黏結不足、施工缺陷等問題使得路面結構剝落，最終形成坑槽破壞［1-2］。路面坑槽快速修補技術應運而生，冷補瀝青混合料可以快速修補路面坑槽，對施工環境要求較小，可以做到隨用隨取，施工簡單。冷補技術于20 世紀二三十年代由美國和蘇聯最先提出，隨后日本和西方國家也相繼開展了相關研究［3］。國外學者主要進行了冷補瀝青混合料產品路用性能提升方法的研究，Krishnan 等［4］、張濤［5］提出礦粉用量為15%～30%的溶劑型冷補瀝青混合料，研究發現混合料強度可隨礦粉用量增加而增強，但存儲性能和低溫工作性降低；英國Heriot-Watt 大學［6-7］、Emcol 公司［8］分別研發出永久性冷鋪路面材料PCSM 和適用溫度為-40～60 ℃的溶劑型冷補材料，具有高存儲率和降低成本等特點，強度可達到普通熱拌瀝青混合料相應水平；美國SHRP 計劃［9-10］通過實施多次修補方案后得出：瀝青的黏結性不大于6 Pa ?s 時，有利于保證混合料工作性，稀釋劑的揮發速率對混合料強度形成有影響，混合料殘留物的黏附性能越好反映其整體水穩定性能越好；Rosales-herrera 等［11］首次采用坍落度測試（CPST）和得克薩斯穩定性試驗（TST）來確定不同級配設計條件下最佳黏結劑的用量；Chatterjee 等［12］提 出 漢 堡 車 輪 跟 蹤 試 驗（HWTD）、間接拉伸強度試驗（ITS）和水煮法以確定路面的車轍性能、黏結性和抗剝落性。國外研究側重于產品的研發改進，實現了冷補材料技術支撐和商品量化生產，各國商品技術相同，強度高、黏結性好、工作時效長、允許低溫條件施工等。

中國對冷補瀝青混合料的研究起步較晚，20 世紀90 年代黑龍江、遼寧、上海等地的科研機構才開始進行研究開發。1997 年山西省公路管理局在108 國道、太長線等推廣冷補技術，經過觀察表現良好［13-14］；長安大學于2001 年自主研發出HU-L 冷補瀝青材料，經實體工程驗證，表現良好；四川公路科技實業有限公司在2003 年投產使用LB 瀝青，這代表中國冷補材料實現了量產施工［15］。中國早期的研究并沒有形成系統的評價標準，更多的是借鑒國外已有的評價方法。近年來，呂偉民［16］、毛瑋蕓［17］通過大量室內試驗得出強度形成機理，并且通過實地鋪筑得出瀝青最佳用量為4.5%～6.5%，礦粉的最佳用量為10%～15%；周玉利等［18］研制出可以有效抵抗凍融破壞、減緩老化適用溫度降低至0 ℃以下的復合型聚合物改性劑和AH 型冷補瀝青混合料。這些成果對研究冷補瀝青混合料提供了指導建議?，F如今中國學者開發了多款產品，研究水平也在奮力趕超。中國的產品開發主要針對各地區環境特點具有局限性，側重添加劑制備開發、冷補料最佳級配、路用性能評價方法，整體缺乏統一、系統、有效的性能和理論評價體系。

本文結合國內外相關技術研究，對冷補瀝青混合料材料的組成、配合比設計、性能特點及評價指標等進行總結，并對未來研究方向提出展望，深入研究冷補瀝青混合料的坑槽修補原理，從而為道路快速修補技術以及研發新型瀝青路面修補材料提供理論和技術支持。

1 冷補瀝青混合料的分類、材料選擇與配合比設計

1.1 冷補瀝青混合料的分類

冷補瀝青混合料分為3 類：溶劑型、乳化型和反應類。目前，中國對溶劑型冷補瀝青混合料的結構特征、強度提升、性能測試以及實體工程應用的研究較多，而對乳化型和反應型冷補材料研究較少。本文根據分類情況，對冷補瀝青混合料特點進行了歸納總結，見表1。

表1 冷補瀝青混合料特點

1.2 材料選擇

冷補瀝青混合料由基質瀝青、礦料、稀釋劑和添加劑等通過攪拌混合而成，經瀝青黏結、添加劑改性和集料嵌擠共同作用形成的一種坑槽快速修補材料，各組分承擔相應的功能，所以材料的選擇尤為重要。

