劉霞

（上海公路橋梁（集團(tuán)）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(diǎn)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(guò)程中直接投入高黏添加劑。一般來(lái)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(shí)，則需要外來(lái)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(jì)，而采用直投改性劑，可方便地制得各種等級(jí)的瀝青混合料[3]。

2000年前后，日本大有株式會(huì)社開(kāi)始在中國(guó)推廣其TPS（Taf-Pack Super）高黏添加劑。日本經(jīng)驗(yàn)的推廣，推動(dòng)了我國(guó)高黏添加劑的研究。目前不少公司已開(kāi)發(fā)出國(guó)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(duì)于成品改性瀝青，要求高黏添加劑在瀝青混合料拌和過(guò)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(gè)重要的影響因素。而我國(guó)目前對(duì)直投式高黏度改性瀝青的拌和工藝主要依賴經(jīng)驗(yàn)，缺少研究。與成品高黏度改性瀝青進(jìn)行對(duì)比，從干拌時(shí)間、濕拌時(shí)間、壓實(shí)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

70#東?；|(zhì)瀝青，中國(guó)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(rùn)礦粉有限公司；細(xì)集料，石灰?guī)r，湖北赤壁市潤(rùn)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(diǎn)測(cè)定儀、WSY-026型瀝青針入度試驗(yàn)儀、WSY-018型瀝青黏韌性試驗(yàn)儀、WSY-102型自動(dòng)混合料拌和機(jī)、WSY-101型全自動(dòng)馬歇爾穩(wěn)定度測(cè)定儀、WSY-103型馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀、WSY-077型液壓車轍試樣成型機(jī)、WSY-078型自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀，無(wú)錫市石油儀器設(shè)備有限公司；RVDV-II+型布氏黏度儀，美國(guó)Brookfield公司；高速剪切乳化機(jī)，BME100LT，上海埃東機(jī)電設(shè)備有限公司；肯塔堡飛散試驗(yàn)儀，上海申銳測(cè)試設(shè)備制造有限公司；步入式恒溫恒濕試驗(yàn)箱，上海廣品試驗(yàn)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(kāi)啟高速剪切設(shè)備。加工溫度 180℃，5 000 r/min，時(shí)間 30 min。

排水性瀝青混合料制備：采用自動(dòng)混合料拌和機(jī)將達(dá)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(shí)，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(shí)儀成型馬歇爾試件，采用輪碾法成型車轍試件。

1.4 性能測(cè)試

瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)、布氏黏度、黏韌性分別按照 T0604、T0605、T0606、T0625、T0624 進(jìn)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(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比分別按照 T0709、T0733、T0719、T0729 進(jìn)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(duì)比其性能，如表1所列?？梢?jiàn)，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(jí)配設(shè)計(jì)

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

圖1 初試合成級(jí)配及規(guī)范級(jí)配曲線圖

表2 目標(biāo)級(jí)配檢驗(yàn)一覽表

圖 2 2.36 mm篩孔通過(guò)率與空隙率關(guān)系曲線圖

具體方法為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定一個(gè)瀝青用量的范圍，按0.5%間隔變化瀝青用量5～7個(gè)點(diǎn)，測(cè)定對(duì)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(diǎn)為最佳瀝青用量。該測(cè)定的油石比（%）為 4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 時(shí)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(jí)配。

圖 3油石比與析漏損失關(guān)系曲線圖

根據(jù)確定的級(jí)配檢驗(yàn)使用高黏添加劑制備的OGFC-13各項(xiàng)混合料性能，如表 3所列?？梢?jiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(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(shí)，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(shí)間

直投式改性瀝青沒(méi)有經(jīng)過(guò)成品改性瀝青長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的剪切發(fā)育的過(guò)程，能否在短時(shí)間高效地混合，很多人對(duì)此存在疑問(wèn)。簡(jiǎn)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(cè)試性能，如各組試驗(yàn)結(jié)果在試驗(yàn)本身的重復(fù)性誤差之內(nèi)，即可認(rèn)為拌和均勻。

根據(jù)研究，生產(chǎn)瀝青混合料時(shí)，可以在干拌過(guò)程中投入改性劑，增加5～15 s干拌時(shí)間；也可以在濕拌過(guò)程中，瀝青噴射開(kāi)始10 s后投入，延長(zhǎng)一定的濕拌時(shí)間。一般推薦在干拌過(guò)程中加入，這樣需要增加的拌和時(shí)間短[7]。因此，在干拌過(guò)程中投入改性劑，增加干拌時(shí)間或濕拌時(shí)間，分別研究干拌時(shí)間和濕拌時(shí)間對(duì)拌和均勻性的影響，采用5℃肯塔堡飛散損失率來(lái)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(yàn)條件從標(biāo)準(zhǔn)的20℃降低為5℃。試件在5℃水浴中保溫20h后進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)在步入式恒溫恒濕試驗(yàn)箱中進(jìn)行。

為研究干拌時(shí)間對(duì)高黏添加劑拌和效果的影響，固定濕拌時(shí)間為 90 s，干拌 5 s、60 s、90 s、120 s時(shí)成型試件，測(cè)試5℃飛散損失，如圖 4所示。

