高黏瀝青改性劑的性能評價與工程應用

鞏智利 魯澤建 薛衛平 吳冬生

(中交一公局橋隧工程有限公司 北京 102205)

高黏瀝青改性劑是用于提高道路瀝青黏度和韌性的一種高分子材料，是道路交通工程中透排水路面實施的關鍵材料。隨著海綿城市建設理念的興起，透排水路面逐漸成為公路及城市道路路面的主流結構形式，高黏瀝青改性劑面臨著潛在的巨大需求。目前該產品市場上主要存在兩方面問題，極大制約了我國排水路面技術的推廣與發展，一方面是成熟產品一直由日本TPS所壟斷，價格昂貴；另一方面是國產產品存在為搶占市場，故意壓價，以次充好的現象，難以保證施工質量[1-2]。

基于此，本文以新型道路材料國家工程實驗室自主研發的高黏瀝青改性劑PEA為研究對象，以日本進口改性劑T和某國產品牌改性劑H作為平行對照，分別就高黏瀝青和高黏瀝青混合料各項性能指標進行分析，并鋪筑排水瀝青路面試驗路，為海綿道路關鍵材料——高黏瀝青改性劑的選用、評價，以及海綿道路施工與推廣提供技術支撐。

1 高黏瀝青性能評價

1.1 試驗原材料

1.1.1基質瀝青

本研究采用70號道路石油瀝青，技術指標見表1。

表1 70號道路石油瀝青技術指標

1.1.2SBS改性瀝青

試驗所采用的SBS改性瀝青符合DB32/T 1087-2008《江蘇省高速公路瀝青路面施工技術規范》相應技術指標要求，其性能參數見表2。

表2 SBS改性瀝青技術指標

1.1.3高黏瀝青改性劑

高黏瀝青改性劑采用新型道路材料國家工程試驗室自主開發的PEA高黏瀝青改性劑，其技術指標見表3。

表3 高黏瀝青改性劑技術指標

1.2 高黏瀝青制備流程

將瀝青加熱到150 ℃左右，一邊攪拌一邊加入相容劑，攪拌10 min使瀝青與相容劑混合均勻，攪拌時溫度保持在150 ℃左右；將PEA緩慢加入到瀝青中，在加入的同時用機械攪拌分散，待所有PEA加入后，機械均勻攪拌溶脹45 min，攪拌時溫度保持在175 ℃左右；將瀝青與溶脹后PEA的混合物升溫至185 ℃左右(不超過195 ℃)后放入高速剪切機，在剪切轉速為5 000～6 000 r/min下剪切60 min，剪切時溫度不超過195 ℃；將剪切完畢后的瀝青溫度降到170 ℃時加入穩定劑，4 000 r/min轉速下剪切15 min，剪切溫度不超過175 ℃；將所得的高黏瀝青，置于160 ℃烘箱發育2 h后取出。

1.3 高黏瀝青性能指標

本研究分別用改性瀝青和基質瀝青內摻8%和12%的PEA改性劑制備高黏瀝青，并以日本進口改性劑T和某國產品牌改性劑H作為對比參照例。通過三大指標、60℃黏度、黏韌性、貯存穩定性、老化性能等各項性能試驗檢測，技術要求參照交通運輸部公路科學研究院主編的《排水瀝青路面設計與施工技術細則》(征求意見稿)，測試結果見表4。

表4 高黏瀝青性能試驗結果

由表4可知，4種高黏瀝青的三大指標均能滿足要求；“SBS改性瀝青+8%H”和“SBS改性瀝青+8%PEA”的高黏瀝青60℃動力黏度、黏韌性和韌性明顯高于摻進口改性劑T的樣品；貯存穩定性方面，只有“SBS改性瀝青+8%PEA”的樣品能滿足要求，其他樣品均不合格，其中“基質瀝青+12%PEA”的樣品因高黏改性劑摻量過高導致貯存穩定性最差，因此在實際工程上，需嚴格驗證瀝青與改性劑的配伍性，并建議采用直投式添加方式使用，而非采用成品高黏瀝青。

2 高黏瀝青混合料性能評價

本節采用高黏瀝青改性劑PEA，以20%為目標空隙率，制備排水瀝青混合料PAC-13，并與日本進口改性劑T、國產品牌改性劑H進行混合料性能對比試驗，以驗證高黏瀝青混合料的路用性能。

