制備工藝對高黏直投改性瀝青性能的影響

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(長沙理工大公路工程試驗檢測中心， 湖南 長沙 410076)

高黏瀝青是近年來出現的一種改性瀝青，根據GB/T 30516—2014《高黏高彈道路瀝青》的定義，其60 ℃動力黏度大于20 000 Pa·s，被廣泛應用于路面薄層罩面(磨耗層)、橋面鋪裝、排水降噪路面、應力吸收層等建設和養護工程中。高黏瀝青根據生產工藝分為濕法改性和干法直投改性2種，相較于濕法改性，干法直投使用高黏直投改性劑直接投放于混合料拌合缸內，使用簡單、可操作性強，且能克服濕法改性工藝中瀝青老化、離析、熱分解等問題，具有明顯的應用優勢。其本質與濕法改性相同，不同的是，其應用效果(混合料的性能)受攪拌時間、溫度、速度等制備工藝的影響較大。因此，研究制備工藝對高黏直投改性瀝青改性效果的影響，對于高黏直投改性劑的應用和性能評價具有顯著的現實意義。該文研究不同制備工藝對高黏直投改性瀝青性能的影響，對比濕法高黏瀝青和干法直投高黏瀝青混合料的性能，為高黏直投改性劑的應用提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

采用上海騫眾新材料科技有限責任公司生產的ZT-101型高黏直投改性劑，它是通過在高分子鏈上接枝功能化單體，輔以穩定劑等材料熔融造粒而成的一種米黃色改性劑，其主要性能指標(見表1)滿足JT/T 860.2—2013《瀝青混合料改性添加劑 第2部分 高黏度添加劑》的要求。基體瀝青采用SBS改性瀝青(通過在SBS改性瀝青中加入一定摻量的高黏直投劑制備高黏瀝青)，其主要性能指標見表2，滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中Ⅰ類SBS改性瀝青的要求。

表1 ZT-101型高黏直投改性劑的主要性能指標

表2 SBS改性瀝青的主要性能指標

集料采用滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求的玄武巖碎石、石屑和石灰巖礦粉，級配類型為AC-13(見表3)，油石比為5%。

表3 AC-13級配

1.2 試驗方法

高黏瀝青制備方法是將SBS改性瀝青加熱至170 ℃左右，攪拌使高黏直投劑與SBS改性瀝青混合融化(根據試驗設計，攪拌速度、攪拌時間和加熱溫度各有不同)。高黏瀝青混合料的制備方法分為干法和濕法2種(見圖1)，濕法是利用制備好的高黏瀝青按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行混合料試件制作；干法是先將加熱好的集料與直投劑拌合均勻30 s，再加入改性SBS瀝青進行攪拌制成混合料。高黏瀝青的針入度、軟化點、延度、60 ℃動力黏度及瀝青混合料馬歇爾穩定度、高溫穩定度等均按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》執行。

圖1 高黏瀝青混合料制備流程

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗

高黏直投改性劑發揮作用的關鍵是其均勻分散于基體瀝青中并作用于基體瀝青，實現高黏改性，因而高黏直投劑摻量、攪拌速度、時間、加熱溫度等制備工藝對高黏直投改性劑的應用具有顯著影響。為分析制備工藝對高黏瀝青性能的影響，以直投劑摻量、攪拌速度、攪拌時間及加熱溫度為因素變量，以針入度、軟化點、延度及60 ℃動力黏度作為評價指標，進行四因素三水平L9(34)正交試驗。高黏直投劑摻量分別取3%、4%、5%，分別對應1、2、3水平；攪拌速度分別取60 (人工攪拌)、1 000 (SLY液體強力攪拌機)、4 000 r/min(BK-BRS-300高剪切乳化機)，分別對應1、2、3水平；攪拌時間分別取5、10、20 min，分別對應1、2、3水平；加熱溫度分別取160、180和200 ℃，分別對應1、2、3水平。正交試驗設計及試驗結果見表4，極差分析結果見表6～8。

表4 正交試驗設計及試驗結果

表5 針入度正交試驗極差分析 0.1 mm

表6 軟化點正交試驗極差分析 ℃

2.2 制備工藝對高黏瀝青性能的影響

瀝青主要技術性能包括黏滯性、塑性、溫度敏感性、大氣穩定性等，采用針入度、延度、軟化點等指標來評價。總體來看，直投高黏改性劑在攪拌、加熱的作用下，在基體瀝青(SBS改性瀝青)中熔融、溶脹，對基體瀝青進行高黏改性，體現在性能指標上是針入度和延度指標降低、軟化點和60 ℃動力黏度指標提高，即瀝青的黏滯性和高溫路用性能提高，而塑性、溫度敏感性降低。

(1) 對針入度的影響。半固體或固體瀝青的黏滯性通過針入度表示，反映瀝青的軟硬、黏稠程度和抵抗剪切破壞的能力。由表4、表5可知：1) 不同制備工藝下，各組瀝青的黏滯性幾乎都增大，即針入度降低，最大幅度超過20 (0.1 mm)；2) 4個制備工藝因素中，影響黏滯性的制備工藝因素的大小排序為攪拌速度>加熱溫度>直投劑摻量>攪拌時間，其中攪拌速度的極差達到15.7 (0.1 mm)，表明攪拌速度對高黏直投改性劑制備高黏瀝青的黏滯性影響較大。此外，由于溫度較高、時間較長，瀝青老化，針入度降低。

