高黏沥青改性剂的性能评价与工程应用

巩智利 鲁泽建 薛卫平 吴冬生

(中交一公局桥隧工程有限公司 北京 102205)

高黏沥青改性剂是用于提高道路沥青黏度和韧性的一种高分子材料，是道路交通工程中透排水路面实施的关键材料。随着海绵城市建设理念的兴起，透排水路面逐渐成为公路及城市道路路面的主流结构形式，高黏沥青改性剂面临着潜在的巨大需求。目前该产品市场上主要存在两方面问题，极大制约了我国排水路面技术的推广与发展，一方面是成熟产品一直由日本TPS所垄断，价格昂贵；另一方面是国产产品存在为抢占市场，故意压价，以次充好的现象，难以保证施工质量[1-2]。

基于此，本文以新型道路材料国家工程实验室自主研发的高黏沥青改性剂PEA为研究对象，以日本进口改性剂T和某国产品牌改性剂H作为平行对照，分别就高黏沥青和高黏沥青混合料各项性能指标进行分析，并铺筑排水沥青路面试验路，为海绵道路关键材料——高黏沥青改性剂的选用、评价，以及海绵道路施工与推广提供技术支撑。

1 高黏沥青性能评价

1.1 试验原材料

1.1.1基质沥青

本研究采用70号道路石油沥青，技术指标见表1。

表1 70号道路石油沥青技术指标

1.1.2SBS改性沥青

试验所采用的SBS改性沥青符合DB32/T 1087-2008《江苏省高速公路沥青路面施工技术规范》相应技术指标要求，其性能参数见表2。

表2 SBS改性沥青技术指标

1.1.3高黏沥青改性剂

高黏沥青改性剂采用新型道路材料国家工程试验室自主开发的PEA高黏沥青改性剂，其技术指标见表3。

表3 高黏沥青改性剂技术指标

1.2 高黏沥青制备流程

将沥青加热到150 ℃左右，一边搅拌一边加入相容剂，搅拌10 min使沥青与相容剂混合均匀，搅拌时温度保持在150 ℃左右；将PEA缓慢加入到沥青中，在加入的同时用机械搅拌分散，待所有PEA加入后，机械均匀搅拌溶胀45 min，搅拌时温度保持在175 ℃左右；将沥青与溶胀后PEA的混合物升温至185 ℃左右(不超过195 ℃)后放入高速剪切机，在剪切转速为5 000～6 000 r/min下剪切60 min，剪切时温度不超过195 ℃；将剪切完毕后的沥青温度降到170 ℃时加入稳定剂，4 000 r/min转速下剪切15 min，剪切温度不超过175 ℃；将所得的高黏沥青，置于160 ℃烘箱发育2 h后取出。

1.3 高黏沥青性能指标

本研究分别用改性沥青和基质沥青内掺8%和12%的PEA改性剂制备高黏沥青，并以日本进口改性剂T和某国产品牌改性剂H作为对比参照例。通过三大指标、60℃黏度、黏韧性、贮存稳定性、老化性能等各项性能试验检测，技术要求参照交通运输部公路科学研究院主编的《排水沥青路面设计与施工技术细则》(征求意见稿)，测试结果见表4。

表4 高黏沥青性能试验结果

由表4可知，4种高黏沥青的三大指标均能满足要求；“SBS改性沥青+8%H”和“SBS改性沥青+8%PEA”的高黏沥青60℃动力黏度、黏韧性和韧性明显高于掺进口改性剂T的样品；贮存稳定性方面，只有“SBS改性沥青+8%PEA”的样品能满足要求，其他样品均不合格，其中“基质沥青+12%PEA”的样品因高黏改性剂掺量过高导致贮存稳定性最差，因此在实际工程上，需严格验证沥青与改性剂的配伍性，并建议采用直投式添加方式使用，而非采用成品高黏沥青。

2 高黏沥青混合料性能评价

本节采用高黏沥青改性剂PEA，以20%为目标空隙率，制备排水沥青混合料PAC-13，并与日本进口改性剂T、国产品牌改性剂H进行混合料性能对比试验，以验证高黏沥青混合料的路用性能。

