高粘改性劑對(duì)瀝青及OGFC混合料性能的影響

熊子佳，程金梁，鄧成，黃沖,洪錦祥

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)*

高粘改性劑對(duì)瀝青及OGFC混合料性能的影響

熊子佳，程金梁，鄧成，黃沖,洪錦祥

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)*

大孔隙開(kāi)級(jí)配瀝青混合料(OGFC)具有排水、降噪、抗滑等性能，是海綿城市特有的路面結(jié)構(gòu)形式.其核心材料為高粘改性瀝青.通過(guò)考察自主研發(fā)的高粘瀝青改性劑(MBV)和標(biāo)桿產(chǎn)品TPS的相關(guān)性能，探究了高粘改性劑對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響.結(jié)果表明：MBV最佳摻量為瀝青質(zhì)量的13.5%，改性瀝青的粘度達(dá)到21 633 Pa·s，高于規(guī)范要求的20 000 Pa·s，且高粘瀝青混合料性能均與TPS改性瀝青混合料相當(dāng)，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到6 702次/mm，具有較好的高溫耐久性，促進(jìn)了海綿城市的推廣和應(yīng)用.

OGFC；高粘；耐久性；排水；海綿城市

0 引言

2015年10月國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，部署了推進(jìn)海綿城市建設(shè)的工作.海綿城市采用的特殊的路面形式為大孔隙開(kāi)級(jí)配排水性瀝青路面(Open-graded Friction Courses，簡(jiǎn)稱OGFC)，屬于混合料的開(kāi)級(jí)配設(shè)計(jì)，具有排水[1]、降噪[2]、抗滑[3]等性能.OGFC瀝青混合料的核心材料為高粘度改性瀝青.

國(guó)外常用的高粘產(chǎn)品為瀝青高粘改性劑，它是以外摻的方式加入到瀝青混合料中，以提高瀝青的粘度.在歐洲排水性瀝青路面因其具有明顯的降噪效果，得到了廣泛的推廣應(yīng)用.瑞士于1972年率先在機(jī)場(chǎng)應(yīng)用排水瀝青混合料，1980年到1990年十年間西班牙鋪筑了超過(guò)三百萬(wàn)平方米的排水瀝青混合料路面[4].美國(guó)各州將排水性瀝青混合料作為抗滑罩面層.1973年日本引進(jìn)排水瀝青路面技術(shù)，并迅速發(fā)展，規(guī)定在所有高速公路上使用此種類型的路面[5].1996年日本編寫(xiě)了《排水路面技術(shù)指南》，提出了排水路面設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)[6].我國(guó)對(duì)OGFC路面研究起步較晚，關(guān)于高粘改性劑的研究進(jìn)展也不多.現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)使用較多的是日本生產(chǎn)的TPS，進(jìn)口產(chǎn)品較高的價(jià)格極大的限制了排水瀝青路面的推廣應(yīng)用，且常常出現(xiàn)瀝青混合料脫層、松散等耐久性不足的問(wèn)題[7].

本文通過(guò)考察自主研發(fā)的高粘瀝青改性劑(MBV)和標(biāo)桿產(chǎn)品TPS相關(guān)性能，探究了高粘改性劑對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響，進(jìn)一步促進(jìn)了海綿城市的推廣和應(yīng)用.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1)高粘瀝青改性劑

自主研發(fā)的高粘瀝青改性劑(MBV)，應(yīng)用橡膠復(fù)合理論，對(duì)高韌結(jié)網(wǎng)、高溫補(bǔ)彈、階段調(diào)粘組分進(jìn)行優(yōu)選組合，對(duì)聚合物進(jìn)行接枝改性以增強(qiáng)大分子結(jié)網(wǎng)效率.高粘瀝青改性劑MBV能顯著提高改性瀝青的粘度，增強(qiáng)OGFC瀝青混合料的耐久性.

(2)基質(zhì)瀝青

采用重交70#基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)性能見(jiàn)表1.

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)性能

(3)集料

采用的玄武巖集料由南京天印市政工程材料有限公司提供，其基本指標(biāo)按《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程JTG E42—2005》[8]進(jìn)行測(cè)試，集料的基本性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范 JTG F40—2004》[9]的要求.

1.2 試驗(yàn)方法

(1)高粘瀝青的制備

高粘瀝青的制備過(guò)程如下：打開(kāi)油浴鍋，使其溫度升高至180℃，并保持穩(wěn)定；在拌鍋中加入一定質(zhì)量的基質(zhì)瀝青，并進(jìn)行低速攪拌，待其具有良好的流動(dòng)性，按占瀝青一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入高粘瀝青改性劑，先低速(350 r/min)攪拌0.5 h，再高速(4 500 r/min)攪拌1 h；反應(yīng)結(jié)束后，低速攪拌排出氣泡，澆試驗(yàn)?zāi)?，?zhǔn)備測(cè)試.

