科宁冷补沥青混合料的配制技术与性能分析

摘要：本文结合单位生产的科宁冷补沥青混合料进行了说明与阐述，并提出作者自己的一些看法与建议。

关键词：科宁冷补沥青混合料配制技术性能分析

一、冷补材料的特点

为了解决冬季不利气候条件下路面的及时性修补问题，20世纪80年代，国外已经开始冷补材料的试验与应用。20世纪末，许多外国企业看好中国市场，纷纷来华推销他们的冷补材料。国内已有多家科研单位进行冷补添加剂的研制。冷补添加剂的不同，将直接影响冷补材料的性能与质量。2002年，我们在考察、调研了国内外冷补材料的应用情况后，与北京安通科宁建筑材料有限公司合作，引进美国生产的科宁冷补添加剂(KN)，在G312线礼泉养护基地建厂，研究、生产冷补材料，我们称之为科宁冷补沥青混合料。通过我们不断的调制与研究试验，现已基本掌握了这种冷补材料的特性与配制技术。建厂一年来，已生产科宁冷补沥青混合料4000多吨，在我省陕南、陕北、关中地区广泛使用，路用效果良好，可以说填补了我省在冬季低温和雨雪天气等不利气候条件下公路修补的一项空白。

二、科宁冷补混合料的配制原理

(一)材料组成

科宁冷补沥青混合料由沥青、柴油、科宁冷补添加剂和矿料组成。生产时，预先配制冷补沥青，然后采用专用冷拌沥青搅拌设备按与传统热拌工艺相似的方法与矿料混合，即可生产出冷补材料。

(二)材料性能

1、冷补沥青由添加剂、沥青和柴油按一定比例混合而成，有冬季和夏季两种配方，常温下呈液态。冷补沥青主要起粘和剂的作用，它将混合料粘结在一起，并将修补材料和路面粘和。当沥青被稀释后，原有基质沥青的性能将被破坏，添加剂的加入，使稀释沥青的性能得到改性，使其具有冷补材料所需的低温粘聚性、抗冻性等性能。

2、科宁冷补添加剂由多种聚合物组成，是配制冷补沥青的关键原料，常温下呈液态油状，性质一般比较稳定，有轻微刺激性气味，用桶装，每桶180kg，可生产混合料180吨。科宁冷补添加剂可以改进稀释后的沥青与干(湿)骨料之间的粘附性能，并改善低温工作性能，提高水稳性能，它提供的凝胶结构可稀释沥青低温增粘，并有助于冷补材料初期强度的形成。

3、柴油属于稀释剂，用于稀释沥青，它可使混合料在堆放时不结团，其挥发速度直接影响冷补料的强度形成时间。

(三)科宁冷补沥青混合料的强度形成机理

科宁冷补沥青混合料的强度形成过程与热拌沥青混合料的强度形成有所不同。热拌沥青混合料是热塑性的，当沥青温度降到常温时混合料的强度就完全形成。而冷补沥青混合料的沥青经过改性后，已基本不完全是热塑性，混合料的强度形成有一个缓慢的过程。混合料被摊铺、碾压时具有可塑性、流动性，可被挤压至坑槽中任何不规则的地方，在行车和空气的作用下，溶剂逐渐挥发，沥青逐步变稠，矿料之间粘结更加紧密，空隙率减小，混合料的密实度增大，对路面软的感觉逐步消失。此后随着时间的推移，强度会逐步啬，变形和强度会逐步稳定，添加剂在不破坏沥青原有胶体结构的情况下，增强了沥青的粘附性和沥青混合料的水稳性、低温抗裂性，达到或超过热拌沥青混合料冷却后的性能。

混合料变硬、强度形成和趋于稳定与很多因素有关。外因：气温、车流量、铺筑层厚度。内因：矿料级配类型、稀释剂的多少等。

四、科宁冷补沥青混合料的配制方法

(一)科宁冷补沥青的配比

在生产科宁冷补沥青混合料时，先在实验室进行冷补沥青配比试验。科宁公司提供有冬季和夏季两种配方。由于夏季一般采用热拌沥青混合料，故未生产。根据养护实际，我们在室内进行了冬季、春秋季两种类型的KN冷补沥青配比试验。

科宁公路提供的冬季配方为：冷补剂∶柴油∶沥青=2.5∶24∶73.5，经室内配置试验，发现生产出的冷补材料其粘聚性差，易离析。经过反复试验，确定室内配比为：冷补剂∶柴油∶沥青=2.5∶17.5∶80，该配方生产的沥青混合料粘聚性好，不易离析。以上配比中矿料级配是根据科宁公司提供的KN-13型矿料级配技术要求进行的试配，其矿料合成级配为10～15mm碎石为40%，0～5mm碎石为58%，石屑为2%，沥青用量为4.9%。

KN冷补沥青混合料室内配比工艺为：2.5%冷补剂与17.5%柴油混合后，加入80%温度为120℃的基质沥青，形成冷补沥青，再与温度为60℃的矿料拌合。

科宁公司提供的技术资料中说明，科宁冷补沥青用量原则上以颗粒4.75mm以下的矿料范围变化趋势进行相应的调整，每0.25%为一个调整范围。生产时冷补沥青用量可参照下面计算公式：

P=0.02A+0.07B+0.15C+0.20D

其中：P―一定重量的干燥的矿料中应加入的冷补沥青的数量(油石比)

A―保留在300μm以上的集料的量(%)

B―300μm至150μm之间集料的量(%)

C―150μm至75μm之间集料的量(%)

D―75μm以下集料的量(%)