圖4 干拌時(shí)間對(duì)5℃飛散損失的影響曲線圖

從飛散損失的平均值來(lái)看，干拌時(shí)間的影響存在但不大，都在16%附近。但從單個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果看，隨著干拌時(shí)間的延長(zhǎng)，飛散損失的離散更小，說(shuō)明延長(zhǎng)干拌時(shí)間可以提高拌和的均勻性。

2.4 濕拌時(shí)間

為研究濕拌時(shí)間對(duì)拌和效果的影響，固定干拌時(shí)間為 5 s，濕拌 90 s、180 s、270 s時(shí)成型試件，測(cè)試5℃肯塔堡飛散損失，如圖 5所示。

圖 5濕拌時(shí)間對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)來(lái)看，濕拌時(shí)間對(duì)飛散損失的影響都不大。

綜合干拌時(shí)間和濕拌時(shí)間對(duì)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(shí)間5 s，濕拌時(shí)間90 s的拌和工藝。干拌時(shí)間對(duì)拌和效果的影響略大于濕拌時(shí)間。

生產(chǎn)直投改性劑時(shí)是一個(gè)混合的過(guò)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(guò)程中剪切發(fā)育的過(guò)程，制得的混合物與集料混合后，能夠迅速升溫，達(dá)到熔融狀態(tài)，具有良好的流動(dòng)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(guò)程中形成分散均勻的改性瀝青；含量如果過(guò)低，則高黏添加劑的熔體流動(dòng)性不足，不能快速分散，含量如果過(guò)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(shí)溫度

在計(jì)算改性瀝青混合料的壓實(shí)度時(shí)，我國(guó)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定壓實(shí)溫度，然后采用實(shí)驗(yàn)室密度作為標(biāo)準(zhǔn)密度[9]。日本計(jì)算壓實(shí)度的方法是，由于改性瀝青的壓實(shí)溫度不能通過(guò)黏溫曲線確定，首先通過(guò)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(shí)溫度，然后在該拌和溫度和壓實(shí)溫度用基質(zhì)瀝青成型馬歇爾試件，測(cè)試其密度，作為標(biāo)準(zhǔn)密度。然后用改性瀝青做出壓實(shí)溫度與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，壓實(shí)度為100%時(shí)對(duì)應(yīng)的壓實(shí)溫度為最優(yōu)壓實(shí)溫度[10]。相對(duì)于我國(guó)的方法更為科學(xué)?，F(xiàn)采用日本的方法計(jì)算壓實(shí)度和確定壓實(shí)溫度。一般情況下，拌和溫度180℃，壓實(shí)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(yùn)輸、攤鋪過(guò)程中溫度可能下降較快。通過(guò)提高拌和溫度的方法可能會(huì)造成瀝青老化，影響性能。采用加入溫拌劑的方法則會(huì)增加成本。為此，研究在不同壓實(shí)溫度下成型對(duì)壓實(shí)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(duì)寒冷季節(jié)施工的情況。

拌和溫度155℃，壓實(shí)溫度145℃，用基質(zhì)瀝青成型馬歇爾試件，測(cè)試其毛體積相對(duì)密度，作為標(biāo)準(zhǔn)密度。固定拌和溫度180℃，壓實(shí)溫度為110℃、130℃、150℃時(shí)用直投式改性瀝青成型馬歇爾試件，測(cè)試其毛體積相對(duì)密度，計(jì)算壓實(shí)度，如圖 6所示。測(cè)試其5℃肯塔堡飛散損失，如圖 7所示。

圖6 壓實(shí)溫度對(duì)壓實(shí)度的影響曲線圖

圖 7壓實(shí)溫度對(duì)5℃飛散損失的影響曲線圖

可知，相對(duì)于成品改性瀝青，直投式改性瀝青的壓實(shí)度受壓實(shí)溫度影響較小，甚至在壓實(shí)溫度降低40℃時(shí)，仍能滿足壓實(shí)度大于98%的要求。從飛散損失來(lái)看，降低壓實(shí)溫度導(dǎo)致飛散損失的增大，因此保證施工質(zhì)量對(duì)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(duì)此，以成品改性瀝青在150℃壓實(shí)溫度下成型試件的飛散損失作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比可知，直投改性瀝青在壓實(shí)溫度降低20℃時(shí)仍有優(yōu)異的抗飛散能力。

綜合壓實(shí)溫度對(duì)壓實(shí)度和飛散損失的影響，可知直投改性瀝青的合適壓實(shí)溫度范圍更寬，更能應(yīng)對(duì)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(dòng)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(guò)研究干拌時(shí)間、濕拌時(shí)間、壓實(shí)溫度等拌和工藝對(duì)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(duì)比，可知：

在增加5 s干拌時(shí)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(dá)到預(yù)期的性能。

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

相對(duì)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(shí)溫度范圍更寬。在壓實(shí)溫度降低20℃時(shí)，仍能達(dá)到預(yù)期的壓實(shí)度和混合料性能，因此更能應(yīng)對(duì)寒冷地區(qū)施工的情況。