澆注式瀝青混合料施工流動(dòng)性研究

劉 克

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司 重慶 401336)

0 引 言

澆注式瀝青混合料(gussasphalt，GA)采用了高黏度瀝青和較高的油石比[1]，前者是基于高溫穩(wěn)定性的要求，后者是基于耐久性和抗裂性的要求.材料的矛盾組成既反映了澆注式瀝青混合料苛刻的服役條件，也決定了施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)：高溫穩(wěn)定性與施工和易性(流動(dòng)性)的平衡.對(duì)于目前常用的原材料，這種平衡的空間尚有不足[2]，多變的施工條件易導(dǎo)致性能失衡，當(dāng)流動(dòng)性太好時(shí)，高溫穩(wěn)定性往往不足，體現(xiàn)為貫入度不合格；流動(dòng)性較差時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)難以攤鋪且容易出現(xiàn)“麻面”，又會(huì)促使拌和站更改設(shè)計(jì)配合比，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低.

在解決高溫穩(wěn)定性與流動(dòng)性矛盾的同時(shí)，澆注式瀝青混合料的其他路用性能也隨之變化，如何進(jìn)行均衡設(shè)計(jì)是值得關(guān)注的問(wèn)題[3].目前施工控制溫度已達(dá)235 ℃左右，施工設(shè)備、安全方面的壓力已經(jīng)較大，不宜再通過(guò)提高施工溫度來(lái)解決問(wèn)題.在材料選擇方面，通過(guò)調(diào)整分子量，聚烯烴材料可達(dá)到適宜的相變溫度，從而同時(shí)改善澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性和高溫穩(wěn)定性，諸如Sasobit，CRP，SAK等產(chǎn)品在工程中應(yīng)用已較普遍，然而，過(guò)高的聚烯烴摻量不僅增加了成本，也會(huì)帶來(lái)材料脆化等風(fēng)險(xiǎn)[4-5]；如果采用吸油率低、黏附性弱、棱角性差的卵石石屑或河砂替代玄武巖石屑，流動(dòng)性雖得以改善但高溫穩(wěn)定性損失[6-8]，平衡空間并未拓展，此外集料本身的熱穩(wěn)定性也受到質(zhì)疑；筆者曾以水泥為填料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，雖然部分水泥品種可以同時(shí)改善流動(dòng)度和貫入度，但因其效果并不顯著而未能進(jìn)一步深入研究.

在原材料和現(xiàn)場(chǎng)工況已經(jīng)確定的施工階段，如何基于已有條件合理選擇流動(dòng)性改善方案是本文擬解決的問(wèn)題，將重點(diǎn)研究配合比和攪拌運(yùn)輸時(shí)間對(duì)流動(dòng)性的影響規(guī)律.

1 配合比對(duì)流動(dòng)性的影響

1.1 原材料及試驗(yàn)方法

采用熱塑性彈性體和低相對(duì)分子量聚烯烴改性SK70號(hào)基質(zhì)瀝青，得到試驗(yàn)用聚合物改性瀝青，其三大指標(biāo)為：25℃針入度30(0.01 mm)，5℃延度20.8 cm，軟化點(diǎn)94.7 ℃.集料分別為：峨眉山九里玄武巖碎石、重慶歌樂(lè)山石灰?guī)r石屑及礦粉，級(jí)配組成見(jiàn)表1.

表1 室內(nèi)試驗(yàn)的集料級(jí)配

用室內(nèi)拌和鍋制備12種不同配合比的澆注式瀝青混合料GA-10，單鍋拌和總質(zhì)量14 kg，攪拌時(shí)間45 min，控制溫度235 ℃.流動(dòng)性試驗(yàn)和貫入度試驗(yàn)方法依據(jù)文獻(xiàn)[9]；彎曲試驗(yàn)方法依據(jù)文獻(xiàn)[10]并采用大梁試件(長(zhǎng)30 cm×寬10 cm×厚5 cm.

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果列于表2～4.

