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：高溫穩(wěn)定性與施工和易性(流動性)的平衡.對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致性能失衡，當流動性太好時，高溫穩(wěn)定性往往不足，體現(xiàn)為貫入度不合格；流動性較差時，現(xiàn)場難以攤鋪且容易出現(xiàn)“麻面”，又會促使拌和站更改設(shè)計配合比，導致產(chǎn)品質(zhì)量降低.

在解決高溫穩(wěn)定性與流動性矛盾的同時，澆注式瀝青混合料的其他路用性能也隨之變化，如何進行均衡設(shè)計是值得關(guān)注的問題[3].目前施工控制溫度已達235 ℃左右，施工設(shè)備、安全方面的壓力已經(jīng)較大，不宜再通過提高施工溫度來解決問題.在材料選擇方面，通過調(diào)整分子量，聚烯烴材料可達到適宜的相變溫度，從而同時改善澆注式瀝青混合料的流動性和高溫穩(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，過高的聚烯烴摻量不僅增加了成本，也會帶來材料脆化等風險[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行室內(nèi)試驗，雖然部分水泥品種可以同時改善流動度和貫入度，但因其效果并不顯著而未能進一步深入研究.

在原材料和現(xiàn)場工況已經(jīng)確定的施工階段，如何基于已有條件合理選擇流動性改善方案是本文擬解決的問題，將重點研究配合比和攪拌運輸時間對流動性的影響規(guī)律.

1 配合比對流動性的影響

1.1 原材料及試驗方法

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

表1 室內(nèi)試驗的集料級配

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，攪拌時間45 min，控制溫度235 ℃.流動性試驗和貫入度試驗方法依據(jù)文獻[9]；彎曲試驗方法依據(jù)文獻[10]并采用大梁試件(長30 cm×寬10 cm×厚5 cm.

1.2 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果列于表2～4.

表2 油石比7.6%的GA-10性能試驗結(jié)果

表3 油石比7.8%的GA-10性能試驗結(jié)果

表4 油石比7.9%的GA-10性能試驗結(jié)果

由表2可知，固定油石比為7.6%時，礦粉用量每減少2%流動度減少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性，但同時也損失了高溫穩(wěn)定性.油石比7.9%時(見表4)也有類似的結(jié)果：礦粉摻量由30%減少為28%后流動度減少約70 s，同時貫入度增加約0.6mm，彎拉應(yīng)變明顯增加.

對比表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%能顯著改善流動性，同時貫入度增加不到1 mm，彎拉強度降低，彎拉應(yīng)變出現(xiàn)峰值.由此說明增加油石比對流動性的改善效果不但比減少礦粉用量更顯著，而且對高、低溫性能的影響程度也較小.推測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.試驗結(jié)果列于表3，可見>3～5 mm碎石用量減少后，流動性得以改善，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細集料用量分別為31%，35%和39%.雖然流動度隨細集料用量增加而略有減小，但結(jié)合三者的料溫判斷，其流動性差別不大，并且貫入度試驗和彎曲試驗結(jié)果規(guī)律不明顯.

2 攪拌時間對流動性的影響

室內(nèi)拌和鍋與生產(chǎn)所用的攪拌運輸設(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一步放大[11]，造成室內(nèi)拌和與實際生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料性能不同.為得到流動性隨攪拌時間變化的真實規(guī)律，本文采用國產(chǎn)Cooker進行攪拌試驗.Cooker具有強制攪拌和溫度控制功能，能夠?qū)崟r顯示攪拌壓強和混合料溫度.攪拌壓強可以準確反映澆注式瀝青混合料的流動性.

攪拌試驗所用瀝青仍然為聚合物改性SK70號基質(zhì)瀝青，改性劑用量較第1節(jié)略有調(diào)整，改性瀝青指標為：25 ℃針入度47(0.01 mm)，5 ℃延度34.2 cm，軟化點106.2 ℃.單檔碎石為珙縣5～10 mm玄武巖，細集料為宜賓長江卵石屑，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)合成級配見表5.

將4臺Cooker編號為：①號、②號、③號和④號.分別裝入12t混合料后，記錄歷時16 h的Cooker攪拌壓強和混合料溫度.混合料溫度取Cooker左右兩側(cè)數(shù)顯溫度的均值.攪拌壓強讀取前先調(diào)整至相同攪拌轉(zhuǎn)速；當攪拌壓強過大造成指針波動時，壓強值取1 min內(nèi)高低極值的平均值.試驗結(jié)果見圖1.

