澆筑式瀝青混合料干法改性技術(shù)研究★

王立群 肖 麗 胡德勇 包廣志

(1.中電建市政建設(shè)集團(tuán)北方國(guó)際工程有限公司，山西 晉中 030600； 2.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336； 3.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

澆筑式瀝青混合料以其優(yōu)異的防水性能、耐久性及隨從變形能力在鋼橋面鋪裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1,2]。當(dāng)鋪裝層在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)網(wǎng)裂、坑槽等病害時(shí)，通常面積較小[3,4]，因此一次修補(bǔ)需要的結(jié)合料量小，若按照常規(guī)澆筑式瀝青混合料生產(chǎn)，結(jié)合料多次加熱會(huì)造成大量能源損耗及結(jié)合料的老化，影響澆筑式瀝青混合料的使用性能。

國(guó)內(nèi)外瀝青混合料的生產(chǎn)方式分為干法和濕法兩種[5,6]，兩種方法各有特點(diǎn)。濕法改性瀝青是在瀝青混合料拌和之前，將改性劑與基質(zhì)瀝青混溶、剪切形成改性瀝青，然后用于瀝青混合料生產(chǎn)。由于改性劑通過(guò)前期的改性，能在瀝青中均勻分布，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，是目前改性瀝青普遍采用的方法，但濕法改性瀝青必須要有剪切設(shè)備。干法改性瀝青是將改性劑粉化后直接添加到瀝青混合料拌缸中的改性方法[7,8]。干法改性由于在拌缸中的攪拌時(shí)間較短，改性劑不足以溶解于瀝青中，難以形成分子鏈狀結(jié)構(gòu)，改性效果和穩(wěn)定性存在一些問(wèn)題，因此干法工藝生產(chǎn)瀝青混合料推廣應(yīng)用受到限制。

澆筑式瀝青混合料具有油石比高(7.0%～9.0%)、拌和溫度高(220 ℃～260 ℃)、拌和時(shí)間長(zhǎng)(45 min～180 min)等特點(diǎn)[9]，這些都對(duì)澆筑式瀝青混合料干法生產(chǎn)提供了有利的生產(chǎn)條件。在進(jìn)行干法生產(chǎn)時(shí)，各類(lèi)改性劑投入澆筑式瀝青混合料中后，在富油、高溫的環(huán)境下不斷進(jìn)行溶脹，在混合料內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外澆筑式瀝青混合料專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)自帶的攪拌功能，可以使改性劑均勻分散在混合料內(nèi)部，保證澆筑式瀝青混合料的性能穩(wěn)定。因此，從技術(shù)角度上，澆筑式瀝青混合料的干法改性具有非常高的可行性。

本文研究澆筑式瀝青混合料干法改性技術(shù)，采用熔融攪拌工藝制備改性瀝青，通過(guò)研究改性劑細(xì)度、熔融時(shí)間和外摻比例對(duì)改性瀝青性能的影響研究，確定基于干法改性工藝的澆筑式混合料改性劑及拌和工藝，解決養(yǎng)護(hù)維修工程中小批量澆筑式瀝青混合料生產(chǎn)的技術(shù)難題。

1 試驗(yàn)材料

1)基質(zhì)瀝青?；|(zhì)瀝青是瀝青膠結(jié)料的重要組成部分，對(duì)膠結(jié)料的高低溫性能具有關(guān)鍵作用?，F(xiàn)階段我國(guó)澆筑式瀝青混合料用基質(zhì)瀝青多采用70號(hào)，但不同產(chǎn)地的70號(hào)基質(zhì)瀝青組分存在較大差異，對(duì)干法改性效果影響較大。參考團(tuán)隊(duì)已有研究成果[10]，選擇SK70作為澆筑式瀝青混合料基質(zhì)瀝青，其基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)

2)礦料。本研究澆筑式瀝青混合料采用三檔集料(0 mm～2.36 mm，2.36 mm～4.75 mm，4.75 mm～9.5 mm)，均為玄武巖，粗集料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，細(xì)集料主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3；礦粉采用的石灰?guī)r礦粉，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表2 粗集料的主要性能指標(biāo)

