直投式高黏度改性瀝青的拌和工藝

劉霞

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433）

0 引言

采用大空隙瀝青混合料鋪筑的排水性瀝青路面，雨天能將路表積水迅速排出路面結(jié)構(gòu)，提高路面與車輛輪胎間的摩阻力，改善路面抗滑性能，且能夠減少水霧的產(chǎn)生。此外，還具有降噪的功能[1]，是一種安全綠色的路面結(jié)構(gòu)。由于排水性瀝青路面空隙率大，瀝青混合料為骨架空隙結(jié)構(gòu)，石料互嵌形成骨架。石料之間以點接觸為主，要求瀝青膠結(jié)料具有優(yōu)異的黏附性和耐老化性能[2]，因此需使用高黏度改性瀝青。

高黏度改性瀝青按改性劑的添加方式分為成品改性瀝青和直投式改性瀝青。所謂直投式高黏度改性瀝青，是指在混合料拌和過程中直接投入高黏添加劑。一般來講，瀝青混合料拌和站的瀝青罐有限，只有石油瀝青和I-D改性瀝青是常備的瀝青。當(dāng)使用其他瀝青時，則需要外來供給，一些小規(guī)模的施工需要的瀝青少，用油罐車不經(jīng)濟，而采用直投改性劑，可方便地制得各種等級的瀝青混合料[3]。

2000年前后，日本大有株式會社開始在中國推廣其TPS（Taf-Pack Super）高黏添加劑。日本經(jīng)驗的推廣，推動了我國高黏添加劑的研究。目前不少公司已開發(fā)出國產(chǎn)的高黏添加劑。但瀝青與混合料性能及拌和均勻性良莠不齊。相對于成品改性瀝青，要求高黏添加劑在瀝青混合料拌和過程中能夠快速分散并混合均勻，除材料本身的因素外，拌和工藝也是一個重要的影響因素。而我國目前對直投式高黏度改性瀝青的拌和工藝主要依賴經(jīng)驗，缺少研究。與成品高黏度改性瀝青進行對比，從干拌時間、濕拌時間、壓實溫度等因素研究直投式高黏度改性瀝青的最優(yōu)拌和工藝。

1 實驗部分

1.1 原材料

70#東?；|(zhì)瀝青，中國石油化工股份有限公司；HVK-II型高黏添加劑、成品高黏度改性瀝青，上海城建日瀝特種瀝青有限公司；礦粉，湖州東潤礦粉有限公司；細集料，石灰?guī)r，湖北赤壁市潤天礦業(yè)有限公司；粗集料，玄武巖，江蘇亞邦礦業(yè)有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

LYY-9A型瀝青延伸度儀、WSY-025B型瀝青軟化點測定儀、WSY-026型瀝青針入度試驗儀、WSY-018型瀝青黏韌性試驗儀、WSY-102型自動混合料拌和機、WSY-101型全自動馬歇爾穩(wěn)定度測定儀、WSY-103型馬歇爾電動擊實儀、WSY-077型液壓車轍試樣成型機、WSY-078型自動車轍試驗儀，無錫市石油儀器設(shè)備有限公司；RVDV-II+型布氏黏度儀，美國Brookfield公司；高速剪切乳化機，BME100LT，上海埃東機電設(shè)備有限公司；肯塔堡飛散試驗儀，上海申銳測試設(shè)備制造有限公司；步入式恒溫恒濕試驗箱，上海廣品試驗設(shè)備制造有限公司。

1.3 試樣制備

高黏度改性瀝青制備：將12 in%高黏添加劑加入到熔融的瀝青中，然后開啟高速剪切設(shè)備。加工溫度 180℃，5 000 r/min，時間 30 min。

排水性瀝青混合料制備：采用自動混合料拌和機將達到拌和溫度的集料與瀝青拌和90 s，加入礦粉后再拌和90 s。采用高黏添加劑時，先將高黏添加劑與集料干拌，然后加入基質(zhì)瀝青拌和。拌和后采用擊實儀成型馬歇爾試件，采用輪碾法成型車轍試件。

1.4 性能測試

瀝青的針入度、延度、軟化點、布氏黏度、黏韌性分別按照 T0604、T0605、T0606、T0625、T0624 進行。

瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與殘留穩(wěn)定度、、肯塔堡飛散損失、動穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比分別按照 T0709、T0733、T0719、T0729 進行[4]。

2 結(jié)果和討論

2.1 高黏度改性瀝青的性能

將12 in%高黏添加劑加入到熔融的瀝青中，剪切制得高黏度改性瀝青，與成品高黏度改性瀝青對比其性能，如表1所列?？梢?，直投改性與成品改性均滿足高黏度改性瀝青的技術(shù)要求。

