高粘改性剂对沥青及OGFC混合料性能的影响

熊子佳，程金梁，邓成，黄冲,洪锦祥

(江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103)*

高粘改性剂对沥青及OGFC混合料性能的影响

熊子佳，程金梁，邓成，黄冲,洪锦祥

(江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103)*

大孔隙开级配沥青混合料(OGFC)具有排水、降噪、抗滑等性能，是海绵城市特有的路面结构形式.其核心材料为高粘改性沥青.通过考察自主研发的高粘沥青改性剂(MBV)和标杆产品TPS的相关性能，探究了高粘改性剂对沥青及沥青混合料性能的影响.结果表明：MBV最佳掺量为沥青质量的13.5%，改性沥青的粘度达到21 633 Pa·s，高于规范要求的20 000 Pa·s，且高粘沥青混合料性能均与TPS改性沥青混合料相当，动稳定度达到6 702次/mm，具有较好的高温耐久性，促进了海绵城市的推广和应用.

OGFC；高粘；耐久性；排水；海绵城市

0 引言

2015年10月国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，部署了推进海绵城市建设的工作.海绵城市采用的特殊的路面形式为大孔隙开级配排水性沥青路面(Open-graded Friction Courses，简称OGFC)，属于混合料的开级配设计，具有排水[1]、降噪[2]、抗滑[3]等性能.OGFC沥青混合料的核心材料为高粘度改性沥青.

国外常用的高粘产品为沥青高粘改性剂，它是以外掺的方式加入到沥青混合料中，以提高沥青的粘度.在欧洲排水性沥青路面因其具有明显的降噪效果，得到了广泛的推广应用.瑞士于1972年率先在机场应用排水沥青混合料，1980年到1990年十年间西班牙铺筑了超过三百万平方米的排水沥青混合料路面[4].美国各州将排水性沥青混合料作为抗滑罩面层.1973年日本引进排水沥青路面技术，并迅速发展，规定在所有高速公路上使用此种类型的路面[5].1996年日本编写了《排水路面技术指南》，提出了排水路面设计方法和标准[6].我国对OGFC路面研究起步较晚，关于高粘改性剂的研究进展也不多.现阶段国内使用较多的是日本生产的TPS，进口产品较高的价格极大的限制了排水沥青路面的推广应用，且常常出现沥青混合料脱层、松散等耐久性不足的问题[7].

本文通过考察自主研发的高粘沥青改性剂(MBV)和标杆产品TPS相关性能，探究了高粘改性剂对沥青及沥青混合料性能的影响，进一步促进了海绵城市的推广和应用.

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

(1)高粘沥青改性剂

自主研发的高粘沥青改性剂(MBV)，应用橡胶复合理论，对高韧结网、高温补弹、阶段调粘组分进行优选组合，对聚合物进行接枝改性以增强大分子结网效率.高粘沥青改性剂MBV能显著提高改性沥青的粘度，增强OGFC沥青混合料的耐久性.

(2)基质沥青

采用重交70#基质沥青，其基本技术性能见表1.

表1 70#基质沥青技术性能

(3)集料

采用的玄武岩集料由南京天印市政工程材料有限公司提供，其基本指标按《公路工程集料试验规程JTG E42—2005》[8]进行测试，集料的基本性能均满足《公路沥青路面施工技术规范 JTG F40—2004》[9]的要求.

1.2 试验方法

(1)高粘沥青的制备

高粘沥青的制备过程如下：打开油浴锅，使其温度升高至180℃，并保持稳定；在拌锅中加入一定质量的基质沥青，并进行低速搅拌，待其具有良好的流动性，按占沥青一定质量分数加入高粘沥青改性剂，先低速(350 r/min)搅拌0.5 h，再高速(4 500 r/min)搅拌1 h；反应结束后，低速搅拌排出气泡，浇试验模，准备测试.

(2)沥青物理性能

针入度、延度、软化点分别按《JTG E-20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]中的T0604、T0605、T0606进行试验.

(3)沥青布氏粘度

沥青布氏粘度采用美国Brookfield LVDV-Ⅱ+Pro旋转粘度仪测定，其粘度测量范围为15～6 000 Pa·s.选用SC- 27号转子，按《JTG E-20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]中的T0625进行试验.

2 结果与讨论

在同等条件下，用自主研发的高粘改性剂MBV和标杆产品高粘改性剂TPS按15%的掺量分别制备的高粘沥青，并进行延度、针入度、软化点物理性能的测试，实验结果见表2.

