黃衛(wèi)東 盧文銀 呂 泉 顏川奇

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

目前，在城市道路中，排水降噪瀝青混凝土路面作為一種綠色道路，因其環(huán)保舒適、可有效緩解城市熱島效應(yīng)等[1-3]一直備受青睞。自排水性路面開始使用起，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就一直注重對(duì)高黏改性瀝青的研發(fā)。高黏改性瀝青黏附性大、黏聚力強(qiáng)，而且具有較強(qiáng)的耐久性[4-5]。隨著改性瀝青的應(yīng)用發(fā)展，濕法工藝制備改性瀝青，存在無法克服的熱力學(xué)不穩(wěn)定技術(shù)缺陷，高黏改性劑會(huì)在瀝青中離析、熱分解，進(jìn)而影響混合料路用性能[6]。

直投式改性劑，即是將改性劑直接投放到瀝青混合料的拌缸中，在混合料拌制的同時(shí)完成結(jié)和料的改性[7]。常見的直投式改性劑[8]有法國(guó)的PR-module、德國(guó)的Durofle、遼寧交科院的路寶、上海浦東路橋的RST等。王正同等[9]研究了直投式SBS改性劑，指出其混合料的性能優(yōu)異，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益。劉霞[10-11]也對(duì)直投式HVK型高黏添加劑進(jìn)行拌和工藝研究，得出增加干拌時(shí)間可提高拌和均勻性。目前，部分研究提出了直投式改性劑的拌和工藝，但對(duì)直投式高黏改性劑與集料干拌的具體裹附狀態(tài)還沒有很好的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，同時(shí)直投式高黏改性劑的干拌時(shí)間與干拌溫度對(duì)瀝青混合料性能的具體影響程度也尚不明確。

本文通過對(duì)自研制的直投式高黏顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用進(jìn)行研究，利用三維顯微檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)改性劑裹覆集料表面狀態(tài)、拌和均勻性進(jìn)行觀察。通過飛散試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)，以及凍融劈裂試驗(yàn)研究高黏顆粒干拌時(shí)間與干拌溫度對(duì)瀝青混合料的抗飛散、高溫、水穩(wěn)定性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

高黏顆粒的外觀形態(tài)圖見圖1，高黏顆粒的主要指標(biāo)參數(shù)見表1?；|(zhì)瀝青選用埃索ESSO70號(hào)基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖1 高黏顆粒

表1 高黏顆粒技術(shù)指標(biāo)

表2 ESSO 70號(hào)基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

目前高黏顆粒主要應(yīng)用于排水路面、透水路面等，故選擇混合料級(jí)配為OGFC級(jí)配，粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r礦粉，具體各檔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)率見表3。最佳瀝青用量根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定為5.8 %。

表3 混合料級(jí)配的各檔通過率

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1瀝青混合料試驗(yàn)

浸水肯塔堡飛散試驗(yàn)，按照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)進(jìn)行飛散試驗(yàn)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型飛散試件，每個(gè)樣品制作4個(gè)平行試件，在不加鋼球的洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)。

凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，依照《規(guī)程》進(jìn)行，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型2組試件，分別進(jìn)行未凍融和凍融劈裂試驗(yàn)。

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，根據(jù)《規(guī)程》中T 0709-2011標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。將試件于(60±1)℃恒溫水槽中保溫后，采用自動(dòng)馬歇爾試驗(yàn)儀對(duì)試件進(jìn)行測(cè)量，最后根據(jù)計(jì)算得到浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度。

漢堡車轍(hamburg wheel tracking device,HWTD)試驗(yàn)通過鋼輪在試件上施加荷載并反復(fù)移動(dòng)碾壓，選擇在60 ℃浸水條件下進(jìn)行加載直至鋼輪達(dá)到20 000次往返運(yùn)動(dòng)或者直到試件產(chǎn)生20 mm的車轍變形為止。試驗(yàn)指標(biāo)選用抗蠕變速率(次/mm)，為蠕變斜率的倒數(shù)，對(duì)混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.2三維顯微檢測(cè)試驗(yàn)

三維顯微檢測(cè)儀是由CCD工業(yè)相機(jī)、HDMI液晶顯示器、光學(xué)鏡頭及控制盒構(gòu)成。其原理是通過對(duì)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)聚焦產(chǎn)品，CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像拍攝并上傳到HDMI顯示器。在顯示器上可對(duì)產(chǎn)品的外形、幾何參數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量。三維顯微檢測(cè)儀的試驗(yàn)步驟包括：①把產(chǎn)品放在顯微鏡工作臺(tái)面上，把鏡頭倍數(shù)調(diào)到最小以方面找到產(chǎn)品要看到的位置；②上下調(diào)節(jié)聚焦首輪至顯示器畫面清晰；③調(diào)節(jié)3D旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)速等。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高黏顆粒拌和均勻性

