彩色透水瀝青混合料的性能優(yōu)化

周水文，張曉華，張 蓉，何平芝，毛 成

(1.四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 611141；2.四川省路面結(jié)構(gòu)材料及養(yǎng)護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130)

0 引 言

彩色瀝青路面具有與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)、美化城市、減緩駕駛疲勞、促進(jìn)行車安全、降低路面噪音、緩解“熱島效應(yīng)”等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，在城市道路中得到廣泛的應(yīng)用，形成了溫拌彩色瀝青混凝土路面、彩色微表處、熱拌彩色瀝青路面等多種技術(shù)[5-7]。目前在瀝青膠結(jié)料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工工藝方面都取得一系列研究成果，但多是針對(duì)密級(jí)配瀝青混合料[8-11]。隨著“海綿城市”建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略，人們不僅要求道路具備舒適美觀的特點(diǎn)，還要能透水、凈水，因此彩色透水瀝青混合料應(yīng)運(yùn)而生，其空隙率可達(dá)20%以上。張瑜[12]依托上海世博園工程，提出了人行道彩色瀝青及OGFC-10混合料性能要求，但技術(shù)指標(biāo)偏低。王文娟[13]提出彩色透水瀝青混合料原材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)和混合料的性能指標(biāo)。錢振東[14]認(rèn)為，通過TPS和SBS復(fù)合改性，可有效提高彩色瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度，改善混合料的高低溫穩(wěn)定性以及耐久性能。郝培文[15]配制了系列彩色瀝青，但其技術(shù)指標(biāo)仍然采用常規(guī)性能指標(biāo)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《城市道路彩色瀝青混凝土路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 218—2014)，提出透水瀝青混合料的相關(guān)技術(shù)要求，但對(duì)瀝青的技術(shù)要求基本參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)，其可行性還有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，對(duì)于透水彩色瀝青混合料的研究目前還處于起步階段，彩色瀝青膠結(jié)料的選擇、混合料的性能要求、施工工藝等尚無統(tǒng)一的規(guī)范可遵循。本文選擇3種彩色瀝青膠結(jié)料，采用瀝青改性、混合料改性2種方法，研究優(yōu)化彩色透水瀝青混合料性能的技術(shù)措施。

1 原材料及配合比

1.1 原材料

1.1.1 集料

為了保證彩色瀝青混合料的顏色，采用四川雅安生產(chǎn)的紅色花崗巖集料，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 花崗巖的物理指標(biāo)

1.1.2 瀝青膠結(jié)料

目前，彩色瀝青膠結(jié)料主要有脫色瀝青和淺色樹脂類材料兩種，由于脫色瀝青工藝復(fù)雜、成本高、污染大、性能較差，目前已很少采用[16-17]，淺色樹脂類材料黏結(jié)性、彈性、韌性等均優(yōu)于普通瀝青，是目前應(yīng)用的主流[18-19]。本文選擇目前國內(nèi)應(yīng)用較多的上海群康、山東康德孚美、四川路勝3種淺色樹脂類材料，其性能如表2所示。可以看出：3種瀝青均有幾個(gè)性能指標(biāo)不滿足CJJ/T 218—2014對(duì)特種瀝青的技術(shù)要求，特別是動(dòng)力黏度指標(biāo)，與規(guī)程要求差距過大；群康瀝青兼顧了高低溫性能。

1.1.3 改性劑

(1)瀝青改性劑。TPS改性劑是由日本大有建筑株式會(huì)社為透水性瀝青混凝土路面專門生產(chǎn)的瀝青改良添加劑，常態(tài)下TPS改性劑為淡黃色顆粒狀固體，長度大約為2～3 mm。RST改性劑是由上海路橋?yàn)橥杆詾r青混凝土路面專門生產(chǎn)的瀝青改良添加劑，常態(tài)下為淡黃色顆粒狀固體。SBS改性劑采用岳陽石化合成橡膠廠生產(chǎn)的SBS改性劑，外觀呈白色立柱狀。

表2 彩色瀝青的性能

(2)混合料改性劑。混合料改性劑是專門針對(duì)彩色瀝青混合料高溫性能研發(fā)的添加劑，由白色、黑色兩種顆粒材料組成。高模量改性劑是改善瀝青混合料高溫性能的添加劑，常態(tài)下呈黑色顆粒狀。