表2 油石比7.6%的GA-10性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 油石比7.8%的GA-10性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 油石比7.9%的GA-10性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，固定油石比為7.6%時(shí)，礦粉用量每減少2%流動(dòng)度減少30～60 s，貫入度增加約1 mm，彎拉應(yīng)變變化不大,因此,減少礦粉用量雖然改善了流動(dòng)性，但同時(shí)也損失了高溫穩(wěn)定性.油石比7.9%時(shí)(見(jiàn)表4)也有類似的結(jié)果：礦粉摻量由30%減少為28%后流動(dòng)度減少約70 s，同時(shí)貫入度增加約0.6mm，彎拉應(yīng)變明顯增加.

對(duì)比表2～4中同一集料配合比(質(zhì)量比)(>5～10 mm碎石∶>3～5 mm碎石∶0～3 mm石屑：礦粉=31∶10∶31∶28)的試驗(yàn)結(jié)果可知，油石比從7.6%增加至7.8%,7.9%能顯著改善流動(dòng)性，同時(shí)貫入度增加不到1 mm，彎拉強(qiáng)度降低，彎拉應(yīng)變出現(xiàn)峰值.由此說(shuō)明增加油石比對(duì)流動(dòng)性的改善效果不但比減少礦粉用量更顯著，而且對(duì)高、低溫性能的影響程度也較小.推測(cè)其原因是聚合物改性瀝青的綜合性能較好.

為研究碎石組成的影響，將油石比、礦粉用量和0～3 mm細(xì)集料用量分別固定為7.8%，28%和31%，即瀝青砂漿的數(shù)量和組成都不變，僅改變>5～10 mm與>3～5 mm兩檔碎石之間比例.試驗(yàn)結(jié)果列于表3，可見(jiàn)>3～5 mm碎石用量減少后，流動(dòng)性得以改善，只是改善的顯著性不如調(diào)整油石比和礦粉用量.高溫穩(wěn)定性和低溫性能在兩種碎石比例均衡時(shí)效果最佳.因此，調(diào)整>3～5 mm碎石用量可以均衡地改善澆注式瀝青混合料的路用性能.

在表4中，最后3個(gè)配合比的油石比和礦粉用量分別固定為7.9%和28%，0～3 mm細(xì)集料用量分別為31%，35%和39%.雖然流動(dòng)度隨細(xì)集料用量增加而略有減小，但結(jié)合三者的料溫判斷，其流動(dòng)性差別不大，并且貫入度試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律不明顯.

2 攪拌時(shí)間對(duì)流動(dòng)性的影響

室內(nèi)拌和鍋與生產(chǎn)所用的攪拌運(yùn)輸設(shè)備(Cooker)在攪拌效率、環(huán)境條件方面具有差異，而瀝青的高溫超熱老化又將這種差異的效果進(jìn)一步放大[11]，造成室內(nèi)拌和與實(shí)際生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料性能不同.為得到流動(dòng)性隨攪拌時(shí)間變化的真實(shí)規(guī)律，本文采用國(guó)產(chǎn)Cooker進(jìn)行攪拌試驗(yàn).Cooker具有強(qiáng)制攪拌和溫度控制功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示攪拌壓強(qiáng)和混合料溫度.攪拌壓強(qiáng)可以準(zhǔn)確反映澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性.

攪拌試驗(yàn)所用瀝青仍然為聚合物改性SK70號(hào)基質(zhì)瀝青，改性劑用量較第1節(jié)略有調(diào)整，改性瀝青指標(biāo)為：25 ℃針入度47(0.01 mm)，5 ℃延度34.2 cm，軟化點(diǎn)106.2 ℃.單檔碎石為珙縣5～10 mm玄武巖，細(xì)集料為宜賓長(zhǎng)江卵石屑，石灰?guī)r礦粉.澆注式瀝青混合料GA-10油石比7.7%，其生產(chǎn)合成級(jí)配見(jiàn)表5.