(2)瀝青物理性能

針入度、延度、軟化點(diǎn)分別按《JTG E-20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[10]中的T0604、T0605、T0606進(jìn)行試驗(yàn).

(3)瀝青布氏粘度

瀝青布氏粘度采用美國(guó)Brookfield LVDV-Ⅱ+Pro旋轉(zhuǎn)粘度儀測(cè)定，其粘度測(cè)量范圍為15～6 000 Pa·s.選用SC- 27號(hào)轉(zhuǎn)子，按《JTG E-20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[10]中的T0625進(jìn)行試驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

在同等條件下，用自主研發(fā)的高粘改性劑MBV和標(biāo)桿產(chǎn)品高粘改性劑TPS按15%的摻量分別制備的高粘瀝青，并進(jìn)行延度、針入度、軟化點(diǎn)物理性能的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

由表2可知，兩種高粘改性瀝青性能相差不大，其中MBV的物理性能較好，這是由于橡塑復(fù)合的高結(jié)網(wǎng)率，使得瀝青在高溫下不易軟化，在低溫時(shí)能保持柔韌性.

表2 高粘瀝青物理性能測(cè)試

粘度是考察高粘瀝青的重要指標(biāo)，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范 JTG F40—2004》[9]規(guī)定60℃的粘度不小于20 000 Pa·s.由于此值已超過(guò)布氏粘度儀的量程，故本文采用測(cè)量不同溫度條件下高粘瀝青的粘度，按lnη- 1/T作圖，擬合曲線多項(xiàng)式，用外推法得到60℃時(shí)瀝青的粘度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2.

圖1 MBV改性瀝青的 lnη- 1/T曲線 圖2 TPS改性瀝青的 lnη- 1/T曲線

圖1和圖2分別為MBV和TPS的lnη- 1/T擬合多項(xiàng)式曲線，由圖可知，隨著溫度的升高，改性瀝青的粘度呈對(duì)數(shù)減小，lnη和1/T基本上滿足線性關(guān)系.由多項(xiàng)式擬合外推得到改性瀝青60℃的粘度見(jiàn)圖3.

圖3 MBV和TPS不同摻量條件下改性瀝青60℃粘度曲線

由圖3可知，TPS摻量為12%時(shí)，即可滿足高粘瀝青粘度的要求.且同摻量條件下，TPS改性瀝青的粘度高于MBV改性瀝青的粘度.MBV摻量達(dá)到13.5%時(shí)，改性青的粘度為21 633 Pa·s，摻量進(jìn)一步升高，改性瀝青的粘度迅速增加，到摻量為16%時(shí)，改性瀝青的粘度達(dá)到44 090 Pa·s.因此，MBV最佳摻量可取13.5%.

3 高粘瀝青混合料路用性能表征

3.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)中，MBV取占瀝青質(zhì)量百分比15%為摻量.根據(jù)規(guī)范要求，排水路面選用OGFC- 13中粒型大孔隙級(jí)配類型.首先選了粗、中、細(xì)3種級(jí)配，根據(jù)公式預(yù)估瀝青用量，成型試件，測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度、析漏、飛散，選取最佳級(jí)配見(jiàn)表3.

表3 OGFC- 13級(jí)配設(shè)計(jì)

選取五個(gè)瀝青用量，進(jìn)行最佳油石比試驗(yàn).混合料性能結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

由析漏試驗(yàn)曲線的拐點(diǎn)確定黏附甚少的瀝青用量，作為最大瀝青用量的限值.由飛散試驗(yàn)曲線的拐點(diǎn)確定基本上很少散失的瀝青用量，并往往以此作為最佳瀝青用量.由圖4得到瀝青用量范圍為4.5%～4.8%.確定4.5%為最佳瀝青用量.

圖4 瀝青用量范圍的確定

3.2 析漏和飛散損失

排水瀝青混合料的大空隙，對(duì)材料自身的耐久性是一個(gè)考驗(yàn).最為廣泛的檢測(cè)方法為飛散試驗(yàn)和析漏試驗(yàn)，從最小瀝青用量和最大瀝青用量?jī)蓚€(gè)方面，保證透水瀝青混合料中集料表面被裹覆足夠厚的瀝青膜，以確保其使用過(guò)程中的耐久性.