1.1.4 顏料

顏料采用鐵紅130，產(chǎn)地為四川，鐵紅是鐵的氧化物中最穩(wěn)定的化合物。鐵紅對(duì)光的作用很穩(wěn)定，而且能吸收紫外線部分，對(duì)水和大氣的作用穩(wěn)定。

圖1 OGFC-10級(jí)配曲線

1.2 配合比

本文采用OGFC-10型級(jí)配進(jìn)行研究，級(jí)配曲線如圖1所示，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定最佳油石比為4.7%，試件空隙率為21%。

2 性能研究

由表2可知，幾種彩色瀝青膠結(jié)料均不滿足CJJ/T 218—2014的技術(shù)要求，為分析規(guī)范技術(shù)要求的可行性，對(duì)彩色瀝青混合料參照《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 彩色瀝青混合料的性能

從表3可以看出，群康、路勝2種瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、肯塔堡飛散損失均滿足CJJ/T 218—2014的技術(shù)要求，但浸水飛散試驗(yàn)損失率較大，其中路勝瀝青混合料在60 ℃水浴中浸泡48 h后，出現(xiàn)了松散現(xiàn)象，如圖2所示，可見透水彩色瀝青混合料的60 ℃穩(wěn)定性較差。2種瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變均小于普通瀝青混合料2 000 με的要求，可見其低溫性能還有改善的余地。路勝瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比為40.8%，遠(yuǎn)小于普通瀝青混合料75%的要求，可能與其在60 ℃浸泡后易松散有關(guān)。

圖2 路勝瀝青浸水48 h后松散的現(xiàn)象

3種瀝青混合料60 ℃車轍試驗(yàn)均沒有結(jié)果，在較短時(shí)間內(nèi)超過變形測量極值(20 mm)，測量極值的時(shí)間不同(即碾壓次數(shù)有差異)，黏度越大，時(shí)間越長，路勝約5 min，上海群康約17 min，山東康德孚美約40 min，與瀝青的60℃動(dòng)力黏度有較好的相關(guān)性。碾壓時(shí)出現(xiàn)粘瀝青絲現(xiàn)象(與輪胎和高黏乳化瀝青黏結(jié)很像)，如圖3所示，這進(jìn)一步驗(yàn)證了透水彩色瀝青混合料的60 ℃高溫穩(wěn)定性很差，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 車轍試驗(yàn)拉絲現(xiàn)象

3 性能優(yōu)化

由上文可知，目前透水彩色瀝青混合料的高溫性能嚴(yán)重不足，低溫性能有待改善，這與瀝青膠結(jié)料高溫性能不足及混合料空隙率較大有一定關(guān)系。因此，本文將從瀝青改性和混合料改性兩方面展開研究。

3.1 瀝青改性

為改善透水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定及耐久性，通常采用TPS、RST、HVA等幾種改性劑對(duì)瀝青膠結(jié)料進(jìn)行改性，研究表明，這幾種改性劑與瀝青存在配伍性問題，且需足夠摻量。錢振東[14]研究表明，單純采用高黏改性劑，彩色瀝青膠結(jié)料的動(dòng)力黏度增加幅度小，需要與SBS復(fù)合改性，最佳摻量為14%TPS和5%SBS。為此，本文采用3種改性劑對(duì)3種彩色瀝青膠結(jié)料進(jìn)行改性，考察其60 ℃動(dòng)力黏度、5 ℃延度2個(gè)指標(biāo)，并通過60 ℃車轍試驗(yàn)驗(yàn)證改性后的效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～6所示。

首先，對(duì)3種瀝青摻加4%、8%、12%的RST改性劑，測得的瀝青60 ℃動(dòng)力黏度、5 ℃延度如圖4所示。從圖4可以看出，隨著RST摻量的增加，3種瀝青延度不斷增加，群康、路勝瀝青的動(dòng)力黏度均不斷增加，群康瀝青增加幅度更大，康德孚美瀝青動(dòng)力黏度先減小后增加，且在180 ℃烘箱中保溫24 h后出現(xiàn)分層現(xiàn)象?？梢?，RST與彩色瀝青也存在配伍性，群康瀝青與RST協(xié)同性最好，但RST摻量為12%時(shí)動(dòng)力黏度仍只有4 331 Pa·s，遠(yuǎn)小于20 000 Pa·s。

