直投式改性瀝青混合料的制備與性能研究

2022-08-31 05:30:46郭儀南底江天

城市道橋與防洪 2022年7期

肖軍，李旭，郭儀南，胡航，底江天

（成都交通投資集團有限公司，四川成都 610000）

0 引言

隨著社會的發展，人們對日常交通的需求逐漸由便利變為安全和舒適。排水瀝青采用大空隙的級配，所以該路面可以很好地排水、抗滑，同時也可以降低噪聲，足以滿足現在人們對道路交通的新要求。

隨著改性瀝青的應用發展，高黏改性瀝青開始應用到排水瀝青混合料中。但是高黏改性瀝青的應用也帶來一些新的問題，尤其是采用濕法工藝制備混合料中，改性瀝青在工程應用之前存在易離析、熱分解、老化的問題。直投式改性劑的發展解決了濕法工藝存在的問題，其應用方式為先將改性劑直接投放到集料的拌缸中，完成改性劑與集料顆粒之間的拌合，然后在拌缸中加入瀝青，最終制備得到改性瀝青混合料。

日本[1]在研究排水路面時，研發了一種直投式高黏改性劑TPS，張銳[2]的研究表明，TPS 改性劑對瀝青混合料的性能有較大提高。但是由于TPS 改性劑的成本較高，故而國內開始自主研發了一些國產的直投式改性劑[3]，如PRS、RST 改性劑，當采用干法制備混合料時，其高溫、低溫和水穩定性能較基質瀝青混合料有明顯改善[4]，但水穩定性能較濕法改性瀝青混合料較差[5]。

由上述可見，直投式改性瀝青的研究前景非常廣闊，同時有必要進行提升直投式改性瀝青混合料性能的研究。而且市場上不斷的有新改性劑出現，十分有必要對不同的直投式改性劑進行甄選。

1 材料與試驗

1.1 原材料

瀝青選用的是埃索70#基質瀝青，成品SBS 改性瀝青由實驗室制備，直投式改性劑選用GPE（Gel polymer modifier-E）、GPJ（Gel polymer modifier-J）、TPS、RST 四種道路常用直投式改性劑，其中GPJ 和GPE 為實驗室自研的兩種凝膠型聚合物改性劑，TPS為城建日瀝公司進口日本某型TPS，RST 為上海浦東路橋公司產某型RST。

混合料級配為OGFC 級配（見表1），集料選用玄武巖，具體各檔集料通過率如表2 所列。

表1 混合料級配

表2 不同瀝青混合料

分別采用基質瀝青和4.5SBS 改性瀝青作為原樣瀝青與四種直投式改性劑進行干拌，在合適的拌合工藝下制成直投式改性瀝青混合料，并且與基質瀝青混合料、4.5SBS 改性瀝青混合料及7.5SBS 改性瀝青混合料進行對比，探究進一步提升干拌瀝青混合料性能的可能。

1.2 試驗方法

1.2.1 三維顯微觀測

本文采用三維顯微觀測直投式改性劑的熔融效果，同時對集料表面的裹覆形態進行觀察。三維顯微觀測主要是采用可旋轉式光學顯微鏡，對材料多角度多方位的表面形態進行觀測，其放大倍數為10～40 倍。

1.2.2 肯塔堡飛散試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行飛散試驗，采用旋轉壓實法成型試件，每個樣品成型四個平行試件，在不加鋼球的洛杉磯試驗機中進行試驗。

1.2.3 漢堡車轍試驗

采用漢堡車轍（Hamburg Wheel Tracking，HWT）試驗來評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能。通過鋼輪在試件上施加荷載并反復移動碾壓，選擇在60℃浸水條件下進行加載直至鋼輪達到20 000 次往返運動或者直到試件產生20 mm 的車轍變形為止。指標選用總變形速率Dr。

1.2.4 凍融劈裂試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行凍融劈裂試驗，來分析不同改性劑對混合料抗水損性能的影響。

2 試驗結果與分析

2.1 不同直投式改性劑的干拌熔融性

將四種直投式改性劑分別與集料進行室內拌和。利用三維顯微設備對不同溫度（160℃、180℃和200℃中的兩種）、不同干拌時間（0 s、90 s、180 s 和270 s）下的集料進行觀測研究，對比分析不同改性劑與集料的干拌熔融狀態，以此來確定相應直投式改性瀝青混合料的制備條件。

