加工工藝對高粘瀝青性能的影響研究

陳劍 陳杰 周智密

摘要：為了優(yōu)化高粘瀝青加工工藝，提升高粘劑對母體瀝青的改性效果，文章選取剪切溫度、慢剪時間、快剪時間及恒溫發(fā)育時間四種影響因素進行正交試驗設計，采用針入度、軟化點、5 ℃延度、60 ℃動力黏度、170 ℃布氏黏度對加工的高粘瀝青性能進行評價和分析。研究結(jié)果表明：四種因素對高粘瀝青的針入度和動力黏度指標影響較大，而對軟化點、延度、布氏黏度指標影響相對較小。以針入度和動力黏度為主要影響指標確定的四種因素的顯著性影響程度為：快剪時間>發(fā)育時間>慢剪時間>剪切溫度。以動力黏度指標為主，兼顧其他技術(shù)指標，最終確定高粘瀝青最優(yōu)加工工藝為：剪切溫度170 ℃+慢剪時間0 min+快剪時間50 min+發(fā)育時間120 min。

關(guān)鍵詞：道路工程;高粘瀝青;加工工藝;正交試驗

[=AB（]In order to optimize the highviscosity asphalt processing technology and improve the modification effect of highviscosity agent on the parent asphalt，this article selects the four influencing factors of shear temperature，slow shear time，fast shear time and constanttemperature development time for orthogonal experimental design，and uses the penetration，softening point，5°C ductility，60°C dynamic viscosity，and 170°C Brookfield viscosity to evaluate and analyze the properties of processed highviscosity asphalt. The research results show that these four factors have a great influence on the penetration and dynamic viscosity index of highviscosity asphalt，while relatively small impact on the softening point，ductility and Brookfield viscosity index. The significant influence degrees of theses four factors determined with the penetration and dynamic viscosity as the main influence indicators are：fast shear time>development time>slow shear time>shear temperature. Based on the dynamic viscosity index and considering other technical indicators，the optimal processing technology for highviscosity asphalt is determined finally as follows：shear temperature 170°C+slow shear time 0min+fast shear time 50min+development time 120 min.

Road engineering;Highviscosity asphalt;Processing technology;Orthogonal test

0 引言

在瀝青路面建設中，不同道路等級、不同工程部位、不同功能要求對瀝青粘結(jié)料的要求也有所不同。為了適應工程項目的性能需求，各種類型的改性瀝青產(chǎn)品應運而生，尤其是SBS改性瀝青在道路工程中得到廣泛應用。而隨著改性瀝青技術(shù)的發(fā)展，高粘高彈改性瀝青也成為高品質(zhì)路面建設發(fā)展的一種趨勢，尤其是在橋隧鋪裝、薄層罩面、透水路面鋪裝等領(lǐng)域得到較好的應用和發(fā)展。高粘瀝青的加工性能與SBS改性瀝青類似，除了改性劑與母體瀝青要有良好的配伍性外，高粘瀝青加工工藝也是決定其改性效果的最重要因素之一，不同的加工工藝將直接影響到高粘瀝青的路用性能。牛冬瑜[1]等人研究了剪切時間、剪切溫度、發(fā)育時間三種因素對三種SBS改性瀝青加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)SBS改性劑與瀝青相容性以及SBS的相對分子量對加工性能有較大影響，推薦了不同類型的SBS改性劑適宜的加工工藝。王朝軍[2]等人研究了SBS改性劑含量、發(fā)育溫度、發(fā)育時間等因素對高粘瀝青加工性能的影響，綜合高粘瀝青各項指標推薦發(fā)育溫度為180 ℃，發(fā)育時間為12 h。張爭奇[3]等人采用共混復合改性技術(shù)研究了高粘高彈改性瀝青的制備工藝，通過微觀試驗和動態(tài)剪切流變試驗分析推薦了關(guān)鍵工藝參數(shù)為剪切溫度170 ℃、剪切速率4 000 r/min、剪切時間50 min、發(fā)育時間60 min，并驗證其具有良好的路用性能。

眾多研究表明，加工工藝對改性瀝青性能影響很大，且采用不同改性劑和不同母體瀝青，加工工藝也會有所差異。為了研究某高粘劑產(chǎn)品對泰普克70號基質(zhì)瀝青的改性性能，優(yōu)化其加工工藝，本文選用不同的剪切溫度、慢剪時間、快剪時間及恒溫發(fā)育時間對泰普克70號基質(zhì)瀝青進行改性，采用針入度、軟化點、5 ℃延度、60 ℃動力黏度、170 ℃布氏黏度對加工的高粘瀝青性能進行評價，分析不同工藝參數(shù)對高粘瀝青性能影響規(guī)律，并綜合考慮各項指標性能推薦最優(yōu)加工工藝。