表 1高黏度改性瀝青的性能一覽表

2.2 OGFC-13級配設(shè)計

根據(jù)上海地標[5]和日本《鋪裝調(diào)查·試驗法便覽》[6]進行目標空隙率20%的OGFC-13瀝青混合料級配設(shè)計。為方便試驗、減小誤差，用成品高黏度改性瀝青進行試驗。首先測定集料及礦粉的表觀相對密度和毛體積相對密度并進行篩分。然后根據(jù)規(guī)定的設(shè)計級配范圍，調(diào)整各種礦料比例，設(shè)計3組不同的初試礦料級配。一組級配的2.36 mm篩孔通過百分率處于設(shè)計級配范圍中值，另兩組通過率分別增加減少3.0%，如圖 1所示。對每組初試礦料級配，計算集料的表面積，進而計算初始瀝青用量。按照初試礦料級配和初始瀝青用量制作馬歇爾試件，測得試件的毛體積相對密度并計算最大理論相對密度，從而計算得到各級配的空隙率，如表2所列。繪制試件空隙率與2.36 mm通過百分率的關(guān)系曲線，如圖 2所示，推算期望的20%空隙率對應(yīng)的2.36 mm通過百分率，重新設(shè)計混合料級配，驗證空隙率為期望空隙率。上海地標[5]的設(shè)計方法為至此即確定混合料設(shè)計級配。但日本的方法與此不同，至此僅確定礦料級配，還要通過謝倫堡析漏試驗確定最佳瀝青用量[6]。

圖1 初試合成級配及規(guī)范級配曲線圖

表2 目標級配檢驗一覽表

圖 2 2.36 mm篩孔通過率與空隙率關(guān)系曲線圖

具體方法為根據(jù)經(jīng)驗選定一個瀝青用量的范圍，按0.5%間隔變化瀝青用量5～7個點，測定對應(yīng)的謝倫堡析漏損失，繪制油石比與析漏損失的關(guān)系曲線，以曲線變曲點為最佳瀝青用量。該測定的油石比（%）為 4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 時的謝倫堡析漏損失，如圖 3所示，得到最佳油石比為5.0%。從而確定混合料級配。

圖 3油石比與析漏損失關(guān)系曲線圖

根據(jù)確定的級配檢驗使用高黏添加劑制備的OGFC-13各項混合料性能，如表 3所列?？梢姼黜椫笜司鶟M足規(guī)范要求。高黏添加劑與基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比為12:88，亦算作膠結(jié)料的成分，加入基質(zhì)瀝青時，應(yīng)在油石比中扣除高黏添加劑。

表3 混合料性能一覽表

2.3 干拌時間

直投式改性瀝青沒有經(jīng)過成品改性瀝青長達數(shù)小時的剪切發(fā)育的過程，能否在短時間高效地混合，很多人對此存在疑問。簡單的辦法是用直投改性劑制備混合料，取不同位置的混合料測試性能，如各組試驗結(jié)果在試驗本身的重復(fù)性誤差之內(nèi)，即可認為拌和均勻。

根據(jù)研究，生產(chǎn)瀝青混合料時，可以在干拌過程中投入改性劑，增加5～15 s干拌時間；也可以在濕拌過程中，瀝青噴射開始10 s后投入，延長一定的濕拌時間。一般推薦在干拌過程中加入，這樣需要增加的拌和時間短[7]。因此，在干拌過程中投入改性劑，增加干拌時間或濕拌時間，分別研究干拌時間和濕拌時間對拌和均勻性的影響，采用5℃肯塔堡飛散損失率來表征拌和效果。這是由于肯塔堡飛散損失隨著溫度的降低而增大[8]，從表 3可知高黏添加劑制得的混合料飛散損失僅有7.4%，性能優(yōu)異。為提高區(qū)分度，將肯塔堡試驗條件從標準的20℃降低為5℃。試件在5℃水浴中保溫20h后進行測試，試驗在步入式恒溫恒濕試驗箱中進行。

為研究干拌時間對高黏添加劑拌和效果的影響，固定濕拌時間為 90 s，干拌 5 s、60 s、90 s、120 s時成型試件，測試5℃飛散損失，如圖 4所示。

圖4 干拌時間對5℃飛散損失的影響曲線圖

從飛散損失的平均值來看，干拌時間的影響存在但不大，都在16%附近。但從單個數(shù)據(jù)的測試結(jié)果看，隨著干拌時間的延長，飛散損失的離散更小，說明延長干拌時間可以提高拌和的均勻性。

2.4 濕拌時間

為研究濕拌時間對拌和效果的影響，固定干拌時間為 5 s，濕拌 90 s、180 s、270 s時成型試件，測試5℃肯塔堡飛散損失，如圖 5所示。

圖 5濕拌時間對5℃飛散損失的影響曲線圖

不論是從飛散損失的平均值還是單個數(shù)據(jù)來看，濕拌時間對飛散損失的影響都不大。

綜合干拌時間和濕拌時間對飛散損失的影響，可知該高黏添加劑能夠快速分散均勻，具有良好的拌和效果。綜合性能與生產(chǎn)成本和效率，推薦干拌時間5 s，濕拌時間90 s的拌和工藝。干拌時間對拌和效果的影響略大于濕拌時間。