直投式改性劑相較成品改性瀝青的主要區(qū)別在于，不用長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行攪拌、剪切改性。為研究高黏顆粒改性劑在短時(shí)間內(nèi)的拌和均勻性，本文暫取一般混合料拌和溫度180 ℃，并選用一般室內(nèi)試驗(yàn)拌和時(shí)間90 s的倍數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，即0，90，180，360 s。然后利用三維檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)干拌后的集料進(jìn)行觀測(cè)研究，具體拌和效果見圖2。

圖2 集料與高黏顆粒干拌效果對(duì)比

由圖2可見，集料在與高黏顆粒干拌前后，在石料表面裹附著一層熔融致密的高黏顆粒薄膜。其機(jī)理從物理角度看，首先，高黏顆粒和集料干拌時(shí)能迅速升溫，達(dá)到熔融狀態(tài)，然后，隨著與集料的攪拌，高黏顆粒呈黏性流動(dòng)狀態(tài)，攪拌時(shí)間增加其與集料拌和程度越好，裹附在集料表面均勻性越好。

隨著干拌時(shí)間的延長(zhǎng)，可以看出石料顆粒的薄膜厚度在逐漸增加。其中，干拌90 s石料表面并沒有完全裹覆，180 s已經(jīng)明顯看出熔融狀態(tài)的高黏顆粒在表面形成致密的薄膜。而干拌360 s，石料表明已經(jīng)出現(xiàn)局部薄膜較厚的現(xiàn)象。因此，表明在室內(nèi)試驗(yàn)拌和條件下，高黏顆粒干拌180 s后，即可與集料形成較好的裹附效果，具有良好的拌和均勻性。

2.2 干拌時(shí)間對(duì)混合料性能的影響

2.2.1抗飛散性能、高溫性能

本文研究的高黏顆粒在干拌條件下可以很好地裹附在集料表面，但是拌和時(shí)間越久混合料性能是否越好尚不明確，因此選取肯塔堡飛散試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)對(duì)混合料的性能進(jìn)行研究，分析干拌時(shí)間對(duì)混合料性能的影響程度，并暫選拌和溫度為180 ℃，為便于分析，將兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪于同一坐標(biāo)中，見圖3。

圖3 干拌時(shí)間對(duì)混合料性能影響

從圖3中飛散損失率曲線可以看出，在前半段，隨著干拌時(shí)間的增加混合料的抗飛散性能在提高，在180，270 s附近損失率最低，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的15%。當(dāng)拌和時(shí)間延長(zhǎng)，抗飛散性能降低。拌和時(shí)間不斷增長(zhǎng)，伴隨著持續(xù)的高溫，可導(dǎo)致改性劑老化，進(jìn)一步影響瀝青混合料的性能。

漢堡車轍試驗(yàn)的蠕變階段，通常被認(rèn)為體現(xiàn)的是混合料的高溫抗變形能力?？谷渥兯俾试酱蠹幢硎靖邷乜棺冃文芰υ綇?qiáng)。由圖4可見，抗蠕變速率在180 s附近出峰值，表明抗高溫變形能力達(dá)到最大。干拌時(shí)間短，拌和不充分，改性效果不好；干拌時(shí)間過長(zhǎng)，則導(dǎo)致改性劑老化影響性能。

2.2.2水穩(wěn)定性能

排水瀝青混合料因其孔隙大，所以受水損害影響較大。本文利用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來表征混合料的水穩(wěn)定性能，選取干拌時(shí)間進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 干拌時(shí)間對(duì)混合料水穩(wěn)定性能影響

由圖4可見，凍融劈裂曲線先增后緩，在180 s位置出現(xiàn)拐點(diǎn)。殘留穩(wěn)定度曲線先增后降再增，在180 s附近出現(xiàn)峰值。在干拌時(shí)間180 s時(shí)，凍融劈裂比為85.5%，浸水殘留穩(wěn)定度為89.2%均滿足規(guī)范要求，表明瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性能。當(dāng)高黏顆粒拌和時(shí)間再增加時(shí)，由于持續(xù)高溫、改性劑老化等因素對(duì)混合料的水穩(wěn)定性能帶來不穩(wěn)定影響。