由表2可知，两种高粘改性沥青性能相差不大，其中MBV的物理性能较好，这是由于橡塑复合的高结网率，使得沥青在高温下不易软化，在低温时能保持柔韧性.

表2 高粘沥青物理性能测试

粘度是考察高粘沥青的重要指标，《公路沥青路面施工技术规范 JTG F40—2004》[9]规定60℃的粘度不小于20 000 Pa·s.由于此值已超过布氏粘度仪的量程，故本文采用测量不同温度条件下高粘沥青的粘度，按lnη- 1/T作图，拟合曲线多项式，用外推法得到60℃时沥青的粘度，实验结果见图1和图2.

图1 MBV改性沥青的 lnη- 1/T曲线 图2 TPS改性沥青的 lnη- 1/T曲线

图1和图2分别为MBV和TPS的lnη- 1/T拟合多项式曲线，由图可知，随着温度的升高，改性沥青的粘度呈对数减小，lnη和1/T基本上满足线性关系.由多项式拟合外推得到改性沥青60℃的粘度见图3.

图3 MBV和TPS不同掺量条件下改性沥青60℃粘度曲线

由图3可知，TPS掺量为12%时，即可满足高粘沥青粘度的要求.且同掺量条件下，TPS改性沥青的粘度高于MBV改性沥青的粘度.MBV掺量达到13.5%时，改性青的粘度为21 633 Pa·s，掺量进一步升高，改性沥青的粘度迅速增加，到掺量为16%时，改性沥青的粘度达到44 090 Pa·s.因此，MBV最佳掺量可取13.5%.

3 高粘沥青混合料路用性能表征

3.1 沥青混合料配合比设计

配合比设计中，MBV取占沥青质量百分比15%为掺量.根据规范要求，排水路面选用OGFC- 13中粒型大孔隙级配类型.首先选了粗、中、细3种级配，根据公式预估沥青用量，成型试件，测定马歇尔稳定度、析漏、飞散，选取最佳级配见表3.

表3 OGFC- 13级配设计

选取五个沥青用量，进行最佳油石比试验.混合料性能结果见表4.

表4 混合料性能试验结果

由析漏试验曲线的拐点确定黏附甚少的沥青用量，作为最大沥青用量的限值.由飞散试验曲线的拐点确定基本上很少散失的沥青用量，并往往以此作为最佳沥青用量.由图4得到沥青用量范围为4.5%～4.8%.确定4.5%为最佳沥青用量.

图4 沥青用量范围的确定

3.2 析漏和飞散损失

排水沥青混合料的大空隙，对材料自身的耐久性是一个考验.最为广泛的检测方法为飞散试验和析漏试验，从最小沥青用量和最大沥青用量两个方面，保证透水沥青混合料中集料表面被裹覆足够厚的沥青膜，以确保其使用过程中的耐久性.

按表3中的级配，采用击实法成型试件，按规范要求考察高粘沥青混合料的性能.其中MBV掺量为13.5%，TPS掺量分别取12%和13.5%，以外投的方式加入混合料中.沥青混合料性能实验结果见表5.

表5 高粘沥青混合料性能

由表5可以看到，两种高粘沥青混合料各项指标均符合技术要求.其中析漏损失率均较小，这是因为级配设计中最佳沥青用量取值接近最小沥青用量.飞散损失率均满足要求，当MBV与TPS均取13.5%为掺量时，由于TPS高粘沥青粘度较大，沥青对骨料的粘结性更大，其飞散损失率稍小于MBV高粘沥青，其马歇尔稳定度稍大于MBV高粘沥青，但二者相差并无明显的差距.当TPS取其最小掺量12%时，其飞散损失率明显大于MBV高粘沥青，而其马歇尔稳定度小于MBV高粘沥青.因此，在最佳掺量条件下，MBV高粘沥青混合料的耐久性要优于TPS高粘沥青混合料.此外，结合上述对沥青粘度的讨论可以发现，高粘沥青混合料的耐久性与沥青的粘度有较明显的相关性.

3.3 动稳定度

将MBV以13.5%掺量直接投入到沥青混合料中拌和，TPS以13.5%和12.5%两种掺量直接投入到沥青混合料中拌和，按照OGFC- 13的级配，按照《JTG E-20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]中的T0719-2011要求成型车辙板，并在60℃标准条件下测试混合料的动稳定度，试验结果见表6所示.