（1）瀝青

基質瀝青與礦料的黏結狀態直接影響混合料的強度及水穩定性。溶劑型和反應型冷補瀝青混合料一般以70#和90#道路瀝青為主［22］。乳化型瀝青易于乳化并兼顧工程實際條件進行選擇。

（2）礦料

冷補瀝青混合料集料多選用玄武巖或石灰巖，且要求質地堅硬、表面潔凈、無雜質。填料可選擇石灰石礦粉、硅酸鹽水泥等，以增強混合料黏性，填充空隙，提高早期強度。由于乳化瀝青具有酸性，應選擇堿性集料石灰巖提高混合料的黏附性。

（3）稀釋劑

稀釋劑的主要作用在于降低瀝青黏度，增大流動性，使混合料具有更好的施工和易性。稀釋劑應具有溶解瀝青的能力、揮發性好、對環境影響小等特點［23］。常用的稀釋劑有柴油、煤油、輕油、苯類有機溶劑、航空煤油、重油和植物油等［24］。徐茜等［25］對餐飲廢油作為稀釋劑的可行性進行了研究，發現摻入餐飲廢油的冷補瀝青黏度與未摻入時布氏黏度相似，采用水煮法和間接拉伸強度試驗分別檢測混合料的黏附性、間接拉伸強度，其性能表現良好，說明餐飲廢油可以作為稀釋劑使用。

（4）添加劑

添加劑的作用是對混合料進行改性，增強路用性能。主要的添加劑有防水劑、抗老化劑、干燥劑、改性劑、促凝劑和補強劑等。SMC 改性劑在降低瀝青黏度的同時也提升了低溫性能［26］。有研究選用聚氨酯、USP 冷補添加劑、SBR 改性劑、聚胺類抗剝落劑、SBS 材料等作為添加劑進行研究。環氧樹脂添加劑可分為縮水甘油類環氧樹脂和非縮水甘油類環氧樹脂。相關科研人員所研制的冷補瀝青混合料配比 見表2。

表2 有關冷補料研制所選材料及配比

1.3 冷補瀝青混合料配合比

合理的配合比是保證混合料使用性能的前提，目前國際上冷補瀝青混合料配合比沒有統一的標準。采用熱拌瀝青混合料的配合比設計，缺乏針對性，并不能體現冷補材料的特點。很多學者提出不同性能要求的配合比設計，以供借鑒和完善。配合比設計主要包括冷補瀝青的選擇、礦料級配設計以及最佳油石比確定。

冷補液材料主要根據研究目的及性能提升目標進行選擇。級配選擇主要根據當地交通情況和《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）推薦的級配設計。表3 為4 種中國常見的級配設計方法。

表3 級配設計常見方法

（1）李延猛［33］在常規的配合比設計方法基礎上，采用了以粗集料為骨架，次級骨料依次填充，從而獲得合理空隙率。并采用貝雷法檢驗完善礦料的級配設計，以此為基礎提出簡單有效的冷補料配合比設計方法。

（2）李青［34］采用分形預測模型級配設計方法，結合高低溫試驗和水穩定性試驗結果，預測出路用性能模型，根據滿足路用性能的級配分形維數范圍和路用性能技術指標，推演符合要求的級配分形維數D的范圍，通過分形維數的理論公式推導出設計級配通過率公式，進行級配設計，該方法可以提高配合比設計效率。

（3）黃東等［35］提出嵌擠骨架級配，粗集料比例根據各檔不同粗集料比例下不同冷補瀝青摻量對應的RCBR值（加州承載比）為標準選擇；細集料比例根據同濟大學提出的百分率遞減系數I作為參數級配組成計算方法為基礎進行選擇。不同I值與不同冷補液摻量條件下，以抗剪強度最優為標準選擇最佳細集料級配。檢驗得出嵌擠骨架級配混合料比規范級配混合料的高溫性能有所提升。

（4）彭東波［36］采用SAC 礦料級配設計方法，將礦料與設計級配建立體積關系方程，并通過級配檢驗方程得到混合料顆粒間的接觸情況，以確定混合料空隙率在工程中是否合適，并進行相應調整。