按表3中的級(jí)配，采用擊實(shí)法成型試件，按規(guī)范要求考察高粘瀝青混合料的性能.其中MBV摻量為13.5%，TPS摻量分別取12%和13.5%，以外投的方式加入混合料中.瀝青混合料性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 高粘瀝青混合料性能

由表5可以看到，兩種高粘瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)要求.其中析漏損失率均較小，這是因?yàn)榧?jí)配設(shè)計(jì)中最佳瀝青用量取值接近最小瀝青用量.飛散損失率均滿足要求，當(dāng)MBV與TPS均取13.5%為摻量時(shí)，由于TPS高粘瀝青粘度較大，瀝青對(duì)骨料的粘結(jié)性更大，其飛散損失率稍小于MBV高粘瀝青，其馬歇爾穩(wěn)定度稍大于MBV高粘瀝青，但二者相差并無(wú)明顯的差距.當(dāng)TPS取其最小摻量12%時(shí)，其飛散損失率明顯大于MBV高粘瀝青，而其馬歇爾穩(wěn)定度小于MBV高粘瀝青.因此，在最佳摻量條件下，MBV高粘瀝青混合料的耐久性要優(yōu)于TPS高粘瀝青混合料.此外，結(jié)合上述對(duì)瀝青粘度的討論可以發(fā)現(xiàn)，高粘瀝青混合料的耐久性與瀝青的粘度有較明顯的相關(guān)性.

3.3 動(dòng)穩(wěn)定度

將MBV以13.5%摻量直接投入到瀝青混合料中拌和，TPS以13.5%和12.5%兩種摻量直接投入到瀝青混合料中拌和，按照OGFC- 13的級(jí)配，按照《JTG E-20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[10]中的T0719-2011要求成型車(chē)轍板，并在60℃標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6所示.

表6 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值

動(dòng)穩(wěn)定度是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)之一，它直接反映了在高溫時(shí)瀝青混凝土的粘結(jié)力和骨料間的內(nèi)摩擦角的大小.若瀝青集料間有足夠大的粘結(jié)力，內(nèi)摩擦角較大，結(jié)構(gòu)和材料均合理，則在高溫時(shí)，瀝青混凝土路面不易發(fā)生軟化、推擠而形成車(chē)轍[11].因此，動(dòng)穩(wěn)定度也可作為OGFC瀝青混凝土路面耐久性的指標(biāo)之一.

由表6可知，在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)條件下，兩種高粘瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均超過(guò)了6 000次/mm，達(dá)到了瀝青改性劑的規(guī)范要求.其中在13.5%這種相同摻量下比較可知，TPS高粘瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度稍大，說(shuō)明在13.5%的摻量條件下，TPS能給予瀝青混合料更大的粘附性，這與粘度試驗(yàn)結(jié)果相一致.而當(dāng)TPS取其最佳摻量12%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度值稍大，車(chē)轍深度較小，但其變異系數(shù)較大.而摻量13.5%時(shí)TPS和MBV瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值變異性均較小，說(shuō)明改性劑能在混合料中均勻分散，混合料各部分性能較均一.

4 結(jié)論

(1)MBV在摻量大于等于13.5%時(shí)改性瀝青粘度能達(dá)到規(guī)范要求的20 000 Pa·s，且高粘瀝青及混合料性能均與TPS高粘瀝青混合料相當(dāng)，摻加了MBV的OGFC瀝青混合料飛散損失率僅為8.75%，馬歇爾穩(wěn)定度為3.92 kN，具有良好的耐久性.其動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到6 702次/mm，路用性能較佳;

(2)自主研發(fā)的高粘度瀝青改性劑MBV能達(dá)到規(guī)范對(duì)OGFC瀝青混凝土的性能要求，促進(jìn)了海綿城市的推廣和應(yīng)用.

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Study of Pavement Performance of High Viscosity Modifier in Asphalt and OGFC Mixture

XIONG Zijia,CHENG Jinliang,DENG Cheng,HUANG Chong,HONG Jinxiang

(Jiangsu Sobute New Materials Co.,Ltd,Nanjing 211103,China)

Open-graded friction courses asphalt mixture has the propeties of the drainage,noise reduction,anti-slip,and pavement structure is a unique form of sponge city.By investigation the independent development of high viscosity asphalt modifier MBV and TPS performance,the influence of viscosity modifier asphalt and asphalt mixture properties is explored.The results show that the MBV optimum adding amount is 13.5%.Viscosity of the modified asphalt is 21 633 Pa·s,higher than the standard requirements 20 000 Pa·s.The MBV modified asphalt mixture properties are equivalent to the modified asphalt mixture with TPS properties.With dynamic stability of 6 702 times/mm.The MBV modified asphalt has good high temperature durability.

OGFC;high-viscosity;durability;drainage;sponge city

1673- 9590(2017)05- 0094- 04

A

2016- 10- 08

江蘇省建設(shè)廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(JS2015JH10)

熊子佳(1988-)，女，助理工程師，碩士，主要從事道路工程材料的研究 E-mail:xiongzijia2008@126.com.