聚合物復(fù)合添加劑形態(tài)參數(shù)對瀝青混合料拌和工藝及技術(shù)性能的影響

楊 黔，郝培文

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

使用改性瀝青或在瀝青混合料中摻加其它材料可以明顯改善瀝青路面的使用性能并延長使用壽命，因此市場上出現(xiàn)了多種瀝青混合料聚合物復(fù)合添加劑，如法國的PRI、德國的Duroflex和Domix及中國的Rad Spunrie等[1-4]。通過外摻聚合物復(fù)合添加劑對瀝青混凝土進(jìn)行直接改性，相比于傳統(tǒng)的改性方法，聚合物復(fù)合添加劑改性瀝青混凝土除了能兼顧高溫車轍、低溫抗開裂和抗水損害能力外，在拌和工藝方面也采用直接投放法，便于現(xiàn)場使用。然而，目前國內(nèi)外對聚合物復(fù)合添加劑改性瀝青混凝土的研究主要集中在路用性能方面，對聚合物復(fù)合添加劑與熱集料拌和前后形變參數(shù)變化影響因素及其對瀝青混合料性能的影響因素還沒有研究，導(dǎo)致聚合物復(fù)合添加劑對瀝青混合料的改性作用未能得到充分發(fā)揮。

筆者采用IPP圖像處理軟件分析3種聚合物復(fù)合添加劑與熱集料作用前后面積、最大半徑等5個指標(biāo)的不同變化情況，采用簡易式瀝青混合料和易性設(shè)備測試不同類型瀝青混合料的和易性，選擇AC-20C和AC-13C兩種級配進(jìn)行瀝青混合料路用性能試驗(yàn)和貫入剪切試驗(yàn)[5]，得出聚合物復(fù)合添加劑形變參數(shù)的影響因素及其對瀝青混合料路用性能的影響因素。

1 原材料

1.1 聚合物復(fù)合添加劑

采用3種不同組成的聚合物復(fù)合添加劑，聚合物復(fù)合添加劑A表面呈黃褐色的小柱狀固體顆粒，聚合物復(fù)合添加劑B，C表面呈黑色的扁平狀固體顆粒，可在常溫下保存，根據(jù)切割技術(shù)不同，規(guī)格約2～3 mm左右。從表1技術(shù)指標(biāo)可見，3種聚合物復(fù)合添加劑主要區(qū)別在于熔融指數(shù)，這與聚合物復(fù)合添加劑原材料組成有關(guān)。

表1 聚合物復(fù)合添加劑技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of PCA

1.2 瀝青材料

基質(zhì)瀝青選用70 #茂名石化生產(chǎn)的瀝青?；|(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的基本性能試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 瀝青原材料基本性能Table 2 Basic properties of asphalt

1.3 礦 料

粗集料采用石質(zhì)堅(jiān)硬、清潔、不含風(fēng)化顆粒、表面粗糙，近立方體顆粒的碎石，粒徑大于2.36 mm；細(xì)集料應(yīng)堅(jiān)硬、潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)，并有適當(dāng)級配的人工軋制砂；礦粉必須滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。礦料級配如表3。

表3 AC-20C級配設(shè)計(jì)Table 3 Gradation design of AC-20C

2 瀝青混合料試樣制備

2.1 聚合物復(fù)合瀝青混合料性能試驗(yàn)試樣

聚合物干法拌和工藝：首先，按表3中的AC-20C合成級配將集料加入拌和鍋中，加熱至180 ℃，按照瀝青混合料0.4%的比例加入聚合物復(fù)合添加劑，拌和90 s，完成對熱集料表面的裹覆[6-8]，然后，加入瀝青拌和90 s。拌和好的瀝青混合料以備聚合物復(fù)合瀝青混合料性能試驗(yàn)用。

2.2 聚合物復(fù)合添加劑與熱集料裹附效果試樣

選擇13.2 mm大小的集料顆粒，與聚合物復(fù)合添加劑熱拌。對比拌和時(shí)間90 s時(shí)聚合物復(fù)合添加劑與集料裹附效果，以說明聚合物復(fù)合添加劑不同形變對碎石裹附率的影響。為了更加明顯地看出聚合物復(fù)合添加劑與集料相互作用的情況，在不采用化學(xué)顯微鏡觀察的情況下，該部分試驗(yàn)聚合物復(fù)合添加劑的摻量由0.4%增加到1.0%，同時(shí)集料與拌和鍋的溫度較正常增加40 ℃，達(dá)到220 ～230 ℃。拌和好的瀝青混合料以備聚合物復(fù)合添加劑與熱集料裹附效果試驗(yàn)用。