(2) 對軟化點的影響。瀝青的溫度敏感性采用軟化點來評價。由表4和表6可知：不同制備工藝下，軟化點均得到提升；高黏直投劑制備高黏瀝青的工藝中，攪拌速度對溫度敏感性影響最大，加熱溫度次之；極差Dj值均較大，表明瀝青的溫度敏感性對于制備工藝較敏感。

(3) 對延度的影響。瀝青的塑性是指其在外力作用下產生變形不破壞，除去外力后仍能保持形狀不變的性質，可為瀝青的抗開裂等性能提供參考依據。由表4和表7可知：直投劑摻量直接影響高黏瀝青的塑性指標(延度)，高黏直投劑的摻入影響基體瀝青的組分組成和比例關系，造成延度指標降低；隨著直投劑的增加，瀝青中不均勻細小顆粒增加，在受力時易發生應力集中現象，從而容易被拉斷，造成塑性指標降低。因而延度指標可用作確定高黏直投改性劑摻量上限的重要參考。攪拌速度、攪拌時間和加熱溫度對塑性的影響相當。

表7 延度正交試驗極差分析 cm

(4) 對60 ℃動力黏度的影響。60 ℃動力黏度是高黏瀝青的關鍵指標，主要反映瀝青材料的高溫性能。由表4和表8可知：60 ℃動力黏度指標均大于20 000 Pa·s，最高值接近90 000 Pa·s，表明高黏直投劑可顯著提高基體瀝青的60℃動力黏度，即提高高溫路用性能。制備工藝各因素的影響大小與黏滯性相似，60 ℃動力黏度隨著直投劑摻量、攪拌速度的增大而增加。

表8 60 ℃動力黏度正交試驗極差分析 Pa·s

綜合來看，高黏瀝青的黏滯性、溫度敏感性和高溫路用性能受制備工藝影響大小的排序和規律較為一致，其中攪拌速度的影響最大。究其原因，一方面是因為攪拌速度因素水平設置跨度較大，導致性能指標有較大波動；另一方面是因為攪拌速度對高黏直投劑能否均勻有效地分散于基體瀝青中具有關鍵影響，從而影響高黏瀝青的性能。需注意的是，攪拌速度從1 000 r/min變化到4 000 r/min時，針入度、軟化點、60 ℃動力黏度等指標變化幅度較小，表明1 000 r/min轉速的制備條件可滿足高黏直投改性劑的制備工藝需求。綜合制備工藝的影響大小和規律，推薦濕法制備高黏瀝青的工藝參數組合為高黏直投劑摻量4%、攪拌速度1 000 r/min、攪拌時間10 min、加熱溫度180 ℃。

2.3 高黏直投干、濕法瀝青混合料性能對比

為更為直觀地描述制備工藝對直投高黏改性劑應用的影響，采用濕法(采用第2組試驗制備的高黏瀝青)和干法直投工藝分別制成高黏瀝青混合料試件，測試其性能，結果見表9。

由表9可知：濕法改性高黏瀝青混合料的性能優于干法工藝制備的混合料，表明采用圖1所示干法制備工藝未能充分發揮高黏直投劑的最佳效果，可通過優化制備工藝進一步提高混合料的性能水平。此外，由于高黏直投劑干法應用中拌合樓無法像濕法一樣準確控制制備因素，且直投于SBS改性瀝青的制備工藝比傳統膠體磨式高黏瀝青制備方法更簡便和經濟，可考慮采用濕法工藝進行高黏直投改性劑應用，以獲取更好的性能。

表9 高黏瀝青混合料性能測試結果

3 結論

(1) 高黏直投改性劑可顯著提高基體瀝青的黏滯性、高溫路用性能，降低溫度敏感性，但對基體瀝青的塑性有不利影響，可根據黏滯性、溫度敏感性、塑性等要求來確定高黏直投劑應用時的合理摻量。

(2) 在直投劑摻量、攪拌速度、攪拌時間、加熱溫度4個制備工藝因素中，高黏瀝青的黏滯性、溫度敏感性和高溫路用性能受攪拌速度的影響最大，采用1 000 r/min的制備工藝可使直投劑較充分地熔融，對基體瀝青進行有效改性；高黏瀝青的塑性受直投劑摻量的影響最大，在高黏直投改性劑應用中，應優先保證攪拌速度和控制直投劑的摻量來保證應用效果；濕法制備高黏改性瀝青時，推薦采用4%的高黏直投劑摻量、1 000 r/min左右的攪拌速度、10 min的攪拌時間和180 ℃左右的加熱溫度。

(3) 干法直投改性制備的高黏瀝青混合料的性能差于濕法高黏瀝青混合料，可通過提高干法攪拌速度、延長攪拌時間或采用濕法直投的形式來獲得更好性能的干法直投高黏瀝青混合料。