肖 麗， 胡德勇， 王立群， 包廣志

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 401336； 2.中電建市政建設(shè)集團(tuán)北方國(guó)際工程有限公司，山西 晉中 030600； 3.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

國(guó)內(nèi)外瀝青混合料的生產(chǎn)方式基本采用濕法，即各種改性劑與基質(zhì)瀝青在瀝青改性廠進(jìn)行混溶、膠體磨剪切后形成改性瀝青，再通過(guò)大型瀝青拌和樓進(jìn)行瀝青混合料的生產(chǎn)。此時(shí)，改性劑通過(guò)前期的改性，能均勻分布在瀝青中，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高瀝青混合料的性能。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，改性瀝青在運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)和瀝青拌和站儲(chǔ)存過(guò)程中因改性劑“聚集”而易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，性能變得不穩(wěn)定，影響到瀝青混合料的性能。因此，有研究人員提出干法改性技術(shù)，將SBS、SBR以及橡膠等改性劑粉化后直接添加到拌缸中，通過(guò)拌缸中的攪拌葉將改性劑分散[1-3]。干法拌和工藝雖能解決改性瀝青離析的問(wèn)題，但因在拌缸中的攪拌時(shí)間較短(一般約45 s～55 s)，SBS、SBR等改性劑不足以溶解于瀝青中，難以形成分子鏈狀結(jié)構(gòu)，瀝青混合料的性能也難以達(dá)到要求，干法工藝生產(chǎn)瀝青混合料推廣應(yīng)用因此受到限制[4]。

澆注式瀝青混合料具有較好的流動(dòng)性，攤鋪后不需要碾壓，可自流成型，孔隙率接近0，具有優(yōu)異的防水性能、耐久性及隨從變形能力，在大跨徑橋梁橋面鋪裝、隧道內(nèi)鋪裝，水工壩體心墻等工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[5-7]。澆注式瀝青混合料具有瀝青含量高(7%～10%)、礦粉含量高(20%～30%)、拌和溫度高(200 ℃～240 ℃)、拌和時(shí)間長(zhǎng)(45 min～180 min)等特點(diǎn)[8]，這為澆注式瀝青混合料干法工藝提供了有利的生產(chǎn)條件。在進(jìn)行干法生產(chǎn)時(shí)，各類改性劑投入澆注式瀝青混合料中后，在富油、高溫的環(huán)境下不斷進(jìn)行溶脹，在混合料內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外，澆注式瀝青混合料專用運(yùn)輸車自帶攪拌功能，可使改性劑均勻分散在混合料內(nèi)部，保證澆注式瀝青混合料的性能穩(wěn)定[9]。因此，從技術(shù)角度上，澆注式瀝青混合料的干法改性具有非常高的可行性。

混合料干法拌和時(shí)，改性劑作用機(jī)理與濕法改性存在較大差異[10]，拌和過(guò)程涉及改性劑的熔融、分散。改性劑的分散狀態(tài)不僅與改性劑自身特點(diǎn)相關(guān)，還與拌和工藝密切相關(guān)，如礦粉添加時(shí)間有關(guān)。過(guò)早，使得高分子聚合物在未溶脹的情況下輕質(zhì)組分已被礦粉吸附，造成改性劑的溶脹不完全，進(jìn)而影響混合料改性效果；過(guò)晚，考慮到礦粉拌和的均勻性，需延長(zhǎng)拌和時(shí)間，但延長(zhǎng)拌和時(shí)間會(huì)進(jìn)一步加重瀝青的老化，有損于施工和易性和低溫抗裂性能[11-12]。另外，拌和溫度與改性劑的溶脹效果、流動(dòng)性及老化都具有較大的關(guān)聯(lián)性。

本文研究澆注式瀝青混合料干法改性生產(chǎn)工藝，采用正交試驗(yàn)方法，通過(guò)改變礦粉添加時(shí)間、拌和溫度和總拌和時(shí)間等參數(shù)，研究不同工藝對(duì)澆注式瀝青混合料性能的影響，并與采用濕法工藝生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究澆注式瀝青混合料干法改性膠結(jié)料采用聚合物改性瀝青，基質(zhì)瀝青選用SK70[13]，針入度為62.6(25 ℃，0.1 mm)，軟化點(diǎn)49.8 ℃，10 ℃延度46.5 cm，在拌和過(guò)程中將基質(zhì)瀝青與5%聚合物改性劑，以及2%降粘劑(Sasobit-REDUX)一起添加到拌和設(shè)備中。澆注式瀝青混合料GA10采用3檔集料(0 mm～2.36 mm、2.36 mm～4.75 mm、4.75 mm～9.5 mm)，均為玄武巖，采用石灰?guī)r礦粉。

