直投式高黏顆粒在瀝青混合料中的應用研究

黃衛東 盧文銀 呂 泉 顏川奇

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 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，因其環保舒適、可有效緩解城市熱島效應等[1-3]一直備受青睞。自排水性路面開始使用起，國內外學者就一直注重對高黏改性瀝青的研發。高黏改性瀝青黏附性大、黏聚力強，而且具有較強的耐久性[4-5]。隨著改性瀝青的應用發展，濕法工藝制備改性瀝青，存在無法克服的熱力學不穩定技術缺陷，高黏改性劑會在瀝青中離析、熱分解，進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完成結和料的改性[7]。常見的直投式改性劑[8]有法國的PR-module、德國的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異，具有良好的經濟性和社會效益。劉霞[10-11]也對直投式HVK型高黏添加劑進行拌和工藝研究，得出增加干拌時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，但對直投式高黏改性劑與集料干拌的具體裹附狀態還沒有很好的試驗方法進行研究，同時直投式高黏改性劑的干拌時間與干拌溫度對瀝青混合料性能的具體影響程度也尚不明確。

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

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

高黏顆粒的外觀形態圖見圖1，高黏顆粒的主要指標參數見表1。基質瀝青選用埃索ESSO70號基質瀝青，其主要技術指標見表2。

圖1 高黏顆粒

表1 高黏顆粒技術指標

表2 ESSO 70號基質瀝青主要技術指標

目前高黏顆粒主要應用于排水路面、透水路面等，故選擇混合料級配為OGFC級配，粗集料選用玄武巖，細集料選用石灰巖，礦粉為石灰巖礦粉，具體各檔集料通過的質量分數率見表3。最佳瀝青用量根據馬歇爾設計方法確定為5.8 %。

表3 混合料級配的各檔通過率

1.2 試驗方法

1.2.1瀝青混合料試驗

浸水肯塔堡飛散試驗，按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(以下簡稱《規程》)進行飛散試驗，采用旋轉壓實法成型飛散試件，每個樣品制作4個平行試件，在不加鋼球的洛杉磯試驗機中進行試驗。

凍融劈裂實驗，依照《規程》進行，采用旋轉壓實法成型2組試件，分別進行未凍融和凍融劈裂試驗。

馬歇爾穩定度試驗，根據《規程》中T 0709-2011標準方法進行。將試件于(60±1)℃恒溫水槽中保溫后，采用自動馬歇爾試驗儀對試件進行測量，最后根據計算得到浸水馬歇爾殘留穩定度。

漢堡車轍(hamburg wheel tracking device,HWTD)試驗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。試驗指標選用抗蠕變速率(次/mm)，為蠕變斜率的倒數，對混合料的高溫性能進行評價。

1.2.2三維顯微檢測試驗

三維顯微檢測儀是由CCD工業相機、HDMI液晶顯示器、光學鏡頭及控制盒構成。其原理是通過對光學顯微鏡進行調節聚焦產品，CCD工業相機進行圖像拍攝并上傳到HDMI顯示器。在顯示器上可對產品的外形、幾何參數等進行檢測測量。三維顯微檢測儀的試驗步驟包括：①把產品放在顯微鏡工作臺面上，把鏡頭倍數調到最小以方面找到產品要看到的位置；②上下調節聚焦首輪至顯示器畫面清晰；③調節3D旋轉方向，轉速等。

2 試驗結果與分析

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別在于，不用長時間地進行攪拌、剪切改性。為研究高黏顆粒改性劑在短時間內的拌和均勻性，本文暫取一般混合料拌和溫度180 ℃，并選用一般室內試驗拌和時間90 s的倍數進行試驗，即0，90，180，360 s。然后利用三維檢測實驗對干拌后的集料進行觀測研究，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。其機理從物理角度看，首先，高黏顆粒和集料干拌時能迅速升溫，達到熔融狀態，然后，隨著與集料的攪拌，高黏顆粒呈黏性流動狀態，攪拌時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。

隨著干拌時間的延長，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已經明顯看出熔融狀態的高黏顆粒在表面形成致密的薄膜。而干拌360 s，石料表明已經出現局部薄膜較厚的現象。因此，表明在室內試驗拌和條件下，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 干拌時間對混合料性能的影響