表5 攪拌試驗的GA-10生產(chǎn)合成級配

圖1 Cooker攪拌壓強和混合料溫度變化過程

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

攪拌4 h后，①號Cooker料溫逐漸降低，直到11.5h料溫開始回升，相應(yīng)的攪拌壓強也隨之先增大后減小.但是，對比攪拌4h前、后相同料溫時的攪拌壓強可以看到，攪拌4 h之后的攪拌壓強較小.例如，14 h與0，2，3.5 h的料溫僅相差1～2 ℃，但14 h的攪拌壓強卻小了0.3～0.4 MPa，說明混合料經(jīng)歷長時間攪拌后，流動性得以改善.②號Cooker的攪拌壓強隨料溫降低而增大，11.5 h后因溫度數(shù)顯故障未繼續(xù)記錄.③號Cooker的攪拌壓強在9 h后急劇增大，壓強指針劇烈波動，說明此時混合料已經(jīng)固化結(jié)團.在5.0～7.5 h，攪拌壓強對料溫的小幅下降便有相對顯著的增大，這可能已經(jīng)預示了流動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Cooker和④號Cooker中的混合料流動性較好，實測流動度分別為38和32 s，為易施工狀態(tài)，卸料過程瀝青煙較濃，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Cooker可卸料攤鋪，但混合料外觀成麻面狀、無光澤，韌性不足；③號Cooker中混合料已經(jīng)固化成團，難以自行流出.對④號Cooker中的混合料進行取樣檢測，并與攪拌2 h的相同配合比混合料對比表6.

表6 攪拌不同時間后的GA-10性能試驗結(jié)果

攪拌試驗證明，Cooker攪拌運輸?shù)那? h內(nèi)流動性略有改善，因此在生產(chǎn)過程中混合料流動性若有不足，適量延長攪拌時間是合理的，但最長不宜超過4 h.若因遠距離運輸、天氣變化等原因造成長時間攪拌后，澆注式瀝青混合料的流動性可能趨于兩種截然相反的變化：流動性改善，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；流動性損失甚至固化結(jié)團.流動性變化的方向似乎取決于澆注式瀝青混合料的初始流動性，因為①號、②號、③號和④號Cooker的初始攪拌壓強分別為4.5，5.7，7.9和4.8 MPa，即初始攪拌壓強越大時，隨攪拌時間增加流動性趨于損失.

3 流動性變化機理探討

采用室內(nèi)普通拌和鍋拌和時，隨著攪拌時間延長，澆注式瀝青混合料流動性會逐漸損失并失去光澤.如果初始流動性較差，混合料在1 h左右便會固化成團.無論是采用聚合物改性瀝青還是天然瀝青改性瀝青，這種趨勢都是唯一確定的，其機理是瀝青老化，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配合比設(shè)計采用了特制的室內(nèi)小型Cooker拌和，一次拌和質(zhì)量約70 kg；生產(chǎn)配合比設(shè)計直接采用Cooker拌和，一次拌和8.8 t.數(shù)據(jù)顯示無論是Cooker還是特制小型Cooker，混合料的流動性都是隨攪拌時間延長而損失.但是，使用Cooker時流動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時流動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，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，充當了潤滑劑，改善了混合料的流動性.

Cooker裝載的混合料體積一般只占容積的60%～80%，如果初始流動性較差，混合料帶有彈性，攪拌葉片的擠壓、拉伸會使混合料形成更大的比表面積.當初始流動性較好時，攪拌幾乎不會改變混合料的比表面積.因此，如果Cooker裝載質(zhì)量較大且初始流動性較好時，長時間攪拌即可進一步改善流動性，造成這種與室內(nèi)拌和完全相反的變化趨勢的原因是老化環(huán)境的差異.

4 結(jié) 束 語

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性，敏感性從強至弱依次為：油石比>礦粉>3～5 mm碎石.但是，在調(diào)整3～5 mm碎石用量改善流動性的同時也能兼顧改善高、低溫性能.單獨調(diào)整油石比或礦粉用量改善流動性時，會損失混合料的高溫穩(wěn)定性，相對而言調(diào)整油石較調(diào)整礦粉用量對綜合路用性能更有利.

Cooker攪拌4 h內(nèi)，混合料流動性略有改善.攪拌時間大于4 h后，因輕質(zhì)組分和小分子生成帶來的潤滑作用，流動性得以改善，但混合料會有一定程度的離析，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，混合料流動性損失甚至固化.Cooker長時間攪拌使流動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，初始流動性較好的混合料會因揮發(fā)速度更慢而傾向于流動性改善，相反，初始流動性不足的混合料就會傾向于流動性損失.

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