2.1.1 GP E 改性劑

從圖1 中可以看出，改性劑在與集料拌合過程中融化，并在集料表面形成一層薄膜。160℃下拌合時，隨著拌合時間的不斷增加，薄膜面積增大，直到270 s 時顆粒表面基本形成完成的包裹顆粒的薄膜。而當在180℃下拌合時，集料顆粒表面在90 s 即被改性劑包裹，在拌合180 s 時，兩個顆粒間薄膜相互交融連接，改性劑基本完全包裹顆粒且分布均勻，因此，推薦GPE 直投式改性劑與集料室內試驗干拌溫度為180℃，拌合時間為180 s。

圖1 GP E 與集料拌合熔融狀態

2.1.2 GP J 改性劑

從圖2 中可以看出，GPJ 改性劑融化后在集料顆粒表面形成鮮亮的薄膜。在180℃下拌合180 s 時集料顆粒表面形成完整的薄膜，且改性劑融化后分散均勻，顆粒間無改性劑成團現象。故推薦GPJ 改性劑干拌工藝為180℃下拌合180 s。

圖2 GP J 與集料拌合熔融狀態

2.1.3 TP S 改性劑

從圖3 中可以看出，TPS 改性劑在180℃條件下拌合時融化效果不明顯，提高拌合溫度至200℃時，改性劑融化加快，攪拌試件為270 s 時，集料表面薄膜明顯且完整。故推薦TPS 改性劑在室內與集料拌合工藝為200℃下拌合270 s。

圖3 TP S 與集料拌合熔融狀態

2.1.4 RS T 改性劑

從圖4 可以看出，RST 在180℃下與集料拌合效果不佳。當拌合溫度提高到200℃時，RST 改性劑融化效果得到改善，集料顆粒表面出現薄膜，在拌合180 s 時，融化效果較好，顆粒間薄膜相互交融連接。故推薦，RST 在室內試驗拌合工藝為200℃下拌合180 s。

圖4 RS T 與集料拌合熔融狀態

根據上述試驗結果，針對不同的直投式改性劑，采用相對的試驗條件制備瀝青混合料。

2.2 肯塔堡飛散試驗

從圖5 中可以看出，四種直投式改性劑與基質瀝青干拌后，瀝青混合料的飛散損失率均明顯降低，即抗飛散性能均得到提高；四種直投式改性劑與4.5SBS 改性瀝青干拌，混合料的飛散損失率進一步下降，說明采用4.5SBS 改性瀝青與直投式改性劑進行干拌后混合料的抗飛散性能更好，其中4.5+GPE和4.5+GPJ 的抗飛散性能最為優越，優于7.5SBS 改性瀝青混合料。

圖5 肯塔堡飛散試驗結果

2.3 漢堡車轍試驗

從圖6 中可以看出，基質瀝青混合料的總變形速率為22 mm/h，添加四種直投式改性劑后，瀝青混合料的抗車轍性能均明顯改善；在4.5SBS 基礎上改性后，總變形速率繼續減小，即高溫抗車轍性能整體好于用基質瀝青干拌，此結論與飛散試驗結果相同；4.5+GPJ、4.5+RST 和4.5+TPS 高溫性能最為優越，與7.5SBS 改性瀝青相當。

圖6 漢堡車轍試驗結果

2.4 凍融劈裂試驗結果

從圖7 中可以看出，雖然較基質瀝青混合料來說，四種直投式改性劑與基質瀝青干拌后的TSR 明顯提高，但是依舊沒有達到80%，而且原樣劈裂強度和凍融后劈裂強度幾乎沒有提高，說明此時混合料水穩定性能依舊較差；四種直投式改性劑與4.5SBS改性瀝青干拌后，混合料的劈裂強度和TSR 較4.5SBS 改性瀝青混合料來說均明顯提高，且均達到規范要求，其中水穩定性能最為優越的時4.5SBS+GPJ 混合料，從TSR 和劈裂強度指標看，優于7.5SBS 改性瀝青混合料。