参照以上公式，我们根据公路养护生产实际需要以及矿料级配的不同，配制出了以下几种配方，以适用不同的养护需要。

(二)科宁冷补沥青混合料的矿料级配

矿料级配除采用科宁公司推荐的KN-13外，我们又根据养护实际，选用AM-16、AM-20、AM-25三种级配进行了试验，试验证明，选用以上三种沥青碎石结构生产的科宁冷补材料因其空隙率大柴油较易挥发，抗车辙性能好，适宜于厚度在5cm以上的坑槽下面层铺筑，KN-13则适宜于上面层及厚度5cm以下的坑槽。

科宁冷补沥青混合料中冷补沥青的配比是关键，其中当柴油用量较大时混合料强度形成慢；当柴油用量较小时混合料凝固较快，使用时不易操作。在生产时应根据施工季节、交通量大小、病害面积等因素选择配比。

（三）科宁冷补沥青混合料的生产

1.原材料及生产设备

添加剂选用科宁公司提供的科宁冷补添加剂(美国产)，溶剂选用国产-10号柴油，沥青选用兰炼中、轻道路石油沥青A-100乙型，矿料选用机轧碎石。所选材料均经过室内试验，满足规范和使用要求。

生产设备除应有沥青存储和加热掊水设施外，还应配置“KN-冷补沥青”混合罐，混合罐应具有机械搅拌或油泵循环装置及加热系统，以便能够实现科宁冷补沥青配制时循环搅拌和保温要求。礼泉基地选用的生产设备主要有：50吨导热油设备，3号搅拌罐，西安筑路机械厂生产的YLB-40型沥青拌和机。

2.生产过程

科宁冷补混合料生产工艺流程

首先，按确定的生产配比在搅拌罐中导入脱水沥青，再按配比分别加入添加剂和柴油，在搅拌罐中配制冷补沥青，搅拌时间约三十分钟左右，保证搅拌均匀。配制时要严格控制材料的剂量，并注意冷补沥青的温度，温度宜保持在80～120℃范围内，最高不能超过140℃。

其次，按矿料级配要求进行配料，如矿料的含水量≤4%时，可直接冷拌；如矿料含水量＞4%时，应首先将矿料进入烘干筒加热至60℃左右，但出料温度不得大于80℃，以免出现离析现象。

五、科宁冷补沥青混合料的性能分析试验

(一)基本材料性能试验

1、基质沥青

采用兰炼中、轻道路油沥青A-100乙型。

(二)KN冷补沥青混合料性能试验

目前国内外冷补沥青混合料还没有具体的技术指标和规范。试验时，参照热 热沥青混合料试验方法，结合交通部公路科学研究所、科宁公司以及长安大学张秀华教授“HU-L型冷施工沥青混合料”材料简介中的有关试验方法，对KN冷补沥青混合料进行试验分析。

冷补沥青室内配比为：冷补剂∶柴油∶沥青=2.5∶17.5∶80

1、混合料稳定度试验

制作方法：将拌合好的冷补沥青混合料在163℃下，烘置5小时后，按照热拌沥青混合料试验方法，制成马歇尔试验试件，再进行各项指标试验。本次试验选用中轻型交通指标两边各击实50次。

3、KN冷补沥青混合料抗剥离试验

取KN冷补沥青混合料50g，置于600mml烧杯中，加入400mml水煮沸，进行水煮法检验，试验时用玻璃搅棒以1周/s的速率持续3分钟后，用纸捞走水面漂浮的沥青膜，倒掉水，将混合料倒在纸上进行观察，石料表面所裹附的沥青没有任何剥落，试验要求裹附面不小于95%。

4、低温工作度和抗冻性

按照KN冷补沥青混合料的试验要求，将KN冷补沥青混合料在松散状态下，放进-10℃的冰柜中，保持24小时，取出放置室外于空气温度相符后，用铝铲拌和操作；铲子很容易插入试样中，拌和方便，没有发现凝聚结块现象，很容易摊铺。

当温度下降时，热拌沥青混合料会出现凝聚、结块、收缩、裂缝、变脆而易断裂等不稳定现象。掺加了KN冷补剂和柴油的沥青混合料，它具有低温工作度和抗冻性以及低温稳定性。

5、粘聚性

按照KN冷补沥青混合料的试验要求，将KN冷补沥青混合料冷却至4℃，按照马歇尔试件的击实方法正反击实5次，制做试件，脱模后放在筛孔25mm的方孔筛中，将筛子竖立滚动20次，称取筛子中残留试样质量，残留试样达100%，符合要求。

6、路面取芯试验

冷补沥青混合料强度形成需要一个缓慢的过程。我们经过对G108线K423+500和G312线K1535+900两处修这站时间达一年的路面坑槽进行钻孔取芯试验，结果如下：

六、效益分析

科宁冷补沥青混合料同热拌料相比，具有能长期存放、适用低温不利气候施工、随用随取、环保等优越性，特别是在冬季，对路面病害可以做到随坏随补，减少和防止了路面病害的扩大，保证了路面的及时养护。由于冷补沥青混合料中的添加剂以及管理、包装需要一定投资，使得成本有所提高。精略测算，科宁冷补沥青混合料的价格大约是热拌沥青混合料的1～1.5倍左右。但在冬季低温不利季节使用科宁冷补料，路面病害能够及时得到修补，保证了车辆畅通和运输安全，社会效益显著。

七、结语

通过试验及应用，证明使用科宁冷补材料进行路面病害修补，其路用效果和各项质量指标均能达到规范要求，尤其是在冬季和 和雪等不利气候条件下进行路面病害修补，性能和质量指标也没有降低。

目前，冷补材料已在我国许多地区试验及应用，建议国家应尽快制定冷补材料的技术标准和规范，以利于冷补材料的进一步推广应用。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。