浇筑式沥青混合料干法改性技术研究★

王立群 肖 丽 胡德勇 包广志

(1.中电建市政建设集团北方国际工程有限公司，山西 晋中 030600； 2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336； 3.重庆交通大学，重庆 400074)

浇筑式沥青混合料以其优异的防水性能、耐久性及随从变形能力在钢桥面铺装领域得到广泛应用[1,2]。当铺装层在运营期出现网裂、坑槽等病害时，通常面积较小[3,4]，因此一次修补需要的结合料量小，若按照常规浇筑式沥青混合料生产，结合料多次加热会造成大量能源损耗及结合料的老化，影响浇筑式沥青混合料的使用性能。

国内外沥青混合料的生产方式分为干法和湿法两种[5,6]，两种方法各有特点。湿法改性沥青是在沥青混合料拌和之前，将改性剂与基质沥青混溶、剪切形成改性沥青，然后用于沥青混合料生产。由于改性剂通过前期的改性，能在沥青中均匀分布，形成网状结构，因此质量相对稳定，是目前改性沥青普遍采用的方法，但湿法改性沥青必须要有剪切设备。干法改性沥青是将改性剂粉化后直接添加到沥青混合料拌缸中的改性方法[7,8]。干法改性由于在拌缸中的搅拌时间较短，改性剂不足以溶解于沥青中，难以形成分子链状结构，改性效果和稳定性存在一些问题，因此干法工艺生产沥青混合料推广应用受到限制。

浇筑式沥青混合料具有油石比高(7.0%～9.0%)、拌和温度高(220 ℃～260 ℃)、拌和时间长(45 min～180 min)等特点[9]，这些都对浇筑式沥青混合料干法生产提供了有利的生产条件。在进行干法生产时，各类改性剂投入浇筑式沥青混合料中后，在富油、高温的环境下不断进行溶胀，在混合料内部形成网状结构。另外浇筑式沥青混合料专用运输车自带的搅拌功能，可以使改性剂均匀分散在混合料内部，保证浇筑式沥青混合料的性能稳定。因此，从技术角度上，浇筑式沥青混合料的干法改性具有非常高的可行性。

本文研究浇筑式沥青混合料干法改性技术，采用熔融搅拌工艺制备改性沥青，通过研究改性剂细度、熔融时间和外掺比例对改性沥青性能的影响研究，确定基于干法改性工艺的浇筑式混合料改性剂及拌和工艺，解决养护维修工程中小批量浇筑式沥青混合料生产的技术难题。

1 试验材料

1)基质沥青。基质沥青是沥青胶结料的重要组成部分，对胶结料的高低温性能具有关键作用。现阶段我国浇筑式沥青混合料用基质沥青多采用70号，但不同产地的70号基质沥青组分存在较大差异，对干法改性效果影响较大。参考团队已有研究成果[10]，选择SK70作为浇筑式沥青混合料基质沥青，其基本性能指标如表1所示。

表1 基质沥青基本性能指标

2)矿料。本研究浇筑式沥青混合料采用三档集料(0 mm～2.36 mm，2.36 mm～4.75 mm，4.75 mm～9.5 mm)，均为玄武岩，粗集料相关技术指标见表2，细集料主要性能指标见表3；矿粉采用的石灰岩矿粉，相关技术指标见表4。

表2 粗集料的主要性能指标

表3 细集料的主要性能

2 改性剂细度对沥青改性效果的影响

根据作者前期试验，选择高分子聚合物作为本研究改性剂。当高分子聚合物改性剂颗粒细度越小，在混合料拌和过程中，聚合物分子在沥青中扩散速度越快，越有利于高聚物和轻质组分之间的浸润与吸附作用的发生。因此对比研究不同细度条件下高分子聚合物对基质沥青改性效果，将聚合物改性剂进行粉化处理并过筛，得到未粉碎、0.6 mm～2.36 mm(8目～30目)、0.3 mm～0.6 mm(30目～50目)及小于0.3 mm(50目以上)四种细度的改性剂，加入基质沥青中进行熔融改性试验，外掺比例为5%，180 ℃条件下采用搅拌器搅拌45 min后测度改性沥青基本性能，试验结果见表5。

表4 石灰岩矿粉性能指标

表5 不同细度对熔融改性结果影响

从表5数据可以看出，随着改性剂粒径的变小，改性沥青的软化点、针入度、延度变化不大，无明显变化规律，可能在此热力学条件下不同细度条件的改性剂都能较好的融于沥青。为进一步探究其不同细度的熔融改性效果，在荧光显微镜下观察改性剂在沥青相中的分布状态，400倍聚合物改性剂分散效果见图1a)～图1d)。

图1中浅色的为聚合物改性剂，相对较暗的部分为沥青相，其中图1a)，图1b)中的浅色颗粒在沥青相中呈现出轻微的线状或絮状结构，图1c)，图1d)中浅色颗粒在沥青相中相对独立，彼此之间有一定距离。说明改性剂随着颗粒变小，在该热力学条件下分散越彻底，大颗粒改性剂分子吸附轻质组分溶胀程度低于小颗粒，所以相同熔融时间内，颗粒较大的呈现出线状或絮状结构。

从以上分析可以看出，不同细度的改性剂制备的改性沥青，宏观技术指标上差异不明显，从微观分析看，随着改性剂颗粒变小，其在沥青中的分散程度越好。但考虑到熔融试验中搅拌力、温度等条件远远低于拌和时的热力学条件，同时粉化工艺增加成本，因此后续研究使用未粉碎的改性剂。