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、漢堡車轍試驗對混合料的性能進行研究，分析干拌時間對混合料性能的影響程度，并暫選拌和溫度為180 ℃，為便于分析，將兩者試驗數據繪于同一坐標中，見圖3。

圖3 干拌時間對混合料性能影響

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，遠小于規范要求的15%。當拌和時間延長，抗飛散性能降低。拌和時間不斷增長，伴隨著持續的高溫，可導致改性劑老化，進一步影響瀝青混合料的性能。

漢堡車轍試驗的蠕變階段，通常被認為體現的是混合料的高溫抗變形能力。抗蠕變速率越大即表示高溫抗變形能力越強。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到最大。干拌時間短，拌和不充分，改性效果不好；干拌時間過長，則導致改性劑老化影響性能。

2.2.2水穩定性能

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和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩定性能，選取干拌時間進行評價，具體數據見圖4。

圖4 干拌時間對混合料水穩定性能影響

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

2.3 干拌溫度對混合料性能的影響

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，當處于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拌和溫度在180 ℃左右不等。因此有必要對高黏顆粒與集料干拌時的溫度進行試驗。試驗選擇干拌時間為180 s，選擇干拌溫度包括160，180，200，220 ℃，對混合料的抗飛散、高溫性能進行研究，具體數據見圖5。

圖5 干拌溫度對混合料性能影響

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。主要原因是低溫時瀝青黏度大，混合料黏結力強，進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，飛散損失率為8.5%，滿足規范要求。

分析圖5中抗蠕變速率曲線可以看出，蠕變速率在180 ℃之間出現峰值，表明在此溫度區間混合料具有良好地高溫抗變形能力。溫度過高或過低，對瀝青及改性劑均產生不利影響，進而進一步影響混合料的高溫性能。

2.3.2水穩定性能

利用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗對不同拌和溫度下瀝青混合料的水穩定性能進行研究，數據見圖6。

圖6 干拌溫度對混合料水穩定性能影響

由圖6可見，2條曲線在170～190 ℃區間均出現峰值，凍融劈裂比與浸水殘留穩定度均達到規范要求，表明此區間瀝青混合料具有良好的水穩定性能。溫度較低時高黏顆粒與集料充分拌和，溫度較高時瀝青與改性劑的老化，都可進一步影響瀝青混合料的水穩定性能。因此，推薦高黏顆粒與集料的干拌溫度為(180±10) ℃。

3 廠拌試驗結果與分析

為進一步研究高黏顆粒在瀝青混合料中的應用，對拌和樓拌和的直投式高黏顆粒改性瀝青混合料進行取樣研究。拌和樓高黏顆粒與集料拌和溫度為180 ℃，拌和時間為15 s(觀察廠拌拌和效果，拌和時間為15 s時高黏顆粒即可熔融均勻裹附在集料表面，達到室內試驗180 s拌和效果)。對取樣混合料進行性能試驗，對比室內拌和條件180 ℃、180 s，結果見表4。

表4 混合料試驗指標對比

由表4可見，在拌和樓拌和的直投式瀝青混合料試驗指標比室內拌和偏低，即拌和樓拌和混合料的性能偏差，主要由于拌和樓對拌和條件控制較室內難度大，不可控影響因素較多。整體對比發現，不同拌和條件下，混合料的試驗指標均滿足規范要求，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、水穩定性能。

4 結論

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，先達到熔融狀態，在室內試驗干拌180 s后可在集料表面形成均勻密致的薄膜。

2) 高黏顆粒對瀝青混合料的抗飛散、抗高溫變形、水穩定性能有明顯提高。室內試驗干拌時間為180 s左右，混合料的各項性能指標滿足規范要求，根據室內試驗研究，推薦干拌時間為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，會影響改性劑拌和效果，進而影響混合料性能。根據混合料各項試驗指標推薦干拌溫度為(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拌合180 s，180 ℃條件下混合料性能，同時兩者均滿足規范要求。推薦在實際工程應用中，高黏顆粒在拌和樓拌和時間為15 s，拌和溫度為180 ℃。