蘇聯、加拿大和美國提出3 種經典礦料設計，如圖1～3 所示。中國常見礦料級配如圖4 所示。

圖1 蘇聯礦料級配

圖3 加拿大礦料級配

圖4 中國瀝青混合料常見礦料級配

由圖1～4 可知：蘇聯經典級配為骨架懸浮型結構，礦粉用量達到20%以上，導致此類混合料比表面積大，與冷補液的接觸更加充分，使其易于匯集成團，難以拌和，使得施工和易性受到影響［37］。美國級配形式為骨架密實型結構，礦粉用量為6%，優點是空隙率小，耐久性好，缺點是強度成型慢，封閉交通時間長［38］。加拿大級配形式為骨架空隙型結構，礦粉用量為2%，優點是存儲性好，工作性好，粗集料接觸緊密使初始強度高，其空隙率大，使得稀釋劑的揮發速率加快，利于成型強度快速形成，但也導致了受水的影響增大，水穩定性差［39］。中國常見的礦料級配設計有LB-13、AM-13 對應骨架空隙結構，AC-13對應骨架密實結構，SMA-13 對應懸浮密實結構。其中LB 型結構級配在性能測試中表現最佳，規范推薦LB 級配［40］，由此可見，由于細集料和礦粉的含量不同，使得混合料級配產生差異，并且影響整體性能，其中礦粉用量可通過施工和易性與25 ℃強度確定［41］。

常用冷補瀝青混合料油石比確定方法有兩種：①馬歇爾試驗方法，通過對比不同油石比成型試件的試驗指標，如空隙率、毛體積密度、馬歇爾穩定度、飽和度、礦料間隙率等，其中滿足各項技術要求的為最佳油石比，并通過路用性能檢驗計算結果；②經驗法，加州經驗公式［42］通過集料級配和附著于集料表面的瀝青膜厚度確定最佳油石比；同濟大學經驗公式［43］通過各粒徑集料的質量百分比確定最佳油石比，輔以紙跡試驗進行驗證。稀釋劑和添加劑的摻配比例沒有明確規定，需綜合考慮路用性能以及強度要求進行試驗對比最終確定用量。

乳化型冷補瀝青混合料油石比首先要確定水性環氧-乳化瀝青的配方，通?？紤]環氧-乳化瀝青混合物相容性，以靜置后是否出現分層、離析和成膜效果評估，結合不同固化劑摻量比例下混合物黏結強度綜合評定選取最佳配比?；旌狭系姆€定度、密度、流值、空隙率等指標作為輔助指標。冷補液用量根據交通部陽離子乳化瀝青課題協助組［44］配合比設計方法確定，見式（1）：

式中：P為乳液占礦料干重質量的百分比（%）；A、B、C分別為粒徑大于2.5 mm、2.5～0.074 mm、小于0.074 mm 礦料占全部礦料總量的百分比（%）。

2 冷補瀝青混合料性能評價

2.1 施工和易性評價

良好的施工和易性是冷補瀝青混合料施工的前提。施工和易性評定方法一般采用簡單的經驗法評價工作性能。何雄剛［45］采用松散率試驗、攤鋪阻力試驗以及初始馬歇爾穩定度試驗共同評價冷補瀝青混合料施工和易性。影響混合料施工和易性的因素有瀝青種類及用量、稀釋劑的種類及用量、級配類型和溫度等［33］。由于施工和易性與黏聚性存在矛盾，研究者不宜為追求混合物的黏聚性而忽略施工和易性，二者應綜合考慮。

2.2 強度性能評價

為確?？硬坌扪a后不會出現二次破壞，即要求冷補材料具有相應的強度。冷補瀝青混合料強度與材料、配比、養生條件、行車荷載等密切相關。強度主要是由瀝青黏性與礦料骨架共同提供，但不同類型冷補料的強度形成機理不同，都呈現時間性，所以分為初始強度和成型強度，評價方法為馬歇爾試驗?，F行馬歇爾試驗是按熱拌瀝青混合料設計，并不能全面適應冷補材料，由于冷補材料中稀釋劑和添加劑的存在，需相應調整試驗方法，如減短養生時間、降低水浴溫度或取消水浴等。

2.2.1 初始強度

攤鋪初期冷補瀝青黏度小，黏結力作用較小，此時強度由骨架效應以及坑槽側向約束提供，大粒徑級配內摩阻角更大，相應初始強度更好。樹脂、SBS 和抗剝落劑可以有效改善瀝青的黏度進而提升混合料初始強度。蓋衛鵬等［46］對比不同溫度條件下冷補混合料初始強度發現低溫環境（-30～5 ℃）初始強度比常溫環境（5～30 ℃）高。因為低溫條件下瀝青活性降低，流動性差，黏結作用要強于常溫環境。