表3 細(xì)集料的主要性能

2 改性劑細(xì)度對(duì)瀝青改性效果的影響

根據(jù)作者前期試驗(yàn)，選擇高分子聚合物作為本研究改性劑。當(dāng)高分子聚合物改性劑顆粒細(xì)度越小，在混合料拌和過(guò)程中，聚合物分子在瀝青中擴(kuò)散速度越快，越有利于高聚物和輕質(zhì)組分之間的浸潤(rùn)與吸附作用的發(fā)生。因此對(duì)比研究不同細(xì)度條件下高分子聚合物對(duì)基質(zhì)瀝青改性效果，將聚合物改性劑進(jìn)行粉化處理并過(guò)篩，得到未粉碎、0.6 mm～2.36 mm(8目～30目)、0.3 mm～0.6 mm(30目～50目)及小于0.3 mm(50目以上)四種細(xì)度的改性劑，加入基質(zhì)瀝青中進(jìn)行熔融改性試驗(yàn)，外摻比例為5%，180 ℃條件下采用攪拌器攪拌45 min后測(cè)度改性瀝青基本性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 石灰?guī)r礦粉性能指標(biāo)

表5 不同細(xì)度對(duì)熔融改性結(jié)果影響

從表5數(shù)據(jù)可以看出，隨著改性劑粒徑的變小，改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度變化不大，無(wú)明顯變化規(guī)律，可能在此熱力學(xué)條件下不同細(xì)度條件的改性劑都能較好的融于瀝青。為進(jìn)一步探究其不同細(xì)度的熔融改性效果，在熒光顯微鏡下觀察改性劑在瀝青相中的分布狀態(tài)，400倍聚合物改性劑分散效果見(jiàn)圖1a)～圖1d)。

圖1中淺色的為聚合物改性劑，相對(duì)較暗的部分為瀝青相，其中圖1a)，圖1b)中的淺色顆粒在瀝青相中呈現(xiàn)出輕微的線狀或絮狀結(jié)構(gòu)，圖1c)，圖1d)中淺色顆粒在瀝青相中相對(duì)獨(dú)立，彼此之間有一定距離。說(shuō)明改性劑隨著顆粒變小，在該熱力學(xué)條件下分散越徹底，大顆粒改性劑分子吸附輕質(zhì)組分溶脹程度低于小顆粒，所以相同熔融時(shí)間內(nèi)，顆粒較大的呈現(xiàn)出線狀或絮狀結(jié)構(gòu)。

從以上分析可以看出，不同細(xì)度的改性劑制備的改性瀝青，宏觀技術(shù)指標(biāo)上差異不明顯，從微觀分析看，隨著改性劑顆粒變小，其在瀝青中的分散程度越好。但考慮到熔融試驗(yàn)中攪拌力、溫度等條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于拌和時(shí)的熱力學(xué)條件，同時(shí)粉化工藝增加成本，因此后續(xù)研究使用未粉碎的改性劑。

3 熔融時(shí)間對(duì)瀝青改性效果的影響

在干法改性過(guò)程中，高分子聚合物改性劑未受到高速機(jī)械力的作用，在一定熱力學(xué)條件下需要長(zhǎng)時(shí)間溶脹作用才能分散。對(duì)比熔融時(shí)間對(duì)瀝青改性效果的影響，分別熔融攪拌15 min，30 min，45 min，60 min(外摻5%的聚合物改性劑)，通過(guò)改性瀝青三大指標(biāo)對(duì)改性效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，隨著熔融時(shí)間的增長(zhǎng)，改性瀝青軟化點(diǎn)升高、針入度下降、延度增大，表明隨熔融時(shí)間增長(zhǎng)，溶脹作用逐步加深。從變化速率上看，改性瀝青軟化點(diǎn)、針入度和延度均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，在45 min后變化速率變緩。改性瀝青的黏度、稠度及低溫柔韌性的變化，反映出改性劑在瀝青中的分散程度，采用干法改性，熔融時(shí)間建議在45 min以上。

4 外摻比例對(duì)瀝青改性效果的影響

改性劑在工程應(yīng)用中建議摻量一般為4%～5%，對(duì)于干法拌和，改性劑完全依靠吸附基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分膨脹，進(jìn)而受集料剪切分散，但基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分含量有限，隨著摻量的增加改性劑可能出現(xiàn)溶脹不完全，改性效果提升幅度減小或驟降，造成改性劑不必要的浪費(fèi)。為掌握改性劑在不同摻量情況下的溶脹效果，分別外摻3%，4%，5%，6%進(jìn)行45 min熔融試驗(yàn)，改性后三大指標(biāo)及135 ℃布氏黏度見(jiàn)表6。

表6 不同改性劑摻量下改性瀝青性能指標(biāo)