1 原材料

本文選用泰普克70號基質(zhì)瀝青和某公司生產(chǎn)的高粘劑加工高粘瀝青，其中高粘劑與70號基質(zhì)瀝青比例為12∶88。泰普克基質(zhì)瀝青各項性能指標如表1所示，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG E20-2004）中對道路石油瀝青1-4區(qū)70號A級的技術(shù)要求。

2 試驗方案

高粘瀝青加工工藝分為混溶階段、高速剪切階段和發(fā)育階段，加工溫度、剪切速率及發(fā)育時間與改性瀝青的各項性能密切相關(guān)[1][2][3]。試驗選擇剪切溫度、慢剪時間、快剪時間、恒溫發(fā)育時間4種影響因素作為關(guān)鍵控制點進行工藝優(yōu)化研究，通過瀝青性能指標的對比分析確定其合理的制備工藝。其中慢剪工藝采用的剪切速率為1 000 r/min，對高粘劑和瀝青進行低速剪切攪拌，促進兩種材料初步混合均勻;快剪工藝則采用剪切速率為4 000 r/min，對兩種材料進行高速剪切，促進二者進一步融合形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

高粘瀝青相較于常規(guī)的SBS改性瀝青有著更好的高溫性能和粘結(jié)性能，瀝青的粘聚力更大。評價高粘瀝青性能除三大指標外的另一個關(guān)鍵技術(shù)指標就是60 ℃動力黏度，該指標可間接反映瀝青在外力作用下抵抗剪切變形的能力。60 ℃動力黏度越大，混合料的強度和水穩(wěn)定性越好[4-6]。但隨著60 ℃動力黏度的增加，瀝青的高溫黏度也會逐漸增大，而高溫黏度過高會影響瀝青混合料的施工和易性?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004對SBS改性瀝青的高溫黏度提出了要求，目的是為了確保改性瀝青易于泵送和拌合。高粘瀝青比SBS改性瀝青高溫黏度更大，因此施工溫度也更高，為了滿足高粘瀝青施工和易性的要求，高溫黏度不宜過大。綜合考慮，選擇針入度、軟化點、5 ℃延度、60 ℃動力黏度、170 ℃布氏黏度作為高粘瀝青性能評價指標。

為有效降低試驗量，本文選用四因素三水平進行L9（34）正交試驗設計，各影響因素及試驗水平如表2所示，正交試驗方案如表3所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 分級指標

針入度指標反映了瀝青的粘稠程度，是瀝青標號分級及性能評價的一項重要指標。9種加工工藝下高粘瀝青在25 ℃條件下的針入度測試結(jié)果及其極差分析如表4和圖1所示。

根據(jù)表4針入度試驗結(jié)果的極差分析可知，四種因素對針入度結(jié)果影響大小的順序為：快剪時間>恒溫發(fā)育時間>慢剪時間>剪切溫度。根據(jù)圖1四種因素在不同水平下對針入度結(jié)果的影響分析可知，最優(yōu)組合水平為A3B1C1D2。

3.2 高溫穩(wěn)定性指標

瀝青高溫性能評價最常用的技術(shù)指標一個是軟化點，另一個是60 ℃黏度。由于60 ℃接近于瀝青路面的最高使用溫度，能夠更好地反映道路瀝青高溫抵抗變形的能力，《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJT190-2012）也是參考國外相關(guān)技術(shù)規(guī)范對高粘瀝青技術(shù)標準提出了要求。由此，本研究對9種加工工藝下高粘瀝青的軟化點和60 ℃動力黏度試驗結(jié)果及極差分析如表5和表6所示，四種因素對軟化點及60 ℃動力黏度影響變化規(guī)律如圖2和圖3所示。

根據(jù)表5中軟化點試驗結(jié)果的極差分析可知，四種因素對軟化點結(jié)果影響的顯著程度為：慢剪時間>快剪時間>剪切溫度>發(fā)育時間。根據(jù)圖2四種因素在不同水平下對軟化點結(jié)果的影響分析可知，最優(yōu)組合水平為A3B2C1D3。

根據(jù)表6中60 ℃動力黏度試驗結(jié)果的極差分析可知，四種因素對60 ℃動力黏度結(jié)果影響的顯著程度為：快剪時間>發(fā)育時間>慢剪時間>剪切溫度。根據(jù)圖3四種因素在不同水平下對60 ℃動力黏度結(jié)果的影響分析可知，最優(yōu)組合水平為A2B1C3D3。

3.3 低溫抗裂性指標

瀝青的延性是當其受到外力的拉伸作用時所能承受的塑性變形的總能力，瀝青的低溫延度與混合料的低溫開裂性能有著密切的關(guān)系。本文以高粘瀝青在5 ℃時以5 cm/min拉伸速率下的延度來反映其低溫性能，低溫延度越大，混合料的低溫抗開裂性能越好。9種加工工藝下高黏瀝青的5 ℃延度試驗結(jié)果及極差分析如表7和圖4所示。