2.2.2 成型強度

在修補完成通車服役過程中，冷補瀝青混合料要承受車輛荷載作用，產生累積損傷和性能退化，因此研究成型強度及影響因素對冷補瀝青混合料的服役狀態和施工技術的完善有重要意義。表4 為影響成型強度因素研究結果。

表4 影響成型強度因素研究結果

各國對溶劑型冷補瀝青混合料研究較多，但是沒有形成標準規范，強度要求不盡相同，中美日三國溶劑型冷補混合料的強度大小如圖5 所示。

圖5 中美日三國溶劑型冷補料強度對比

各國基本要求初始強度大于2.0 kN，成型強度大于5 kN。由圖5 可知：長安大學［29］通過正交試驗得到材料的最佳比例，進而研制出新型溶劑型冷補瀝青液，通過馬歇爾試驗測試出初始強度為2.17 kN，成型強度為7.42 kN，皆滿足普遍要求，通過實地工程對其強度和路用性能進行檢驗，表現良好。楊亮等［48］通過添加無機填料，使其與水發生化學反應，形成網狀結構，自由瀝青減少，結構瀝青增多，黏結作用增大，混合料強度提升。

反應型冷補瀝青混合料近年自主研發產品強度對比如圖6 所示。

圖6 反應型冷補料馬歇爾強度

由圖6 可知：在4 種反應型冷補瀝青混合料制備條件相同情況下，不同級配和材料選擇對強度的形成起了關鍵作用，反應型冷補材料強度依靠有機溶劑之間的化學反應，快速形成強度。并且初始強度均大于3 kN，成型強度達到8 kN 以上，符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中馬歇爾試驗穩定度宜不小于3 kN 規定，說明反應型冷補瀝青混合料強度超過傳統熱拌瀝青混合料，完全可以滿足交通荷載要求。其中胡芃等［55］自主研制的反應型冷補材料，26%稀釋劑含量時此材料發揮最大強度，初始強度6.6 kN、成型強度8.1 kN。王爭愿等［20］在混合料中混入40%的RAP 材料，RAP 在固化劑的“火山灰效應”產物影響下，接觸面產生潤濕和吸附作用，黏聚力得到提升，馬歇爾強度在平均水平之上。劉建芳等［56］提出一種新型反應型冷補瀝青混合料，通過不同級配比較得到在LB-10 級配下發揮其最佳狀態，初始強度5.07 kN，成型強度10.25 kN，并且其他性能也符合熱拌瀝青混合料的指標要求。李相鋒等［30］研發高性能反應型冷補瀝青混合料，其初始強度為6.5 kN，成型強度為17.26 kN。

2.3 耐久性能評價

冷補瀝青混合料在開放交通后，需要承受瀝青老化、剝落、水損害作用、高溫作用，通稱為耐久性。

2.3.1 瀝青老化

采用壓力老化試驗（PAV）和旋轉薄膜烘箱試驗（RTFOT）評定瀝青或者改性瀝青的老化特點。Dong等［57］對冬季條件下冷補料耐久性采用滾動篩試驗、水分敏感性試驗和荷載輪試驗進行評估，其中水分敏感性試驗測試混合料抗凍融性，用抗拉強度St和抗拉強度比RTSR進行表征。ASTM 通過大量試驗提出凍融飽和度為70%～80%條件下，最能反映實際環境條件。荷載輪試驗使用瀝青路面分析儀測試修補材料的抗變形能力，通過對比得出單一級配的細集料可以用于裂縫填充，但抗變形能力不佳，對具有較粗和堅固骨架的修補材料，建議降低車輪載荷并改進壓實試驗以提高測試的有效性。

2.3.2 黏聚性

坑槽修補后會因為黏聚力弱和黏附性差等原因，出現集料與膠結料分離剝落現象。溶劑型冷補材料常用水煮試驗、方孔篩黏聚力試驗評價。水煮法試驗要求黏附性評價指標裹附面積不低于95%。方孔篩黏聚力試驗在4 ℃時，冷補瀝青混合料破損率不得高于40%。王佳旭［58］設計黏聚性試驗采用在車轍板坑槽試件上模擬車輛荷載然后稱取車轍試件并求出剝落質量損失率進行性能評定，試驗發現修補坑槽較淺有利于提升抗剝落性。乳化類冷補材料測量黏附性方法有肯塔堡飛散試驗和《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中陽離子乳化瀝青與集料黏附性試驗，水性環氧-乳化瀝青體系中環氧樹脂是熱固性材料，固化后強度高并且黏結性好，分子結構中有極性基團可加強乳化瀝青黏附，并通過壓實骨料嵌擠，使得集料相互黏結更加密實。