2.3 干拌溫度對(duì)混合料性能的影響

2.3.1抗飛散性能、高溫性能

直投式高黏顆粒在常溫下是顆粒狀態(tài)，當(dāng)處于120 ℃溫度下，無外力作用即開始融化變軟。但是，一般排水瀝青混合料的生產(chǎn)拌和溫度在180 ℃左右不等。因此有必要對(duì)高黏顆粒與集料干拌時(shí)的溫度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇干拌時(shí)間為180 s，選擇干拌溫度包括160，180，200，220 ℃，對(duì)混合料的抗飛散、高溫性能進(jìn)行研究，具體數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 干拌溫度對(duì)混合料性能影響

分析圖5中飛散損失率曲線可以看出，在低溫時(shí)抗飛散性能好，溫度越高抗飛散性能越差。主要原因是低溫時(shí)瀝青黏度大，混合料黏結(jié)力強(qiáng)，進(jìn)而能很好地抗集料剝落，而溫度過高，帶來瀝青、改性劑老化等問題，影響混合料的性能。在180 ℃時(shí)，飛散損失率為8.5%，滿足規(guī)范要求。

分析圖5中抗蠕變速率曲線可以看出，蠕變速率在180 ℃之間出現(xiàn)峰值，表明在此溫度區(qū)間混合料具有良好地高溫抗變形能力。溫度過高或過低，對(duì)瀝青及改性劑均產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而進(jìn)一步影響混合料的高溫性能。

2.3.2水穩(wěn)定性能

利用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)不同拌和溫度下瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 干拌溫度對(duì)混合料水穩(wěn)定性能影響

由圖6可見，2條曲線在170～190 ℃區(qū)間均出現(xiàn)峰值，凍融劈裂比與浸水殘留穩(wěn)定度均達(dá)到規(guī)范要求，表明此區(qū)間瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性能。溫度較低時(shí)高黏顆粒與集料充分拌和，溫度較高時(shí)瀝青與改性劑的老化，都可進(jìn)一步影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。因此，推薦高黏顆粒與集料的干拌溫度為(180±10) ℃。

3 廠拌試驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步研究高黏顆粒在瀝青混合料中的應(yīng)用，對(duì)拌和樓拌和的直投式高黏顆粒改性瀝青混合料進(jìn)行取樣研究。拌和樓高黏顆粒與集料拌和溫度為180 ℃，拌和時(shí)間為15 s(觀察廠拌拌和效果，拌和時(shí)間為15 s時(shí)高黏顆粒即可熔融均勻裹附在集料表面，達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)180 s拌和效果)。對(duì)取樣混合料進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)比室內(nèi)拌和條件180 ℃、180 s，結(jié)果見表4。

表4 混合料試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比

由表4可見，在拌和樓拌和的直投式瀝青混合料試驗(yàn)指標(biāo)比室內(nèi)拌和偏低，即拌和樓拌和混合料的性能偏差，主要由于拌和樓對(duì)拌和條件控制較室內(nèi)難度大，不可控影響因素較多。整體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同拌和條件下，混合料的試驗(yàn)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，表明直投式高黏顆粒改性瀝青混合料具有良好的抗飛散、高溫、水穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

1) 直投式高黏顆粒具有良好的拌和均勻性，其在干拌過程中，先達(dá)到熔融狀態(tài)，在室內(nèi)試驗(yàn)干拌180 s后可在集料表面形成均勻密致的薄膜。

2) 高黏顆粒對(duì)瀝青混合料的抗飛散、抗高溫變形、水穩(wěn)定性能有明顯提高。室內(nèi)試驗(yàn)干拌時(shí)間為180 s左右，混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)研究，推薦干拌時(shí)間為180 s。

3) 高黏顆粒滿足一般瀝青混合料拌和溫度180 ℃。溫度過高或過低，會(huì)影響改性劑拌和效果，進(jìn)而影響混合料性能。根據(jù)混合料各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)推薦干拌溫度為(180±10) ℃。

4) 高黏顆粒在拌和樓拌和15 s，180 ℃條件下，瀝青混合料性能可基本持平室內(nèi)拌合180 s，180 ℃條件下混合料性能，同時(shí)兩者均滿足規(guī)范要求。推薦在實(shí)際工程應(yīng)用中，高黏顆粒在拌和樓拌和時(shí)間為15 s，拌和溫度為180 ℃。