根據(jù)表7中5 ℃延度試驗結(jié)果的極差分析可知，四種因素對5 ℃延度結(jié)果影響的顯著程度排列為：發(fā)育時間>慢剪時間>快剪時間>剪切溫度。根據(jù)圖4四種因素在不同水平下對5 ℃延度結(jié)果的影響分析可知，最優(yōu)組合水平為A2B3C2D3。

3.4 施工和易性指標

瀝青膠結(jié)料除了具有良好的路用性能外，還應具備良好的施工性能，通常以瀝青的高溫黏度作為施工和易性的控制指標?！豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中采用粘溫曲線來確定道路石油瀝青適宜的拌合和壓實溫度，瀝青的高溫黏度直接影響著混合料的拌合及碾壓工藝，對混合料性能有著重要影響。對SBS改性瀝青的高溫黏度也做出了規(guī)定，即135 ℃的60 ℃運動黏度≤3 Pa·s，而高粘瀝青由于黏度更高，因此也需要有更高的拌合碾壓溫度。本文采用170 ℃的布氏黏度來評價高粘瀝青施工和易性。9種加工工藝下高黏瀝青布氏黏度試驗結(jié)果及極差分析如表8和圖5所示。

根據(jù)表8中170 ℃布氏黏度試驗結(jié)果的極差分析可知，四種因素對170 ℃布氏黏度結(jié)果影響的顯著程度為：發(fā)育時間>剪切溫度>快剪時間>慢剪時間。根據(jù)圖5四種因素在不同水平下對170 ℃布氏黏度結(jié)果的影響分析可知，最優(yōu)組合水平為A1B3C2D3。

3.5 綜合性能分析

根據(jù)表4～8中試驗結(jié)果可以看出，四種影響因素對針入度和60 ℃動力黏度指標影響相對較大，試驗結(jié)果的極差已超出試驗誤差范圍，尤其是60 ℃動力黏度指標。而對于延度、軟化點和布氏黏度三項指標，在選擇的三種試驗水平下，其試驗結(jié)果波動相對較小。以針入度和60 ℃動力黏度指標進行四種因素的顯著性分析，根據(jù)表4和表6可以看出，四種因素影響顯著性排序均為：快剪時間>發(fā)育時間>慢剪時間>剪切溫度。

考慮到60 ℃動力黏度指標是高黏瀝青區(qū)別于其他改性瀝青的一項主要技術(shù)指標，也是評價高黏瀝青性能的最重要指標之一，并且是受剪切溫度、慢剪時間、快剪時間、發(fā)育時間四種因素影響最大的指標，因此主要參考60 ℃動力黏度指標并兼顧其他技術(shù)指標來綜合確定最佳加工工藝。

根據(jù)圖3中四種因素對60 ℃動力黏度影響規(guī)律看到，隨著快剪時間增加，動力黏度逐漸增大，但從水平2到水平3增長幅度不大;隨著發(fā)育時間延長，60 ℃動力黏度近似線性增長，增長幅度很大;隨著慢剪時間增加，60 ℃動力黏度先減小后增大;隨著剪切溫度增大，60 ℃動力黏度先增大后減小。僅以60 ℃動力黏度指標來看，最佳加工工藝為A2B1C3D3，考慮到影響因素C（快剪時間）從水平2（50 min）到水平3（90 min）時，60 ℃動力黏度增加幅度較小，且針入度結(jié)果呈減小趨勢，因此綜合考慮影響因素C取水平2，即綜合確定的最優(yōu)加工工藝為A2B1C2D3。

4 結(jié)語

（1）針對高粘瀝青的加工工藝，選擇了剪切溫度、慢剪時間、快剪時間及發(fā)育溫度4種關(guān)鍵因素進行了四因素三水平的正交試驗設計，并分析了4種因素對高粘瀝青各項關(guān)鍵技術(shù)指標的影響規(guī)律。

（2）通過對高粘瀝青各項關(guān)鍵技術(shù)指標的試驗結(jié)果的極差分析可知，4種因素對高粘瀝青的針入度和60 ℃動力黏度指標影響較大，尤其是60 ℃動力黏度指標，而對軟化點、延度、布氏黏度指標影響相對較小。

（3）以針入度和60 ℃動力黏度為主要影響指標確定的4種因素的顯著性影響程度為（由大到小排列）：快剪時間>發(fā)育時間>慢剪時間>剪切溫度。

（4）以60 ℃動力黏度指標為主，兼顧其他技術(shù)指標，最終確定高粘瀝青最優(yōu)加工工藝為：剪切溫度170 ℃+慢剪時間0 min+快剪時間50 min+發(fā)育時間120 min。

（5）隨著恒溫發(fā)育時間延長，高粘瀝青的針入度和60 ℃動力黏度指標均呈增長趨勢。由于文章僅考察了120 min內(nèi)發(fā)育時間對其性能的影響，建議在進行發(fā)育時間的影響因素研究時可適當延長發(fā)育時間，以獲得更優(yōu)的改性效果。

參考文獻：

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