基于高黏劑改性透水瀝青混合料的工藝對(duì)比研究

陳超，范子然，李闖民

(1.萍鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)農(nóng)技水利站，江西 萍鄉(xiāng) 33700；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

1 前言

隨著公路的建設(shè)與發(fā)展，“海綿城市”公路建設(shè)慢慢走進(jìn)大眾的視野，力推環(huán)保與綠色公路的建設(shè)與運(yùn)行，透水瀝青路面是目前廣大學(xué)者研究的重中之重，與傳統(tǒng)路面相比，透水瀝青路面空隙率達(dá)到了18%～25%，在滿足透水功能前提下，透水瀝青路面的承載力頗受研究者擔(dān)憂，為確保路面有足夠的承載力且具有良好的抗車轍和抗剝落性能，高黏改性材料的性能和應(yīng)用工藝是解決透水瀝青路面出現(xiàn)病害的重要因素。

在國(guó)外，尤其是日本和荷蘭，由于常年多雨，透水瀝青路面的應(yīng)用比較普遍，透水瀝青混合料中改性劑，主要有SBS、TPS高黏劑和橡膠3種，應(yīng)用最多的是前兩種。大量實(shí)踐表明：這幾種改性劑對(duì)提高透水瀝青路面性能效果顯著。在中國(guó)透水瀝青路面中，初期大多使用日本進(jìn)口TPS高黏劑，但由于成本高的緣故沒能大量推廣。近幾年研制了國(guó)產(chǎn)高黏劑，在提高透水瀝青路面的抗車轍、耐久性等方面進(jìn)行了大量的探索，并取得了顯著效果。縱觀國(guó)內(nèi)外研究成果，在透水瀝青路面中高黏劑的應(yīng)用有兩種方式：一種為成品改性(濕法)；另一種為直投式改性(干法)。干法工藝是指將瀝青、改性劑、集料在拌和階段一同加入拌和樓中，在高溫和集料的快速擠壓作用下，完成瀝青的改性過程。濕法的施工工藝與普通瀝青的施工工藝大致相同，由高速剪切機(jī)將瀝青與高黏劑共混制備髙黏改性瀝青。與濕法工藝相比，干法省去了成品改性瀝青的制備設(shè)備費(fèi)和加工費(fèi)用，能夠避免濕法改性工藝難以解決的改性劑離析分層、熱儲(chǔ)存性能指標(biāo)衰減等問題，在實(shí)際施工中多采用干投法，但對(duì)于干法和濕法的使用效果研究甚少，該文對(duì)這兩種工藝進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究與探討，采用國(guó)產(chǎn)高抗飛散HVA高黏劑，以8%、12%、16%摻量與基質(zhì)瀝青剪切制成高黏改性瀝青，制作改性瀝青透水瀝青混合料。與3種摻量用干法制作的透水瀝青混合料試件一起進(jìn)行性能測(cè)試。研究3種摻量不同工藝高黏改性透水瀝青混合料性能的差異與規(guī)律。

2 原材料技術(shù)性質(zhì)

基質(zhì)瀝青為70#A級(jí)，粗集料采用輝綠巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r礦粉，添加劑為中國(guó)產(chǎn)高抗飛散HVA高黏劑及中國(guó)產(chǎn)木質(zhì)素纖維。技術(shù)指標(biāo)參照規(guī)范[11]、[12]，試驗(yàn)方法按照文獻(xiàn)[13-15]進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果均滿足高速公路及一級(jí)公路和城市快速道、城市主干路用原材料技術(shù)要求。表1、2為HVA高黏劑和木質(zhì)素纖維檢測(cè)結(jié)果。

表1 HVA高黏劑檢測(cè)結(jié)果

3 不同工藝高黏改性透水瀝青混合料性能測(cè)試

透水瀝青路面的配合比設(shè)計(jì)方法參照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中開級(jí)配瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法，礦料級(jí)配參照CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》中PAC-13瀝青混合料級(jí)配。集料共分10～15、5～10、0～5 mm 3檔，以目標(biāo)空隙率確定的礦料級(jí)配配比為(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(0～5mm)∶礦粉=58%∶30%∶9%∶3%，礦料合成級(jí)配結(jié)果如表3所示。

表2 木質(zhì)素纖維檢測(cè)結(jié)果

表3 PAC-13礦料合成級(jí)配

級(jí)配確定之后，以計(jì)算的初始瀝青用量為中值，配制瀝青混合料進(jìn)行析漏和飛散試驗(yàn)，確定最佳油石比范圍。得出的瀝青油石比范圍為5.0%～5.3%(瀝青與高黏改性劑占礦料的百分比)，結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)中，用干法和濕法兩種工藝制備瀝青混合料試件，高黏改性瀝青混合料油石比確定為5.1%，高黏劑摻量分別為8%、12%和16%。纖維用量為高黏改性瀝青混合料總質(zhì)量的0.3%。干法和濕法制備的馬歇爾試件性能測(cè)試結(jié)果見表4。

圖1 透水瀝青混合料析漏和飛散試驗(yàn)結(jié)果

4 不同工藝高黏改性透水瀝青混合料性能分析

4.1 高溫穩(wěn)定性

評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的技術(shù)指標(biāo)為動(dòng)穩(wěn)定度。透水瀝青混合料由于具有較大的空隙率使得與外界環(huán)境的接觸較為緊密，在荷載的作用下，路面較傳統(tǒng)路面更容易引起車轍，通常通過車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)。動(dòng)穩(wěn)定度越高，抗車轍性能越好，越不容易引起車轍病害。