2.3.3 水穩定性

水穩定性直接影響瀝青路面使用壽命和性能，評價方法分為兩種：①評價瀝青與集料的黏附性；②采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行評定［59］。冷補材料參考普通熱拌瀝青混合料性能指標標準，浸水馬歇爾殘留穩定度不小于75%，凍融劈裂強度比不小于70%。鄧吉升［60］采用瀝青裹覆率之比評定混合料水穩定性，進行凍融循環材料的瀝青裹覆率P1與未進行凍融循環材料的瀝青裹覆率P2之比P來評定。材料的選擇對水穩定性影響較大，其中填料石灰影響效果明顯，研究發現高溫養生條件下石灰可以增強混合料的黏附性進而提高水穩定性。國內外大量研究發現消石灰用量1%時瀝青混合料水穩定性效果最佳。

3 種 環 氧-乳 化 瀝 青［52，61-62］冷 補 料 浸 水 馬 歇 爾 試驗結果如圖7 所示。

圖7 水性環氧乳化瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗對比

由圖7 可得：3 種冷補料的殘留穩定度均大于75%，符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）要求。由于環氧樹脂固化反應形成三維網絡結構，改善冷補瀝青混合料的黏結力，使得黏附性增強以及混合料空隙率減小，水分置換受阻，從而水穩定性良好。

2.3.4 高低溫性能

目前常用車轍試驗測試混合料的高溫穩定性，以動穩定度進行評定，由于快速養生不能真正反映冷補料實際強度效果，所以冷補料高溫穩定性試驗需要修正使其達到真實效果。低溫抗裂性采用小梁彎曲試驗評定。目前中國對冷補料高低溫性能研究較少，缺乏相應的理論和技術支持。圖8 為3 種水性環氧-乳化瀝青冷補料高低溫性能試驗結果。

圖8 水性環氧乳化瀝青混合料高低溫性能試驗對比

由圖8 可得：3 種混合料均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）彎拉應變不超過2 000 με、動穩定度大于2 800 次/mm 的要求。環氧樹脂固化反應形成三維網絡結構改善混合料的黏結力，高溫條件下加速環氧樹脂的固化速度，并提供抗變形能力。由于環氧樹脂剛性得到繼承，混合料低溫剛性表現明顯，使得低溫抗裂性差。常衛平［61］提出摻水量會對性能產生影響，其中水穩定性和低溫性能影響最大，高溫性能受摻水量影響較小，綜合3種性能得到最佳摻水量為20%。

3 結論與展望

從材料選擇、配合比設計和路面性能評價3 方面對冷補瀝青混合料研究與發展進行總結，結論如下：

（1）闡明了現行冷補瀝青混合料的種類、成型作用機理以及優缺點。原材料選擇、礦料組成設計、最佳油石比確定以及混合料內部材料性質的改變對于冷補料性能提升至關重要。介紹了4 種級配設計方法并歸納了各自特點，同時橫向對比了3 種經典級配，發現折線型級配具有更好的路用性能。

（2）冷補瀝青混合料性能評價標準一直是學界的難題，本文闡述了冷補瀝青混合料所需的性能評價要求以及影響因素?；旌狭闲阅芩苡绊懚酁椴牧戏N類、成型方法、養生方法、級配選擇等方面；很多專家學者從施工和易性、強度性能方面明確了混合料性能特征。

現階段更多是對冷補材料的開發研制以及施工工藝的研究，力求得到性價比高的冷補材料，對于冷補瀝青混合料的研究在材料選擇、不同材料最佳配合比和施工工藝方面趨于成熟，但是也忽略了理論層面與實際性能之間關聯性的研究，對未來冷補技術研究的問題與展望如下：

（1）目前對冷補技術的研究主要圍繞材料的選擇，新產品開發等方面，而對影響冷補瀝青混合料路用性能的材料組成的交互作用、影響力學行為的性能形成演變規律以及坑槽修補二次破壞機理缺乏系統、完善研究。

（2）對冷補材料的微細觀特征與宏觀路用性能關聯聯系研究，進一步建立定量本構模型等對深入了解冷補材料的耐久性很有必要。

（3）加強水分、動荷載、溫度變化等多場耦合作用下冷補材料服役模擬試驗方法，老化機理以及使用壽命預測等研究，為冷補材料養護修補技術提供指導。