表6 沥青混合料动稳定度值

动稳定度是评价沥青混合料高温稳定性的指标之一，它直接反映了在高温时沥青混凝土的粘结力和骨料间的内摩擦角的大小.若沥青集料间有足够大的粘结力，内摩擦角较大，结构和材料均合理，则在高温时，沥青混凝土路面不易发生软化、推挤而形成车辙[11].因此，动稳定度也可作为OGFC沥青混凝土路面耐久性的指标之一.

由表6可知，在标准车辙试验条件下，两种高粘沥青混合料的动稳定度均超过了6 000次/mm，达到了沥青改性剂的规范要求.其中在13.5%这种相同掺量下比较可知，TPS高粘沥青混合料的动稳定度稍大，说明在13.5%的掺量条件下，TPS能给予沥青混合料更大的粘附性，这与粘度试验结果相一致.而当TPS取其最佳掺量12%时，其动稳定度值稍大，车辙深度较小，但其变异系数较大.而掺量13.5%时TPS和MBV沥青混合料的动稳定度值变异性均较小，说明改性剂能在混合料中均匀分散，混合料各部分性能较均一.

4 结论

(1)MBV在掺量大于等于13.5%时改性沥青粘度能达到规范要求的20 000 Pa·s，且高粘沥青及混合料性能均与TPS高粘沥青混合料相当，掺加了MBV的OGFC沥青混合料飞散损失率仅为8.75%，马歇尔稳定度为3.92 kN，具有良好的耐久性.其动稳定度达到6 702次/mm，路用性能较佳;

(2)自主研发的高粘度沥青改性剂MBV能达到规范对OGFC沥青混凝土的性能要求，促进了海绵城市的推广和应用.

[1]张锋,李林波,李玉龙,等.大孔隙排水性沥青路面配合比设计与实施[J].公路工程,2008(2):111- 113,138.

[2]张爱霞,范莹莹,赵发祥.荷兰和比利时的双层排水沥青路面[J].中外公路,2008(6):75- 79.

[3]董祥,张士萍,丁小晴,等.沥青混凝土路面的纹理构造与抗滑性检测方法[J].公路,2011(11):14- 20.

[4]RUIZ A,ALBEROLA R PÉREZ F,ET AL.Porous Asphalt Mixtures in Spain[R].Transportation Research Record,1990:87- 94.

[5]王磊.OGFC级配特点及路面性能研究[D].西安：长安大学,2009.

[6]樊统江,贾敬鹏,陈富强,等.排水沥青混凝土路面技术及其在日本的发展[J].公路,2007(1):14- 20.

[7]杨大田,李聪.级配碎石基层沥青混凝土面层的层间粘结行为[J].大连交通大学学报,2016，37(2)：61- 64.

[8]中华人民共和国建设部.JTG E42—2005 公路工程集料试验规程[S].北京:交通部公路科学研究所,2005.

[9]中华人民共和国建设部.JTG F40—2004 公路沥青路面施工技术规范[S].北京:交通部公路科学研究所,2004.

[10]中华人民共和国建设部.JTG E-20-2011 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:交通部公路科学研究所,2011.

[11]周卫峰.沥青与集料界面粘附性研究[D].西安：长安大学,2002.

Study of Pavement Performance of High Viscosity Modifier in Asphalt and OGFC Mixture

XIONG Zijia,CHENG Jinliang,DENG Cheng,HUANG Chong,HONG Jinxiang

(Jiangsu Sobute New Materials Co.,Ltd,Nanjing 211103,China)

Open-graded friction courses asphalt mixture has the propeties of the drainage,noise reduction,anti-slip,and pavement structure is a unique form of sponge city.By investigation the independent development of high viscosity asphalt modifier MBV and TPS performance,the influence of viscosity modifier asphalt and asphalt mixture properties is explored.The results show that the MBV optimum adding amount is 13.5%.Viscosity of the modified asphalt is 21 633 Pa·s,higher than the standard requirements 20 000 Pa·s.The MBV modified asphalt mixture properties are equivalent to the modified asphalt mixture with TPS properties.With dynamic stability of 6 702 times/mm.The MBV modified asphalt has good high temperature durability.

OGFC;high-viscosity;durability;drainage;sponge city

1673- 9590(2017)05- 0094- 04

A

2016- 10- 08

江苏省建设厅科学研究计划资助项目(JS2015JH10)

熊子佳(1988-)，女，助理工程师，硕士，主要从事道路工程材料的研究 E-mail:xiongzijia2008@126.com.