圖4 不同RST摻量的彩色瀝青性能

圖5 摻TPS的彩色瀝青性能

圖6 SBS與RST復(fù)合改性彩色瀝青的性能

為此，采用8%TPS改性劑對(duì)群康、路勝2種瀝青進(jìn)行改性，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，TPS與RST類似，可以增加瀝青的動(dòng)力黏度和延度，但改善幅度不如RST?？梢姡捎脝我坏母唣じ男?，彩色瀝青膠結(jié)料動(dòng)力黏度增加幅度較小，與錢振東的研究結(jié)果一致。因此，嘗試采用RST與SBS復(fù)合改性，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，復(fù)合改性的效果明顯優(yōu)于單一高黏劑改性，動(dòng)力黏度和延度改善幅度更大，但比單一SBS改性效果要差。其中5%SBS和14%RST復(fù)合改性瀝青的動(dòng)力黏度達(dá)到13 400 Pa·s，14%SBS改性瀝青的動(dòng)力黏度為27 220 Pa·s，滿足CJJ/T 218—2014的技術(shù)要求。

為驗(yàn)證動(dòng)力黏度提高對(duì)OGFC-10彩色瀝青混合料高溫性能的影響，進(jìn)行60 ℃車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著動(dòng)力黏度的增加，彩色瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有小幅增加，但數(shù)值仍然非常小，最大位移達(dá)到14 mm以上，荷載輪仍會(huì)有粘瀝青絲的現(xiàn)象?？梢?，通過瀝青改性增加瀝青動(dòng)力黏度來改善彩色瀝青混合料的高溫性能，有一定作用，但改善幅度太小，繼續(xù)增加改性劑摻量會(huì)帶來工程造價(jià)的急劇增加，經(jīng)濟(jì)效益下降。

表4 改性瀝青車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2 混合料改性

上文研究表明，瀝青改性雖然可以提高彩色瀝青混合料的高溫性能，但幅度有限且不經(jīng)濟(jì)。嘗試采用專用改性劑和高模量改性劑進(jìn)行混合料改性。為了對(duì)比，也對(duì)改性劑加入瀝青(群康)后的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如表5所示，混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 摻添加劑后彩色瀝青的性能

表6 混合料改性車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，2種改性劑有較大差異，其中高模量改性劑很難溶于彩色瀝青。2種改性劑對(duì)彩色瀝青膠結(jié)料的動(dòng)力黏度均有一定程度改善，高模量改性劑改性后的瀝青動(dòng)力黏度是專用改性劑的2倍；改性劑對(duì)瀝青延度均有不利影響，高模量改性劑的影響更大。但從表6來看，專用改性劑瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度反而遠(yuǎn)大于高模量改性劑，由此可見，對(duì)于混合料改性來說，瀝青性能并不能反映混合料性能。

3.3 性能驗(yàn)證

專用改性劑彩色透水瀝青混合料的性能如表7所示，與表3對(duì)比可以看出，混合料的浸水飛散損失、極限破壞應(yīng)變均有不同程度的改善?？梢姴捎脤Ｓ酶男詣┛墒共噬杆疄r青混合料的高溫性能、低溫性能得到提高，滿足人行道排水瀝青混合料的使用要求。

表7 優(yōu)化彩色瀝青混合料性能

4 結(jié) 語

(1)CJJ/T 218—2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)特種彩色瀝青動(dòng)力黏度不小于2 000 Pa·s的要求不合理，即使通過瀝青改性滿足了要求，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度仍非常??；常用彩色瀝青膠結(jié)料品牌高低溫性能難以兼顧，特別是高溫性能普遍較差，難以滿足OGFC彩色排水瀝青混合料的使用要求。

(2)瀝青改性劑的改性效果從優(yōu)到劣依次為：SBS改性、復(fù)合改性、高黏改性劑。改性劑與瀝青存在配伍性問題，為滿足高溫性能，需要摻非常多的改性劑，經(jīng)濟(jì)性不佳，且由于摻量過大導(dǎo)致瀝青黏度急劇增加，難以滿足施工需要。

(3)從瀝青指標(biāo)來看，混合料改性劑提高了高溫性能，降低了低溫性能；但從混合料性能來看，對(duì)高溫、低溫性能均有改善。彩色排水瀝青混合料專用改性劑的改性效果優(yōu)于高模量改性劑，混合料性能得到了大幅改善，可滿足人行道排水瀝青混合料的使用要求，具備推廣價(jià)值。