2.3 聚合物復(fù)合瀝青混合料和易性試驗(yàn)試樣

按表3中AC-20C級配，采用70 # 基質(zhì)瀝青，分別加入0.4%的聚合物復(fù)合添加劑A，B，C，得到聚合物復(fù)合瀝青混合料A4，B4，C4，同時(shí)配制基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料作為對比，在120～180 ℃(間隔15 ℃)溫度下拌和，制備得到5種不同瀝青混合料，拌和好的瀝青混合料以備聚合物復(fù)合瀝青混合料和易性試驗(yàn)用。

3 瀝青混合料性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 聚合物復(fù)合瀝青混合料拌和后情況描述

拌和結(jié)束后待溫度降至常溫時(shí)，將拌和好的集料 + 聚合物復(fù)合添加劑取出，小心地將集料與聚合物復(fù)合添加劑分離開。分離過程中可明顯地看到：

1)在同種摻量、同種拌和溫度下聚合物復(fù)合添加劑A發(fā)生的融化和拉絲現(xiàn)象最為普遍，除部分黏附在一起外，呈現(xiàn)拉絲和切斷的現(xiàn)象最為明顯；

2)粒徑相對較小的聚合物復(fù)合添加劑B除部分自身黏附在一起外，其余均只在形態(tài)上稍有變化；

3)聚合物復(fù)合添加劑C出現(xiàn)的情況比較特殊，黏附在一起的不多，基本上都被壓薄，面積增大最明顯，且部分黏附在集料表面。

3.2 聚合物復(fù)合添加劑與熱集料拌和前后形態(tài)參數(shù)

采用Image Pro Plus(IPP)圖像處理軟件，以表面積、聚合物復(fù)合添加劑橢圓外切的長短比、最大半徑、最小半徑、半徑比等為指標(biāo)進(jìn)行分析，得到干拌后聚合物復(fù)合添加劑的各種形態(tài)變化情況，見圖1。聚合物復(fù)合添加劑擺放整齊后導(dǎo)入IPP程序，通過程序自動提取出所需指標(biāo)值，如圖2。

圖1 聚合物復(fù)合添加劑指標(biāo)Fig.1 Technical indexes of PCA

圖2 IPP程序界面Fig.2 IPP program interface

為了能充分說明拌和前后聚合物復(fù)合添加劑形態(tài)的變化差別，借用數(shù)率統(tǒng)計(jì)的方法對IPP圖像提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析直方圖、相圖等得出均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如表4。

表4 選擇評價(jià)指標(biāo)樣本均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 4 Selection mean value and standard deviation of samples

由表4可知：

1)3種聚合物復(fù)合添加劑表面積平均值，拌和前為C>A>B，拌和后為C>B>A。聚合物復(fù)合添加劑C拌和后表面積增加幅度最大，增幅為2.07倍；其次是聚合物復(fù)合添加劑B，增幅為1.47倍；聚合物復(fù)合添加劑A增幅最小，為1.41倍。

2)拌和后聚合物復(fù)合添加劑A，B，C的外切橢圓長短比值分別比拌和前提高了56%，19%，27%，可見，聚合物復(fù)合添加劑A拌和前后的橢圓外切長短比遠(yuǎn)大于聚合物復(fù)合添加劑B，C。

3) 3種聚合物復(fù)合添加劑的最大半徑平均值，拌和后均大于拌和前，增加幅度從大到小為C>A>B。

4)拌和后，聚合物復(fù)合添加劑B，C的平均最小半徑均有增加，且增加幅度為C>B；聚合物復(fù)合添加劑A拌和后的最小半徑卻減小，說明在拌和過程中聚合物復(fù)合添加劑A發(fā)生了拉絲現(xiàn)象。

5)拌和后，聚合物復(fù)合添加劑A，B，C的半徑比分別為6.7，1.79，2.87倍。聚合物復(fù)合添加劑A的長短半徑比明顯變大，及拌和后標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯增大證實(shí)，拌和過程中聚合物復(fù)合添加劑A發(fā)生了拉絲現(xiàn)象。