1.2 試驗(yàn)方法

采用正交試驗(yàn)方法確定澆注式瀝青混合料干法改性的拌和工藝[14]，選取礦粉添加時(shí)間(從拌和開(kāi)始計(jì)算)、總拌和時(shí)間、拌和溫度3個(gè)影響干法改性效果的主要因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，正交試驗(yàn)因素水平如表1所示，用L9(33)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，9組試驗(yàn)條件如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

澆注式瀝青混合料GA10干法生產(chǎn)工藝為：將集料置入拌和鍋中進(jìn)行預(yù)熱，溫度升至220 ℃時(shí)，將已稱量的基質(zhì)瀝青、聚合物改性劑和降粘劑投入拌和鍋攪拌并升溫至240 ℃，在240 ℃下攪拌一定時(shí)間(礦粉添加時(shí)間)，然后加入礦粉繼續(xù)攪拌至總拌和時(shí)間出料。出料后，測(cè)試澆注式瀝青混合料流動(dòng)性，同時(shí)成型試件測(cè)試其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，對(duì)比不同生產(chǎn)工藝下混合料的改性效果。

表2 正交試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按表2的試驗(yàn)方案拌和澆注式瀝青混合料，成型試件，測(cè)試混合料流動(dòng)性、60 ℃貫入度、貫入度增量和-10 ℃極限破壞應(yīng)變，結(jié)果如表3所示。

表3 不同工藝下干法改性澆注式瀝青混合料性能

2.1 生產(chǎn)工藝對(duì)澆注式瀝青混合料流動(dòng)性的影響分析

澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性狀況采用劉埃爾值評(píng)價(jià)[15]，該值越小，施工和易性越好，該值越大，施工和易性越差。澆注式瀝青混合料流動(dòng)性與礦粉添加時(shí)間、總拌和時(shí)間、拌和溫度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 流動(dòng)性與三因素的關(guān)系

從圖1流動(dòng)性與三因素的關(guān)系分析可知：

1) 對(duì)比各因素極差可以得到，三因素對(duì)于干法改性澆注式瀝青混合料劉埃爾值影響的主次順序?yàn)椋旱V粉添加時(shí)間>總拌和時(shí)間>拌和溫度，對(duì)劉埃爾值最優(yōu)的因素水平組合是礦粉添加時(shí)間為30 min，總拌和時(shí)間為45 min，拌和溫度為230 ℃。

2) 礦粉添加時(shí)間對(duì)澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性影響最大，由于礦粉加入后要吸附基質(zhì)瀝青中的油分，且隨著礦粉攪拌的均勻度越高，形成的結(jié)構(gòu)瀝青比例增高，瀝青瑪蹄脂中自由瀝青含量降低，因此，隨著礦粉添加時(shí)間延后，瀝青混合料流動(dòng)性變差。

3) 總拌和時(shí)間對(duì)澆注式瀝青混合料的流動(dòng)性影響程度略高于拌和溫度，延長(zhǎng)拌和時(shí)間和提高拌和溫度都會(huì)加速瀝青結(jié)合料的老化，對(duì)混合料的流動(dòng)性造成不利影響。

2.2 生產(chǎn)工藝對(duì)澆注式瀝青混合料高溫性能的影響分析

貫入度和貫入度增量的大小能夠反映出混合料抵抗高溫變形能力，其值越小抗高溫性能越好?；旌狭?0 ℃貫入度和貫入度增量與三因素的關(guān)系如圖2、圖3所示。

圖2 貫入度與三因素的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出：

1) 三因素對(duì)貫入度和貫入度增量的影響規(guī)律相同，貫入度和貫入度增量在礦粉添加時(shí)間為15 min時(shí)最大，隨著拌和時(shí)間的延長(zhǎng)、拌和溫度的升高，貫入度和貫入度增量減小。對(duì)貫入度和貫入度增量最優(yōu)的因素水平組合是礦粉添加時(shí)間為0 min，總拌和時(shí)間為65 min，拌和溫度為250 ℃。

圖3 貫入度增量與三因素的關(guān)系

2) 總拌和時(shí)間對(duì)澆注式混合料的貫入度和貫入度增量影響最大，隨著總拌和時(shí)間的增加，貫入度值降低。主要因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間拌和使得干法改性劑的分散程度逐步加深，瀝青瑪蹄脂粘度增加，抵抗高溫變形能力增強(qiáng)。同時(shí)，澆注式瀝青混合料拌和溫度介于230 ℃～250 ℃之間，拌和時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青老化越嚴(yán)重，瀝青膠漿變硬。

2.3 生產(chǎn)工藝對(duì)澆注式瀝青混合料低溫彎曲性能的影響分析

澆注式瀝青混合料抵抗低溫抗裂的能力采用-10 ℃極限破壞應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)，低溫性能與三因素的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出：