2.1 混合料的制備

2.1.1配合比

合成級配見表5。

表5 合成級配

油石比為4.8%，高黏瀝青改性劑與SBS改性瀝青比例為8∶92，聚酯纖維摻量為混合料總質量的0.1%。

2.1.2拌和成型

將高黏瀝青改性劑與集料干拌90 s，加入聚酯纖維攪拌90 s，然后加入SBS改性瀝青濕拌90 s，最后加入礦粉拌和90 s，試驗溫度見表6。

表6 混合料室內試驗溫度 ℃

排水瀝青混合料的大空隙，對材料自身的耐久性是一個考驗，為測試其使用過程中的耐久性，最為廣泛的檢測方法為飛散試驗和析漏試驗，試驗結果見表7。

表7 飛散試驗和析漏試驗結果 %

由表7可知，高黏瀝青混合料各項指標均符合技術要求，其中PEA制備的混合料析漏損失率最小，析漏率為0.13%；改性劑T和H制備的透水混合料析漏率較大，接近技術要求的上限。飛散試驗結果表明，3種高黏改性劑制備的混合料均滿足規范要求。

2.2 路用性能評價

國內外研究表明[3-6]，由于排水瀝青混合料中礦料顆粒的嵌擠作用和使用高黏結力的瀝青結合料，使得排水瀝青混合料比普通瀝青混合料具有更高的抗高溫變形能力。本文依照現行規范，對高黏瀝青改性劑PEA、T和H制備的高黏瀝青混合料采用車轍試驗驗證其高溫性能；排水瀝青路面由于擁有較高的空隙率，混合料與密集配混合料相比更容易受到外界溫度的影響，這就凸顯了排水瀝青混合料低溫性能的重要性，本文采用低溫彎曲試驗評價其低溫抗裂性能；排水瀝青混合料與密集配瀝青混合料相比，其特有的大空隙使其在使用過程中，更容易受到水的侵蝕作用發生水損害[7-9]，本文采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和浸水飛散試驗評價其抗水損害性，各項性能試驗結果見表8。

表8 高黏瀝青混合料性能試驗結果

從表8可知，3種高黏瀝青混合料的動穩定度都滿足技術要求，其中進口改性劑T制備的混合料高、低溫性能最佳，H和PEA制備的混合料高、低溫性能相當。

抗水損害性能方面，PEA制備的混合料的殘留穩定度為92.1%，T和H次之，三者均滿足規范要求。浸水飛散率三者分別為4.1%，8.8%，10.6%，PEA制備的混合料抗浸水飛散性最好，明顯高于T和H制備的混合料。從凍融劈裂強度試驗可知，PEA制備的混合料TSR最大，T次之，改性劑H制備的混合料TSR值僅為74.9%，尚不能滿足規范要求。

自主研發的PEA采用了乙烯-醋酸乙烯酯與苯乙烯-丁二烯共聚物復合改性的方法，大幅提升高黏韌改性劑的分散性能，并采用特殊的增融樹脂，使得二者能夠有效融合形成均一的產品，實現了改性劑的快速熔融，并均一裹附石料，形成有效黏結，提升了混合料的抗水損害性。

綜上所述，高黏瀝青改性劑PEA制備的排水混合料各項性能均能滿足規范要求，其中抗水損害性優于進口改性劑T制備的混合料，高低溫性能與國產改性劑H制備的混合料相當。

3 工程應用

以寧宿徐高速公路舊路改造加鋪排水瀝青罩面項目為依托，于2017年11月在寧宿徐高速公路K191+560-K191+340(徐淮方向)進行了排水路面試驗段鋪筑，具體施工及檢測內容如下。

3.1 防水黏結層施工

采用同步橡膠瀝青碎石防水黏結層，黏結強度須達到混合料內部強度的60%或≥0.4 MPa(22±2 ℃)。防水黏結層施工宜提前1～2 d完成。

橡膠瀝青防水黏結層施工的基本工藝流程，可分為下承層處理、橡膠瀝青灑布、碎石撒鋪及輪胎壓路機碾壓成型4個步驟。橡膠瀝青灑布時，灑布車應保持穩定的轉速勻速行駛，以保證灑布的均勻，橡膠瀝青的灑布溫度為195～220 ℃。超、行車道灑布(1.5±0.2)kg/m2橡膠瀝青同步防水黏結層(不計厚度)。碎石規格為4.75～9.5 mm單粒徑碎石，碎石預拌0.3%～0.5%(按照集料重量計)的SBS改性瀝青進行預裹附(裹附溫度在150～180 ℃)。碎石撒布后撒鋪量為滿鋪的60%～70%。