綜上，不同聚合物復(fù)合添加劑在同樣的熱與力耦合作用下，拌和后形態(tài)表現(xiàn)出顯著差別，熔融指數(shù)最高的聚合物復(fù)合添加劑B顆粒在集料中分散均勻，外觀成柱狀體的聚合物復(fù)合添加劑A顆粒在集料中拉絲現(xiàn)象最為明顯，外觀成餅狀的聚合物復(fù)合添加劑C顆粒在集料中被明顯壓扁且基本無拉絲現(xiàn)象，這些現(xiàn)象均說明聚合物復(fù)合添加劑熔融指數(shù)不同將影響其形態(tài)參數(shù)。

3.3 聚合物復(fù)合添加劑與熱集料的裹附效果

按照2.2制備試樣，利用IPP圖像處理軟件的像素統(tǒng)計(jì)功能，得到添加劑像素?cái)?shù)量與圖像像素總數(shù)。按式(1)計(jì)算添加劑覆蓋率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

(1) 表5 3種聚合物復(fù)合添加劑對13.2 mm碎石的覆蓋率Table 5 Coverage of the three PCA on 13.2 mm gravel

結(jié)合表1、表5可知，熔融指數(shù)越大，聚合物復(fù)合添加劑與集料的覆蓋率越高，說明熔融指數(shù)及聚合物復(fù)合添加劑形態(tài)變化參數(shù)對聚合物復(fù)合添加劑與熱集料的覆蓋率有影響。

3.4 聚合物復(fù)合瀝青混合料和易性

按照2.3制備試樣，通過扭矩扳手黏結(jié)的混合料攪拌測定瀝青混合料在不同溫度下的和易性值，得到聚合物復(fù)合添加劑改性瀝青混合料的合理拌和溫度。5種瀝青混合料的拌和時(shí)間、集料加熱溫度均一樣，基質(zhì)瀝青混合料的拌和溫度155 ℃與壓實(shí)溫度140 ℃通過黏溫曲線確定，表6為5種瀝青混合料和易性試驗(yàn)結(jié)果。

從表6可知，在各個拌和溫度下，4種改性瀝青混合料的和易性均大于基質(zhì)瀝青混合料，其原因是由于SBS改性劑和聚合物復(fù)合添加劑均不同程度地增加了瀝青的黏度。瀝青黏度對混合料和易性值有主要作用，通過基質(zhì)瀝青混合料的拌和溫度155 ℃下的和易性值可得到的4種改性瀝青混合料拌和溫度為175 ℃左右，且SBS改性瀝青混合料與3種聚合物復(fù)合改性瀝青混合料在該溫度下的和易性值相差很小，B4的和易性值最大，換言之，聚合物復(fù)合添加劑B對瀝青混合料黏結(jié)性增加的影響最大?？梢哉J(rèn)為，對于3種聚合物復(fù)合改性瀝青混合料的拌和溫度與常規(guī)SBS改性瀝青混合料的拌和溫度相同即可，并無特殊要求。

從表7可知，覆蓋率及165 ℃和易性與拌和前后面積比、最大半徑正相關(guān)，且相關(guān)性很好，最大半徑及長短半徑比與聚合物復(fù)合添加劑熔融指數(shù)正相關(guān)，相關(guān)性較好，覆蓋率高的聚合物復(fù)合添加劑，其相應(yīng)的瀝青混合料和易性值也較大。

表7 聚合物復(fù)合添加劑形態(tài)參數(shù)與覆蓋率及和易性的相關(guān)性Table 7 Correlation between shape parameters of PCA and coverage of PCA on gravel and workability

3.5 聚合物復(fù)合添加劑形變參數(shù)與瀝青混合料技術(shù)性能相關(guān)性

為了得到聚合物復(fù)合添加劑拌和前后形態(tài)變化參數(shù)與瀝青混合料技術(shù)性能間的相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)按照2.2分別制備基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、分別摻加A、B、C聚合物復(fù)合添加劑的瀝青混合料共5種試樣，成型馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件和車轍試件，進(jìn)行AC-13C和AC-20C兩種級配的貫入剪切試驗(yàn)和路用性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 路用性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Road performance indexes

(續(xù)表8)

