基于干法工藝的SBS 改性瀝青混合料性能研究

劉雪松，郭輝，吳立強(qiáng)，王涵

（1.山東濱州公路工程公司，山東 濱州 256600；2.濱州市公路事業(yè)發(fā)展中心，山 東濱州 256600；3.國(guó)路高科（北京）工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100083）

改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝分為干法和濕法兩種[1,2]。其中濕法工藝需要生產(chǎn)改性瀝青，接著將生產(chǎn)的改性瀝青運(yùn)輸至拌和廠與集料進(jìn)行拌和。在運(yùn)輸過程中，改性瀝青普遍存在的一個(gè)問題是改性劑與瀝青離析[3,4]。其主要原因是改性劑與瀝青的密度、分子量等性質(zhì)存在較大差異，在長(zhǎng)時(shí)間的熱存儲(chǔ)中，改性劑會(huì)上浮或下沉[5]。為此，技術(shù)人員進(jìn)行了許多研究解決此問題。其中干法工藝取消了改性瀝青的生產(chǎn)過程，直接將基質(zhì)瀝青、改性劑與礦料進(jìn)行拌和，從根本上解決了改性瀝青的離析[6,7]。與成品改性瀝青不同，干法改性劑和瀝青均可以長(zhǎng)期存放，并且性質(zhì)不會(huì)發(fā)生太大變化。此外，采用干法技術(shù)優(yōu)化了改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝，避免了成品改性瀝青存在的一些管理問題。

為生產(chǎn)干法改性瀝青混合料，技術(shù)人員采用了專用于干法工藝的改性劑。本研究以國(guó)路高科生產(chǎn)的干法改性劑SBS-T 為研究對(duì)象，基于前期試驗(yàn)成果，采用兩種改性劑分別制備了AC-13、AC-20 兩種級(jí)配的瀝青混合料，測(cè)試了干法改性瀝青混合料的性能，并對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 瀝青混合料設(shè)計(jì)

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選用東海70#道路石油瀝青，其針入度為69dmm，軟化點(diǎn)為47.6℃，15℃延度大于150cm，性能均滿足規(guī)范要求。改性劑選用國(guó)路高科（北京）工程技術(shù)研究院有限公司生產(chǎn)的干法改性劑，型號(hào)為SBS-T。

1.2 瀝青混合料設(shè)計(jì)

前期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定了SBS-T 的最佳摻量分別為5.5%，并證明了以改性劑最佳摻量制備的改性瀝青具有良好的高溫性能和低溫性能。

試驗(yàn)采用兩種級(jí)配的瀝青混合料，分別是AC-13 和AC-20。瀝青混合料的具體級(jí)配定為JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中推薦的AC-13 和AC-20 級(jí)配范圍的中值。粗集料、細(xì)集料和礦粉的選擇均滿足規(guī)范要求。

在室內(nèi)試驗(yàn)中，首先以基質(zhì)瀝青和干法改性劑最佳摻量制備了干法SBS 改性瀝青，并與礦料進(jìn)行拌合制備瀝青混合料。接著通過馬歇爾試驗(yàn)方法確定了干法SBS改性瀝青混合料的最佳油石比。采用AC-13 級(jí)配時(shí)，SBS-T 改性瀝青混合料的最佳油石比均為4.5%～4.7%，進(jìn)行室內(nèi)性能測(cè)試時(shí)采用4.6%的油石比。采用AC-20級(jí)配時(shí)，兩種瀝青混合料的最佳油石比為4.2%～4.4%，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)選用4.3%。實(shí)際生產(chǎn)中，需要將其換算成等質(zhì)量的基質(zhì)瀝青和改性劑。

1.3 制備工藝

干法改性瀝青混合料制備工藝如下：（1）將干法SBS 改性劑和熱集料干拌90s，以使干法SBS 改性劑均勻分散在礦料中；（2）加入預(yù)定用量的基質(zhì)瀝青，拌和90s，之后加入礦粉繼續(xù)拌和90s；（3）將拌合好的混合料置于保溫桶中，放入烘箱恒溫發(fā)育2h，以模擬攤鋪前運(yùn)輸車保溫工況。瀝青混合料制備過程中的溫度控制見表1。上述步驟完成后，成型瀝青混合料試件。

表1 室內(nèi)干法SBS 改性瀝青混合料的制備溫度（℃）

2 瀝青混合料性能

2.1 力學(xué)強(qiáng)度

為研究干法改性瀝青混合料的強(qiáng)度，參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)程》對(duì)成型試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 馬歇爾穩(wěn)定度

由表2 可知，干法SBS 改性劑在兩種級(jí)配條件下制備的瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均大于10kN，滿足規(guī)范要求，這表明基于干法工藝制備的瀝青混合料具有潛力。值得注意的是，在同種改性瀝青混合料，采用AC-13 級(jí)配時(shí)具有更高的力學(xué)強(qiáng)度。