3.2 排水瀝青路面施工

3.2.1拌和樓生產

按上述級配和油石比，采用江蘇高速公路工程養護有限公司安邁4000型拌和樓制備排水瀝青混合料。整個拌和過程控制如下：PEA高黏改性劑的添加采用人工投料方式，“集料+PEA高黏劑+纖維”干拌15 s，隨后加入瀝青濕拌10 s，之后投放礦粉拌和35 s，整個拌和周期約為60 s。其中，集料加熱溫度185～195 ℃，SBS改性瀝青加熱溫度160～170 ℃，混合料出廠溫度175～185 ℃，超過195 ℃則廢棄。經觀察混合料拌和均勻，無花白料、無結團成塊或嚴重的粗細集料分離現象。

3.2.2運輸

混合料運輸采用大噸位自卸汽車，出廠前先檢查出料溫度，滿足要求后用蓬布全面覆蓋并扣牢后運輸。技術服務組對排水瀝青混合料的出廠溫度進行了抽查，瀝青混合料的出場溫度為175～180 ℃。

3.2.3攤鋪

攤鋪過程中，為減少粗細集料離析，攤鋪機料斗在刮板尚未露出時，下一輛運料車即開始卸料，做到連續供料，盡量做到攤鋪機不攏料，以減少離析。對于局部混合料明顯離析、攤鋪后明顯縱縫或是有拖痕的地方，人工細料點補。撒料用的鐵鍬可涂刷少量油水混合物，以防黏結混合料，現場攤鋪溫度為160～165 ℃。

3.2.4碾壓

碾壓過程為攤鋪機攤鋪成型混合料→12 t雙鋼輪壓路機2臺緊跟靜壓各4遍(應急車道碾壓2遍)組成初壓→30 t膠輪壓路機2臺(高壓噴水潤濕膠胎接地面或涂刷少量植物油)2遍組成復壓→12 t雙鋼輪壓路機1臺靜壓1遍形成終壓。相鄰碾壓帶重疊0～5 cm，避免雙鋼輪對某些局部過壓或欠壓。

3.3 試驗路檢測

3.3.1混合料試驗檢測

對高黏瀝青混合料進行拌和樓取樣和現場取芯檢測，馬歇爾試驗結果和抽提試驗結果分別見表9和表10。

表9 馬歇爾試驗結果

表10 抽提試驗結果

由表9和表10可知，混合料油石比和空隙率均滿足施工技術要求。

對混合料進行各項路用性能試驗，同時補充了抗老化試驗，試驗方法如下：將拌和好的混合料放置于180 ℃烘箱內老化5 h，然后成型標準馬歇爾試件，進行標準飛散和浸水飛散試驗。具體路用性能試驗結果見表11。

表11 路用性能試驗結果

由表11可知，PEA制備的排水瀝青混合料各項路用性能均滿足技術要求，從老化試驗結果可知，180 ℃溫度下老化5 h，對混合料的抗飛散性具有明顯影響，雖仍能滿足要求，但這警示我們在實際工程中，應注意運距、運輸時間及運輸車到場等候時間，需合理制定施工計劃，以防混合料過度老化影響使用性能。

3.3.2現場檢測

對試驗路進行滲水試驗和壓實度檢測，試驗結果分別見表12和表13，數據表明試驗結果均滿足技術要求。

表12 現場滲水試驗結果 mL/min

表13 壓實度試驗結果

4 結論

1) 通過不同高黏瀝青的性能對比表明，采用內摻8%PEA到SBS改性瀝青的方案制備的高黏瀝青，其黏韌性、韌性和60℃動力黏度都顯著高于日本進口改性劑T制備的高黏瀝青，同時其貯存穩定性優于其他2種改性劑。

2) 通過高黏瀝青混合料性能試驗研究表明，PEA制備的混合料抗水損害性明顯優于進口改性劑T和國產改性劑H制備的混合料，高低溫性能方面，進口改性劑T制備的混合料最佳，PEA和H兩者相當。

3) 通過工程應用表明，PEA制備的混合料路用性能和施工性能優越，具有較好的抗老化性，各項路面檢測指標符合技術要求，具有良好的使用效果。