路用性能指標(biāo)基質(zhì)瀝青混合料SBS改性瀝青混合料聚合物復(fù)合改性瀝青混合料A4B4C4AC?20CAC?13CAC?20CAC?13CAC?20CAC?13CAC?20CAC?13CAC?20CAC?13C低溫性能彎拉應(yīng)變/με2506．52725．13473．33418．23557．73883．52450．22279．52929．22720．8彎曲應(yīng)變能/kPa7．034．7813．910．0714．1710．4910．786．6513．167．84水穩(wěn)定性殘留穩(wěn)定度/%86．9677．5385．9390．388．3387．2887．4983．0585．4581．44凍融劈裂比/%77．3978．6990．591．486．195．3077．7289．8785．4677．14

從表8可知，相對于普通瀝青混合料，外摻3種聚合物復(fù)合添加劑的瀝青混合料的性能均有不同程度提高。聚合物復(fù)合添加劑A能明顯提高瀝青混合料的低溫性能和高溫性能；聚合物復(fù)合添加劑B能明顯提高瀝青混合料的高溫性能，但瀝青混合料低溫性能略有降低；聚合物復(fù)合添加劑C提高瀝青混合料高溫性能，但其水穩(wěn)性能略有降低。

表9為3種聚合物復(fù)合添加劑拌和前、后形態(tài)參數(shù)變化比與瀝青混合料路用性能的相關(guān)性情況。

表9 聚合物復(fù)合添加劑形態(tài)參數(shù)與瀝青混合料路用性能的相關(guān)性Table 9 Correlation between shape parameters of PCA and road performances of asphalt mixture

由表9可知：

1)從高溫抗車轍性能兩個指標(biāo)來看，聚合物復(fù)合添加劑拌和前后面積變化、橢圓外切長短比、最大半徑、長短半徑比與高溫抗車轍指標(biāo)正相關(guān)，而拌和前后最小半徑與高溫抗車轍指標(biāo)負(fù)相關(guān)。分析其原因是：4個指標(biāo)將決定聚合物復(fù)合添加劑在瀝青混合料中的分布情況，分布均勻的聚合物復(fù)合添加劑變形體在瀝青混合料中形成很多網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而形成較好的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

2)從低溫抗開裂性能的兩個指標(biāo)來看，橢圓外切長短比和長短半徑比兩個指標(biāo)變化情況與瀝青混合料低溫性能負(fù)相關(guān)，最小半徑與低溫性能正相關(guān)，如摻加聚合物復(fù)合添加劑A的瀝青混合料低溫性能明顯優(yōu)于添加聚合物復(fù)合添加劑B和C的瀝青混合料。分析其原因是，聚合物復(fù)合添加劑A在干拌過程中出現(xiàn)了明顯的拉絲狀態(tài)，這對提高瀝青混合料的低溫性有顯著幫助。

3)從水穩(wěn)定性能兩個指標(biāo)來看，聚合物復(fù)合添加劑拌和前后形態(tài)變化參數(shù)指標(biāo)與兩個評價(jià)指標(biāo)存在正負(fù)相關(guān)性，差異性較大，主要是受兩個指標(biāo)的試驗(yàn)方法與手段影響。總的來說，拌和前后面積比與最大最小半徑對水穩(wěn)定性有較為明顯的影響。

4 結(jié) 論

1)聚合物復(fù)合添加劑熔融指數(shù)、外觀尺寸對其與熱集料拌和前后形態(tài)變化有不同程度的影響，熔融指數(shù)較大且外觀尺寸較小的聚合物復(fù)合添加劑與碎石裹附率較高。

2)熔融指數(shù)對聚合物復(fù)合添加劑瀝青混合料和易性值有較大的影響，室內(nèi)和易性試驗(yàn)結(jié)果表明聚合物復(fù)合添加劑改性瀝青混合料可以采用與SBS改性瀝青混合料同樣的拌和溫度。

3)聚合物復(fù)合添加劑拌和前后的形態(tài)變化情況在某種程度上將決定聚合物復(fù)合添加劑在提高瀝青混合料技術(shù)性能方面的優(yōu)劣，聚合物復(fù)合添加劑在與熱集料作業(yè)過程中，拉絲現(xiàn)象最為明顯的普遍能提高瀝青混合料低溫性能，碎石覆蓋率最高的能大幅度提高瀝青混合料高溫性能。

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