1) 三因素對(duì)于干法改性澆注式瀝青混合料-10℃極限破壞應(yīng)變影響的主次順序?yàn)椋嚎偘韬蜁r(shí)間>拌和溫度>礦粉添加時(shí)間，對(duì)-10 ℃極限破壞應(yīng)變最優(yōu)的因素水平組合是礦粉添加時(shí)間為30 min，總拌和時(shí)間為45 min，拌和溫度為230 ℃。

圖4 極限破壞應(yīng)變與三因素的關(guān)系

2) 總拌和時(shí)間對(duì)混合料的低溫抗裂影響最大，隨著總拌和時(shí)間的增加，低溫彎曲應(yīng)變呈降低趨勢(shì)，說(shuō)明延長(zhǎng)拌和時(shí)間，雖對(duì)改性劑的溶脹、分散有重要作用，但對(duì)低溫抗裂性能產(chǎn)生不利影響。

2.4 拌和條件優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證

由正交試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，延長(zhǎng)拌和時(shí)間和提高拌和溫度均可降低貫入度和貫入度增量，但對(duì)流動(dòng)性和低溫彎曲極限破壞應(yīng)變有所損傷。在9組試驗(yàn)中貫入度、貫入度增量只有2組不滿足技術(shù)要求，而低溫小梁存在7組不滿足技術(shù)要求。因此，重點(diǎn)考慮干法改性澆注式瀝青混合料的低溫性能，同時(shí)考慮流動(dòng)性，以試驗(yàn)4為基礎(chǔ)，通過(guò)延長(zhǎng)拌和時(shí)間至50 min進(jìn)行優(yōu)化，記作試驗(yàn)10，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 干法改性澆注式瀝青混合料拌和條件優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)優(yōu)化可以看出，延長(zhǎng)拌和時(shí)間后，混合料劉埃爾值增大，低溫彎曲應(yīng)變、貫入度及貫入度增量降低，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

3 澆注式瀝青混合料干法改性與濕法改性效果對(duì)比

在最佳油石比7.4%、拌和溫度240 ℃、攪拌時(shí)間50 min條件下，分別采用干法和濕法工藝生產(chǎn)澆注式瀝青混合料，并進(jìn)行混合料流動(dòng)性和高低溫性能測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

由表5可見(jiàn)，采用干法和濕法工藝制備的澆注式瀝青混合料性能略有差異，干法改性流動(dòng)性優(yōu)于濕法改性，但均在60 s以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要；干法改性澆注式瀝青混合料60 ℃貫入度和貫入度增量略大于濕法改性，-10 ℃極限破壞應(yīng)變略低于濕法改性，均滿足技術(shù)要求，主要原因是濕法改性過(guò)程中聚合物改性劑溶脹、分散徹底，改性效果好，瀝青的粘度高，致使流動(dòng)性差、高低溫性能更優(yōu)。

表5 干法和濕法生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文采用正交試驗(yàn)方法，研究了礦粉添加時(shí)間、總拌和時(shí)間、拌和溫度對(duì)基于干法改性的澆注式瀝青混合料流動(dòng)性和高低溫性能的影響，結(jié)論如下：

1) 礦粉添加時(shí)間對(duì)干法改性澆注式瀝青混合料流動(dòng)性的影響最大，隨著礦粉添加時(shí)間的增加，流動(dòng)性變差。

2) 總拌和時(shí)間對(duì)干法改性澆注式瀝青混合料貫入度、貫入度增量及低溫極限破壞應(yīng)變的影響均最大。隨著總拌和時(shí)間的增加，貫入度值和貫入度增量均呈降低趨勢(shì)，極限破壞應(yīng)變?cè)诳偘韬蜁r(shí)間為55 min時(shí)最大；澆注式瀝青混合料拌和溫度介于230 ℃～250 ℃之間，拌和時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青老化越嚴(yán)重，對(duì)低溫抗裂性能產(chǎn)生不利影響。

3) 對(duì)劉埃爾值最優(yōu)因素水平組合為：礦粉添加時(shí)間為30 min，總拌和時(shí)間為45 min，拌和溫度為230 ℃。對(duì)貫入度和貫入度增量最優(yōu)因素水平組合為：礦粉添加時(shí)間為0 min，總拌和時(shí)間為65 min，拌和溫度為250 ℃。對(duì)低溫彎曲應(yīng)變最優(yōu)因素水平組合為：礦粉添加時(shí)間為30 min，總拌和時(shí)間為45 min，拌和溫度為230 ℃。

4) 采用正交試驗(yàn)優(yōu)選后的干法拌和工藝(礦粉添加時(shí)間15 min，總拌和時(shí)間50 min，拌和溫度240 ℃)制備的澆注式瀝青混合料，其流動(dòng)性優(yōu)于濕法改性，高低溫性能指標(biāo)較濕法改性差，但均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。