將4臺(tái)Cooker編號(hào)為：①號(hào)、②號(hào)、③號(hào)和④號(hào).分別裝入12t混合料后，記錄歷時(shí)16 h的Cooker攪拌壓強(qiáng)和混合料溫度.混合料溫度取Cooker左右兩側(cè)數(shù)顯溫度的均值.攪拌壓強(qiáng)讀取前先調(diào)整至相同攪拌轉(zhuǎn)速；當(dāng)攪拌壓強(qiáng)過(guò)大造成指針波動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)值取1 min內(nèi)高低極值的平均值.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

表5 攪拌試驗(yàn)的GA-10生產(chǎn)合成級(jí)配

圖1 Cooker攪拌壓強(qiáng)和混合料溫度變化過(guò)程

攪拌開(kāi)始后4 h內(nèi)，4臺(tái)Cooker的料溫均降低，若材料性質(zhì)無(wú)變化，攪拌壓強(qiáng)應(yīng)該隨之增大.但是實(shí)際結(jié)果并非如此：只有②號(hào)Cooker的攪拌壓強(qiáng)隨料溫降低略有增大，①號(hào)Cooker攪拌壓強(qiáng)則不變，而③號(hào)Cooker、④號(hào)Cooker攪拌壓強(qiáng)反而略有減小.由此證明，混合料流動(dòng)性在攪拌初期略有改善.

攪拌4 h后，①號(hào)Cooker料溫逐漸降低，直到11.5h料溫開(kāi)始回升，相應(yīng)的攪拌壓強(qiáng)也隨之先增大后減小.但是，對(duì)比攪拌4h前、后相同料溫時(shí)的攪拌壓強(qiáng)可以看到，攪拌4 h之后的攪拌壓強(qiáng)較小.例如，14 h與0，2，3.5 h的料溫僅相差1～2 ℃，但14 h的攪拌壓強(qiáng)卻小了0.3～0.4 MPa，說(shuō)明混合料經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間攪拌后，流動(dòng)性得以改善.②號(hào)Cooker的攪拌壓強(qiáng)隨料溫降低而增大，11.5 h后因溫度數(shù)顯故障未繼續(xù)記錄.③號(hào)Cooker的攪拌壓強(qiáng)在9 h后急劇增大，壓強(qiáng)指針劇烈波動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)混合料已經(jīng)固化結(jié)團(tuán).在5.0～7.5 h，攪拌壓強(qiáng)對(duì)料溫的小幅下降便有相對(duì)顯著的增大，這可能已經(jīng)預(yù)示了流動(dòng)性將朝著不利的方向發(fā)展.

攪拌16 h后卸料觀察發(fā)現(xiàn)：①號(hào)Cooker和④號(hào)Cooker中的混合料流動(dòng)性較好，實(shí)測(cè)流動(dòng)度分別為38和32 s，為易施工狀態(tài)，卸料過(guò)程瀝青煙較濃，混合料略帶光澤并伴有離析現(xiàn)象，表面出現(xiàn)較多小氣泡；②號(hào)Cooker可卸料攤鋪，但混合料外觀成麻面狀、無(wú)光澤，韌性不足；③號(hào)Cooker中混合料已經(jīng)固化成團(tuán)，難以自行流出.對(duì)④號(hào)Cooker中的混合料進(jìn)行取樣檢測(cè)，并與攪拌2 h的相同配合比混合料對(duì)比表6.

表6 攪拌不同時(shí)間后的GA-10性能試驗(yàn)結(jié)果

攪拌試驗(yàn)證明，Cooker攪拌運(yùn)輸?shù)那? h內(nèi)流動(dòng)性略有改善，因此在生產(chǎn)過(guò)程中混合料流動(dòng)性若有不足，適量延長(zhǎng)攪拌時(shí)間是合理的，但最長(zhǎng)不宜超過(guò)4 h.若因遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、天氣變化等原因造成長(zhǎng)時(shí)間攪拌后，澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性可能趨于兩種截然相反的變化：流動(dòng)性改善，但貫入度、貫入度增量及其變異系數(shù)(Cv)都略有增大，即混合料的高溫穩(wěn)定性和均勻性損失；流動(dòng)性損失甚至固化結(jié)團(tuán).流動(dòng)性變化的方向似乎取決于澆注式瀝青混合料的初始流動(dòng)性，因?yàn)棰偬?hào)、②號(hào)、③號(hào)和④號(hào)Cooker的初始攪拌壓強(qiáng)分別為4.5，5.7，7.9和4.8 MPa，即初始攪拌壓強(qiáng)越大時(shí)，隨攪拌時(shí)間增加流動(dòng)性趨于損失.