從表6可以看出，隨著外摻比例的增加，改性瀝青軟化點(diǎn)增高，針入度降低，5 ℃延度增加，135 ℃布氏黏度升高，表明隨著摻量的增加聚合物改性劑在瀝青中逐步形成均勻且連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改性瀝青的稠度、黏度及柔韌性逐步增加。外摻比例5%以后，軟化點(diǎn)、針入度和延度變化速率變緩，提升幅度變緩。

為進(jìn)一步探究外摻比例增加對(duì)改性劑的溶脹狀態(tài)，選取5%，6%改性劑的改性瀝青，在熒光顯微鏡下觀察改性劑在瀝青相中的分布狀態(tài)，熒光顯微鏡以紫外線為光源，照射被檢物體，使之發(fā)出熒光，然后在顯微鏡下觀察物質(zhì)的形狀及所在位置。將改性瀝青涂抹在載玻片上，蓋上蓋玻片按壓，制成樣品，在400倍條件下對(duì)改性瀝青溶脹效果進(jìn)行觀察，見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出外摻5%和6%的改性劑在瀝青相中分散程度呈現(xiàn)一定差異，外摻6%時(shí)，瀝青相中的大粒徑聚合物分子在數(shù)量和體積上均高于5%摻量，表明6%摻量時(shí)存在分散不完全的現(xiàn)象，隨著改性劑增加，需要更多的輕質(zhì)組分進(jìn)行溶脹，進(jìn)而致使改性劑與瀝青的相容性變差，在失去熔融時(shí)的熱力學(xué)條件，聚合物分子在表面張力的作用下出現(xiàn)聚集。微觀層面進(jìn)一步說(shuō)明了隨著外摻比例增加到一定程度，改性劑的分散將變差，因此干法改性劑使用時(shí)，對(duì)于高分子聚合物的外摻比例控制在6%以?xún)?nèi)。

5 澆筑式瀝青混合料干法改性效果

澆筑式瀝青混合料在鋪筑過(guò)程中，自流成型，無(wú)需壓實(shí)，這要求瀝青結(jié)合料高溫時(shí)具有較低的黏度，以便攤鋪時(shí)混合料擁有較好的流動(dòng)性，因此本研究澆筑式干法改性以5%聚合物改性劑為基礎(chǔ)，同時(shí)加入2%的Sasobit-REDUX降黏劑。按JTG/T 3364—02—2019公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行澆筑式瀝青混合料GA10配合比設(shè)計(jì)，在最佳油石比7.4%、拌和溫度240 ℃、攪拌時(shí)間50 min條件下，分別采用干法和濕法工藝生產(chǎn)澆筑式瀝青混合料，并進(jìn)行混合料流動(dòng)性和高低溫性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 干法和濕法生產(chǎn)的澆筑式瀝青混合料性能對(duì)比

由表7可以看出，采用干法和濕法工藝制備的澆筑式瀝青混合料性能略有差異，干法改性流動(dòng)性?xún)?yōu)于濕法改性，但均在60 s以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要；干法改性澆筑式瀝青混合料貫入度、貫入度增量略高于濕法改性、低溫彎曲極限應(yīng)變略低于濕法改性，均滿(mǎn)足技術(shù)要求，主要原因是濕法改性過(guò)程中聚合物改性劑溶脹、分散徹底，改性效果好，瀝青的黏度高，致使流動(dòng)性差、高低溫性能更優(yōu)。

6 結(jié)論

研究了改性劑細(xì)度、熔融時(shí)間、外摻比例對(duì)瀝青干法改性的效果，并對(duì)比研究了采用干法工藝和濕法工藝生產(chǎn)的澆筑式瀝青混合料性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)不同細(xì)度改性劑制備的改性瀝青，其軟化點(diǎn)、針入度和延度差異不大，從微觀分析看，隨著改性劑顆粒變小，其在瀝青中分散程度越好。2)隨著熔融時(shí)間增長(zhǎng)，改性瀝青軟化點(diǎn)升高、針入度下降、延度增大，45 min后變化速率變緩，建議干法改性熔融時(shí)間在45 min以上。3)隨著改性劑摻量增加，改性瀝青的稠度、黏度及柔韌性逐步增加，外摻比例5%以后，軟化點(diǎn)、針入度和延度變化速率變緩；同時(shí)，通過(guò)熒光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改性劑摻量達(dá)到6%時(shí)，瀝青相中出現(xiàn)大顆粒聚合物溶脹不充分，建議聚合物改性劑的外摻比例控制在6%以?xún)?nèi)。4)干法與濕法改性工藝生產(chǎn)的澆筑式瀝青混合料流動(dòng)性和高低溫性能差異不大，均能滿(mǎn)足技術(shù)要求。