由表4可知：干法摻量為8%、12%、16%的動(dòng)穩(wěn)定度分別為3 275、4 208、4 860次/mm，濕法摻量為8%、12%和16%的動(dòng)穩(wěn)定度分別為4 154、4 608、5 216次/mm，可見，濕法工藝的動(dòng)穩(wěn)定度都滿足了規(guī)范技術(shù)要求，而干法工藝制作的高黏劑摻量8%的動(dòng)穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求。同摻量條件下，濕法動(dòng)穩(wěn)定度值大于干法動(dòng)穩(wěn)定度值，濕法工藝的混合料高溫穩(wěn)定性明顯高于干法混合料。通過分析數(shù)據(jù)可知，干法12%摻量的混合料動(dòng)穩(wěn)定度與濕法8%摻量的混合料動(dòng)穩(wěn)定度值接近，同理，干法16%摻量的混合料與濕法12%摻量的混合料動(dòng)穩(wěn)定度值也接近。試驗(yàn)表明當(dāng)采用干法工藝時(shí)增加4%高黏劑，其高溫性能與濕法瀝青混合料相近。

表4 馬歇爾試件性能測(cè)試結(jié)果

4.2 水穩(wěn)定性

混合料的水穩(wěn)定性表明混合料受水影響而表現(xiàn)的抗水損害的能力，評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo)通常為凍融劈裂比。透水瀝青混合料的空隙為20%左右，因此，雨水通過大空隙進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層，混合料受水影響較為嚴(yán)重，故水穩(wěn)定試驗(yàn)測(cè)定的凍融劈裂比尤其重要，通過凍融循環(huán)測(cè)定不同工藝下馬歇爾試件受水損壞前后劈裂破壞時(shí)其強(qiáng)度的比值來(lái)評(píng)價(jià)。

由表4可知：濕法12%和16%摻量的凍融劈裂比滿足規(guī)范要求，而干法只有16%摻量時(shí)滿足要求。與高溫穩(wěn)定性規(guī)律相同，同摻量條件下，濕法混合料水穩(wěn)定性優(yōu)于干投法混合料。濕法12%摻量的凍融劈裂比與干法16%摻量的凍融劈裂比相接近。干法通過增加4%高粘劑摻量制作的混合料水穩(wěn)定性與濕法混合料性能相當(dāng)。

4.3 低溫抗裂性

在低溫條件下，瀝青混合料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，混合料應(yīng)力松弛的速度如果跟不上溫度應(yīng)力的增長(zhǎng)速度，不斷累積的溫度應(yīng)力會(huì)超過混合料的抗拉極限從而產(chǎn)生開裂。評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能的指標(biāo)為低溫彎曲小梁試驗(yàn)檢測(cè)的彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎拉模量。

對(duì)不同摻拌條件下的高黏瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲小梁試驗(yàn)，試件尺寸為高35 mm，長(zhǎng)250 mm，寬30 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

透水瀝青混合料的低溫性能是彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎拉模量綜合作用的結(jié)果，相關(guān)文獻(xiàn)表明，彎拉應(yīng)變大于2 500 με時(shí)透水瀝青混合料表現(xiàn)出良好的低溫性能。由表5可知：無(wú)論濕法還是干法，小梁試驗(yàn)彎拉應(yīng)變都滿足技術(shù)要求，且隨著摻量增加彎拉應(yīng)變?cè)黾?，低溫抗開裂性能越好。由表中數(shù)據(jù)也可以得出，同摻量條件下濕法瀝青混合料低溫性能優(yōu)于干法。

表5 低溫彎曲小梁試驗(yàn)結(jié)果

4.4 滲水性能

通過滲水儀在車轍板上模擬現(xiàn)場(chǎng)道路的滲水試驗(yàn)，由表4可知：濕法和干法的滲水系數(shù)都能滿足規(guī)范要求，不同工藝的滲水系數(shù)沒有明顯的規(guī)律；混合料的透水性能主要與連通空隙率指標(biāo)相關(guān)，同樣地，不同工藝連通空隙率沒有表現(xiàn)出明顯的差異，由此可知，對(duì)于透水性能而言，不同工藝對(duì)混合料透水性能影響不大。

4.5 透水瀝青混合料的耐久性

透水瀝青混合料的耐久性可由析漏和飛散損失兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由表4可知：同摻量高黏劑條件下，干法析漏損失和飛散損失比濕法的大，其原因是，濕法通過高速剪切使瀝青分子與高黏劑分子更好地混合在一起，內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固，而干法只是把兩者物理共混，對(duì)瀝青的黏附作用只是片面的，少部分瀝青在集料表面流淌而沒有與高黏劑充分融合，進(jìn)而為水的浸入提供了有利條件，所以干法混合料抗飛散能力較差。采用干法工藝施工時(shí)，高黏劑與集料拌和均勻性對(duì)透水瀝青混合料的耐久性尤其重要，可以適當(dāng)延長(zhǎng)拌和時(shí)間進(jìn)行解決。

5 結(jié)論

通過對(duì)不同工藝制作的高黏改性透水瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、析漏和飛散試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、低溫彎曲小梁試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)不同工藝的透水瀝青混合料表現(xiàn)出不同的性能。對(duì)于濕法而言，不小于12%的高黏劑摻量，對(duì)于干投法，不小于16%的高黏劑摻量設(shè)計(jì)出來(lái)的透水瀝青混合料滿足中國(guó)規(guī)范技術(shù)要求。

(2)相同高黏劑摻量條件下，采用濕法制作的混合料表現(xiàn)出比干法更好的性能，與濕法制作的混合料性能相當(dāng)時(shí)，干法要比濕法增加4%高黏劑摻量。

(3)不同高黏劑添加工藝對(duì)混合料的透水性能影響不顯著。