3 流動(dòng)性變化機(jī)理探討

采用室內(nèi)普通拌和鍋拌和時(shí)，隨著攪拌時(shí)間延長(zhǎng)，澆注式瀝青混合料流動(dòng)性會(huì)逐漸損失并失去光澤.如果初始流動(dòng)性較差，混合料在1 h左右便會(huì)固化成團(tuán).無(wú)論是采用聚合物改性瀝青還是天然瀝青改性瀝青，這種趨勢(shì)都是唯一確定的，其機(jī)理是瀝青老化，包括氧化、降解、氣化和揮發(fā)[12-13].在港珠澳大橋工程中，澆注式瀝青混合料的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)采用了特制的室內(nèi)小型Cooker拌和，一次拌和質(zhì)量約70 kg；生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)直接采用Cooker拌和，一次拌和8.8 t.數(shù)據(jù)顯示無(wú)論是Cooker還是特制小型Cooker，混合料的流動(dòng)性都是隨攪拌時(shí)間延長(zhǎng)而損失.但是，使用Cooker時(shí)流動(dòng)性的變化速度要顯著小于使用室內(nèi)小型Cooker的變化速度，而使用室內(nèi)小型Cooker時(shí)流動(dòng)性的變化速度又小于使用室內(nèi)普通拌和鍋的變化速度.

室內(nèi)普通拌和鍋的拌和質(zhì)量一般僅14kg左右，因此拌和鍋中混合料的比表面積大于室內(nèi)小型Cooker，更遠(yuǎn)大于Cooker中的混合料比表面積.另外，室內(nèi)普通拌和鍋幾乎是敞開(kāi)的，其密閉性不如Cooker.因此，雖然3種拌和方式的控制溫度相同，但環(huán)境條件不同，使得小分子的揮發(fā)逃逸速度不同.Cooker的密閉性較強(qiáng)，其內(nèi)混合料的比表面積又較小，大量降解、液化、氣化的輕質(zhì)組分和小分子難以逃逸，充當(dāng)了潤(rùn)滑劑，改善了混合料的流動(dòng)性.

Cooker裝載的混合料體積一般只占容積的60%～80%，如果初始流動(dòng)性較差，混合料帶有彈性，攪拌葉片的擠壓、拉伸會(huì)使混合料形成更大的比表面積.當(dāng)初始流動(dòng)性較好時(shí)，攪拌幾乎不會(huì)改變混合料的比表面積.因此，如果Cooker裝載質(zhì)量較大且初始流動(dòng)性較好時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間攪拌即可進(jìn)一步改善流動(dòng)性，造成這種與室內(nèi)拌和完全相反的變化趨勢(shì)的原因是老化環(huán)境的差異.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

提高油石比、減少礦粉用量、減少3～5 mm碎石用量都可以改善流動(dòng)性，敏感性從強(qiáng)至弱依次為：油石比>礦粉>3～5 mm碎石.但是，在調(diào)整3～5 mm碎石用量改善流動(dòng)性的同時(shí)也能兼顧改善高、低溫性能.單獨(dú)調(diào)整油石比或礦粉用量改善流動(dòng)性時(shí)，會(huì)損失混合料的高溫穩(wěn)定性，相對(duì)而言調(diào)整油石較調(diào)整礦粉用量對(duì)綜合路用性能更有利.

Cooker攪拌4 h內(nèi)，混合料流動(dòng)性略有改善.攪拌時(shí)間大于4 h后，因輕質(zhì)組分和小分子生成帶來(lái)的潤(rùn)滑作用，流動(dòng)性得以改善，但混合料會(huì)有一定程度的離析，貫入度、增量及變異系數(shù)都略有增加.輕質(zhì)組分、小分子揮發(fā)逃逸后，混合料流動(dòng)性損失甚至固化.Cooker長(zhǎng)時(shí)間攪拌使流動(dòng)性趨于兩種相反的變化可能，變化方向取決于組分揮發(fā)速度.相同條件下，初始流動(dòng)性較好的混合料會(huì)因揮發(fā)速度更慢而傾向于流動(dòng)性改善，相反，初始流動(dòng)性不足的混合料就會(huì)傾向于流動(dòng)性損失.

施工中應(yīng)采取增加Cooker裝載數(shù)量、關(guān)閉進(jìn)料口、降低攪拌轉(zhuǎn)速等措施，盡可能限制輕質(zhì)組分揮發(fā)，改善流動(dòng)性.