生產(chǎn)直投改性劑時是一個混合的過程，將聚合物預(yù)先分散在相容劑小分子中，代替在成品改性瀝青制造過程中剪切發(fā)育的過程，制得的混合物與集料混合后，能夠迅速升溫，達到熔融狀態(tài)，具有良好的流動性，均勻地裹附在集料上。加入基質(zhì)瀝青后，高黏改性劑與基質(zhì)瀝青在集料表面混合均勻，形成高黏度改性瀝青裹附在集料上。相容劑小分子的種類和含量是比較關(guān)鍵的因素：既要與聚合物有良好的相容性，能夠形成均相的混合物，又要與基質(zhì)瀝青有良好的相容性，能夠在濕拌過程中形成分散均勻的改性瀝青；含量如果過低，則高黏添加劑的熔體流動性不足，不能快速分散，含量如果過高，則高黏添加劑中聚合物含量小，改性效果不明顯。

2.5 壓實溫度

在計算改性瀝青混合料的壓實度時，我國一般根據(jù)經(jīng)驗確定壓實溫度，然后采用實驗室密度作為標準密度[9]。日本計算壓實度的方法是，由于改性瀝青的壓實溫度不能通過黏溫曲線確定，首先通過基質(zhì)瀝青的黏溫曲線確定基質(zhì)瀝青的拌和溫度和壓實溫度，然后在該拌和溫度和壓實溫度用基質(zhì)瀝青成型馬歇爾試件，測試其密度，作為標準密度。然后用改性瀝青做出壓實溫度與壓實度的關(guān)系曲線，壓實度為100%時對應(yīng)的壓實溫度為最優(yōu)壓實溫度[10]。相對于我國的方法更為科學(xué)?，F(xiàn)采用日本的方法計算壓實度和確定壓實溫度。一般情況下，拌和溫度180℃，壓實溫度150℃。但如有寒冷季節(jié)需要施工的情況，瀝青混合料在運輸、攤鋪過程中溫度可能下降較快。通過提高拌和溫度的方法可能會造成瀝青老化，影響性能。采用加入溫拌劑的方法則會增加成本。為此，研究在不同壓實溫度下成型對壓實度和混合料性能的影響，從而論證直投改性瀝青能否應(yīng)對寒冷季節(jié)施工的情況。

拌和溫度155℃，壓實溫度145℃，用基質(zhì)瀝青成型馬歇爾試件，測試其毛體積相對密度，作為標準密度。固定拌和溫度180℃，壓實溫度為110℃、130℃、150℃時用直投式改性瀝青成型馬歇爾試件，測試其毛體積相對密度，計算壓實度，如圖 6所示。測試其5℃肯塔堡飛散損失，如圖 7所示。

圖6 壓實溫度對壓實度的影響曲線圖

圖 7壓實溫度對5℃飛散損失的影響曲線圖

可知，相對于成品改性瀝青，直投式改性瀝青的壓實度受壓實溫度影響較小，甚至在壓實溫度降低40℃時，仍能滿足壓實度大于98%的要求。從飛散損失來看，降低壓實溫度導(dǎo)致飛散損失的增大，因此保證施工質(zhì)量對混合料性能是至關(guān)重要的。由于規(guī)范中未規(guī)定5℃肯塔堡飛散損失的技術(shù)要求，對此，以成品改性瀝青在150℃壓實溫度下成型試件的飛散損失作為標準，對比可知，直投改性瀝青在壓實溫度降低20℃時仍有優(yōu)異的抗飛散能力。

綜合壓實溫度對壓實度和飛散損失的影響，可知直投改性瀝青的合適壓實溫度范圍更寬，更能應(yīng)對寒冷季節(jié)施工的情況。這是由于高黏添加劑要求能夠快速分散，為提高其熔體流動性，其相容劑含量要高于成品改性瀝青，從而有一定的降粘效果，起到一定程度的溫拌劑作用。

3 結(jié)論

通過研究干拌時間、濕拌時間、壓實溫度等拌和工藝對直投式高黏度改性瀝青混合料拌和均勻性和性能的影響，并與成品高黏度改性瀝青對比，可知：

在增加5 s干拌時間的情況下，直投式高黏度改性瀝青混合料即可拌和均勻，達到預(yù)期的性能。

由于增加5 s干拌時間，直投式高黏度改性瀝青混合料即已拌和均勻，延長干拌時間和濕拌時間對混合料性能和拌和均勻性的增加效果并不明顯。相對于濕拌時間，增加干拌時間效果略為明顯，可以提高拌和均勻性。

相對于成品高黏度改性瀝青，直投式高黏度改性瀝青由于相容劑含量較高，合適壓實溫度范圍更寬。在壓實溫度降低20℃時，仍能達到預(yù)期的壓實度和混合料性能，因此更能應(yīng)對寒冷地區(qū)施工的情況。