3 熔融时间对沥青改性效果的影响

在干法改性过程中，高分子聚合物改性剂未受到高速机械力的作用，在一定热力学条件下需要长时间溶胀作用才能分散。对比熔融时间对沥青改性效果的影响，分别熔融搅拌15 min，30 min，45 min，60 min(外掺5%的聚合物改性剂)，通过改性沥青三大指标对改性效果进行评价，试验结果见图2。

由图2可以看出，随着熔融时间的增长，改性沥青软化点升高、针入度下降、延度增大，表明随熔融时间增长，溶胀作用逐步加深。从变化速率上看，改性沥青软化点、针入度和延度均呈现先快后慢的趋势，在45 min后变化速率变缓。改性沥青的黏度、稠度及低温柔韧性的变化，反映出改性剂在沥青中的分散程度，采用干法改性，熔融时间建议在45 min以上。

4 外掺比例对沥青改性效果的影响

改性剂在工程应用中建议掺量一般为4%～5%，对于干法拌和，改性剂完全依靠吸附基质沥青中的轻质组分膨胀，进而受集料剪切分散，但基质沥青中的轻质组分含量有限，随着掺量的增加改性剂可能出现溶胀不完全，改性效果提升幅度减小或骤降，造成改性剂不必要的浪费。为掌握改性剂在不同掺量情况下的溶胀效果，分别外掺3%，4%，5%，6%进行45 min熔融试验，改性后三大指标及135 ℃布氏黏度见表6。

表6 不同改性剂掺量下改性沥青性能指标

从表6可以看出，随着外掺比例的增加，改性沥青软化点增高，针入度降低，5 ℃延度增加，135 ℃布氏黏度升高，表明随着掺量的增加聚合物改性剂在沥青中逐步形成均匀且连续的网状结构，改性沥青的稠度、黏度及柔韧性逐步增加。外掺比例5%以后，软化点、针入度和延度变化速率变缓，提升幅度变缓。

为进一步探究外掺比例增加对改性剂的溶胀状态，选取5%，6%改性剂的改性沥青，在荧光显微镜下观察改性剂在沥青相中的分布状态，荧光显微镜以紫外线为光源，照射被检物体，使之发出荧光，然后在显微镜下观察物质的形状及所在位置。将改性沥青涂抹在载玻片上，盖上盖玻片按压，制成样品，在400倍条件下对改性沥青溶胀效果进行观察，见图3。

从图3可以看出外掺5%和6%的改性剂在沥青相中分散程度呈现一定差异，外掺6%时，沥青相中的大粒径聚合物分子在数量和体积上均高于5%掺量，表明6%掺量时存在分散不完全的现象，随着改性剂增加，需要更多的轻质组分进行溶胀，进而致使改性剂与沥青的相容性变差，在失去熔融时的热力学条件，聚合物分子在表面张力的作用下出现聚集。微观层面进一步说明了随着外掺比例增加到一定程度，改性剂的分散将变差，因此干法改性剂使用时，对于高分子聚合物的外掺比例控制在6%以内。

5 浇筑式沥青混合料干法改性效果

浇筑式沥青混合料在铺筑过程中，自流成型，无需压实，这要求沥青结合料高温时具有较低的黏度，以便摊铺时混合料拥有较好的流动性，因此本研究浇筑式干法改性以5%聚合物改性剂为基础，同时加入2%的Sasobit-REDUX降黏剂。按JTG/T 3364—02—2019公路钢桥面铺装设计与施工技术规范进行浇筑式沥青混合料GA10配合比设计，在最佳油石比7.4%、拌和温度240 ℃、搅拌时间50 min条件下，分别采用干法和湿法工艺生产浇筑式沥青混合料，并进行混合料流动性和高低温性能测试，结果见表7。

表7 干法和湿法生产的浇筑式沥青混合料性能对比

由表7可以看出，采用干法和湿法工艺制备的浇筑式沥青混合料性能略有差异，干法改性流动性优于湿法改性，但均在60 s以内，能够满足现场施工需要；干法改性浇筑式沥青混合料贯入度、贯入度增量略高于湿法改性、低温弯曲极限应变略低于湿法改性，均满足技术要求，主要原因是湿法改性过程中聚合物改性剂溶胀、分散彻底，改性效果好，沥青的黏度高，致使流动性差、高低温性能更优。

6 结论

研究了改性剂细度、熔融时间、外掺比例对沥青干法改性的效果，并对比研究了采用干法工艺和湿法工艺生产的浇筑式沥青混合料性能，结果发现：

1)不同细度改性剂制备的改性沥青，其软化点、针入度和延度差异不大，从微观分析看，随着改性剂颗粒变小，其在沥青中分散程度越好。2)随着熔融时间增长，改性沥青软化点升高、针入度下降、延度增大，45 min后变化速率变缓，建议干法改性熔融时间在45 min以上。3)随着改性剂掺量增加，改性沥青的稠度、黏度及柔韧性逐步增加，外掺比例5%以后，软化点、针入度和延度变化速率变缓；同时，通过荧光显微镜观察发现，当改性剂掺量达到6%时，沥青相中出现大颗粒聚合物溶胀不充分，建议聚合物改性剂的外掺比例控制在6%以内。4)干法与湿法改性工艺生产的浇筑式沥青混合料流动性和高低温性能差异不大，均能满足技术要求。