2.2 高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)JTG E20-2011 中規(guī)定的車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，該試驗(yàn)結(jié)果用于表征混合料抵抗永久變形的能力，具體結(jié)果如表3 所示。

表3 干法瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，干法SBS 改性劑制備的改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范中的技術(shù)要求（≥2800次/mm），這表明干法技術(shù)可以較好地保證瀝青混合料的高溫性能，使其具有較好的高溫抗變形能力。此外可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同種改性瀝青混合料，AC-20 級(jí)配的動(dòng)穩(wěn)定度要高于AC-13 的動(dòng)穩(wěn)定度。這是因?yàn)锳C-20 級(jí)配中的粗集料較多，可以在瀝青混合料中提供骨架支撐作用，在高溫情況下，減少瀝青混合料的內(nèi)部流動(dòng)[8]。

2.3 低溫抗裂性評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的低溫抗裂性，根據(jù)JTG E20-2011 中的方法進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10℃，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 干法瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變

由表4 可知，干法SBS 改性瀝青混合料的極限破壞應(yīng)變均滿足技術(shù)規(guī)范要求，具有良好的低溫抗裂性。可以看出，對(duì)于同種瀝青混合料，級(jí)配類型可能會(huì)對(duì)其低溫性能產(chǎn)生影響。例如，對(duì)于SBS-T 瀝青混合料，AC-13 級(jí)配時(shí)的極限破壞應(yīng)變高于級(jí)配AC-20，該值約為后者的103.6%。這是因?yàn)锳C-13 級(jí)配中包含較多的細(xì)集料，在低溫情況下，細(xì)集料與瀝青相比粗集料具有更好的柔性，所以采用AC-13 級(jí)配的瀝青混合料具有較高的極限破壞應(yīng)變。

2.4 水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)干法SBS 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20-2011。

2.4.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。表中數(shù)據(jù)顯示，兩種瀝青混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度比均高于90%，這表明其均具有較好的水穩(wěn)定性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種級(jí)配下的穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度差異較小。然而，其殘留穩(wěn)定度卻表現(xiàn)出較為明顯的差異。采用AC-20 級(jí)配瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度要略高于級(jí)配AC-13。這可能是因?yàn)椋珹C-13 中細(xì)集料較多，而細(xì)集料吸附瀝青，使瀝青不能完全裹附在粗集料之上，這使得該級(jí)配下的瀝青混合料較容易受到水侵害。相反，采用級(jí)配AC-20 時(shí)的瀝青混合料具有相對(duì)更加優(yōu)良的水穩(wěn)定性。

表5 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)均可以表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示，與浸水馬歇爾穩(wěn)定度類似，瀝青混合料的不同級(jí)配之間的標(biāo)準(zhǔn)劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度差異較小。整體來(lái)說(shuō)，兩種瀝青混合料均具有較高的凍融劈裂強(qiáng)度比，可以有效的提高抗水損能力。

表6 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.5 小結(jié)

根據(jù)室內(nèi)可得，基于干法技術(shù)制備的SBS-T 瀝青混合料具有較好的高溫抗永久變形能力、低溫抗裂能力和抗水損害能力，路用性能優(yōu)良，可應(yīng)用于高等級(jí)公路面層。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用概況

2021 年，在山東省濱州市國(guó)省道G340 大中修的部分路段應(yīng)用了SBS-T 瀝青混合料，級(jí)配采用AC-13、AC-20。根據(jù)配合比設(shè)計(jì)的結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)制備了干法改性瀝青混合料。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)瀝青混合料質(zhì)量檢測(cè)

施工時(shí)，取拌合完成的改性瀝青混合料，測(cè)試其性能，具體結(jié)果見表7。現(xiàn)場(chǎng)拌合的瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均大于規(guī)范要求的8kN，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范的要求。施工結(jié)束兩天后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)，觀測(cè)到芯樣表觀密實(shí)，層間粘結(jié)良好。上述結(jié)果表明干法工藝實(shí)際應(yīng)用效果良好。

表7 溫拌型干法改性瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)

3.3 應(yīng)用觀測(cè)

2022 年11 月，對(duì)鋪設(shè)的試驗(yàn)路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，如圖1 所示。經(jīng)過行車碾壓、氣候作用后，路面無(wú)車轍、裂縫、飛散掉粒等病害發(fā)生。這表明干法改性瀝青混合料具有較好的耐久性。

圖1 干法改性瀝青混合料的試驗(yàn)路觀測(cè)情況

4 結(jié)論

（1）馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)結(jié)果顯示，干法SBS 改性瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度、高溫性能均符合相關(guān)要求，具有較好的抗車轍、抗永久變形能力。

（2）低溫小梁彎曲試驗(yàn)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果顯示，干法SBS 改性瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性，能夠較高的預(yù)防低溫裂縫、坑槽等病害。

（3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，干法工藝制備的瀝青混合料的性能滿足要求，且具有良好的長(zhǎng)期使用性能。

（4）干法改性工藝還具有一定的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，可以降低施工階段能耗，減輕了環(huán)境污染壓力。