2.1 混合料的制备

2.1.1配合比

合成级配见表5。

表5 合成级配

油石比为4.8%，高黏沥青改性剂与SBS改性沥青比例为8∶92，聚酯纤维掺量为混合料总质量的0.1%。

2.1.2拌和成型

将高黏沥青改性剂与集料干拌90 s，加入聚酯纤维搅拌90 s，然后加入SBS改性沥青湿拌90 s，最后加入矿粉拌和90 s，试验温度见表6。

表6 混合料室内试验温度 ℃

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，为测试其使用过程中的耐久性，最为广泛的检测方法为飞散试验和析漏试验，试验结果见表7。

表7 飞散试验和析漏试验结果 %

由表7可知，高黏沥青混合料各项指标均符合技术要求，其中PEA制备的混合料析漏损失率最小，析漏率为0.13%；改性剂T和H制备的透水混合料析漏率较大，接近技术要求的上限。飞散试验结果表明，3种高黏改性剂制备的混合料均满足规范要求。

2.2 路用性能评价

国内外研究表明[3-6]，由于排水沥青混合料中矿料颗粒的嵌挤作用和使用高黏结力的沥青结合料，使得排水沥青混合料比普通沥青混合料具有更高的抗高温变形能力。本文依照现行规范，对高黏沥青改性剂PEA、T和H制备的高黏沥青混合料采用车辙试验验证其高温性能；排水沥青路面由于拥有较高的空隙率，混合料与密集配混合料相比更容易受到外界温度的影响，这就凸显了排水沥青混合料低温性能的重要性，本文采用低温弯曲试验评价其低温抗裂性能；排水沥青混合料与密集配沥青混合料相比，其特有的大空隙使其在使用过程中，更容易受到水的侵蚀作用发生水损害[7-9]，本文采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和浸水飞散试验评价其抗水损害性，各项性能试验结果见表8。

表8 高黏沥青混合料性能试验结果

从表8可知，3种高黏沥青混合料的动稳定度都满足技术要求，其中进口改性剂T制备的混合料高、低温性能最佳，H和PEA制备的混合料高、低温性能相当。

抗水损害性能方面，PEA制备的混合料的残留稳定度为92.1%，T和H次之，三者均满足规范要求。浸水飞散率三者分别为4.1%，8.8%，10.6%，PEA制备的混合料抗浸水飞散性最好，明显高于T和H制备的混合料。从冻融劈裂强度试验可知，PEA制备的混合料TSR最大，T次之，改性剂H制备的混合料TSR值仅为74.9%，尚不能满足规范要求。

自主研发的PEA采用了乙烯-醋酸乙烯酯与苯乙烯-丁二烯共聚物复合改性的方法，大幅提升高黏韧改性剂的分散性能，并采用特殊的增融树脂，使得二者能够有效融合形成均一的产品，实现了改性剂的快速熔融，并均一裹附石料，形成有效黏结，提升了混合料的抗水损害性。

综上所述，高黏沥青改性剂PEA制备的排水混合料各项性能均能满足规范要求，其中抗水损害性优于进口改性剂T制备的混合料，高低温性能与国产改性剂H制备的混合料相当。

3 工程应用

以宁宿徐高速公路旧路改造加铺排水沥青罩面项目为依托，于2017年11月在宁宿徐高速公路K191+560-K191+340(徐淮方向)进行了排水路面试验段铺筑，具体施工及检测内容如下。

3.1 防水黏结层施工

采用同步橡胶沥青碎石防水黏结层，黏结强度须达到混合料内部强度的60%或≥0.4 MPa(22±2 ℃)。防水黏结层施工宜提前1～2 d完成。

橡胶沥青防水黏结层施工的基本工艺流程，可分为下承层处理、橡胶沥青洒布、碎石撒铺及轮胎压路机碾压成型4个步骤。橡胶沥青洒布时，洒布车应保持稳定的转速匀速行驶，以保证洒布的均匀，橡胶沥青的洒布温度为195～220 ℃。超、行车道洒布(1.5±0.2)kg/m2橡胶沥青同步防水黏结层(不计厚度)。碎石规格为4.75～9.5 mm单粒径碎石，碎石预拌0.3%～0.5%(按照集料重量计)的SBS改性沥青进行预裹附(裹附温度在150～180 ℃)。碎石撒布后撒铺量为满铺的60%～70%。

3.2 排水沥青路面施工

3.2.1拌和楼生产

按上述级配和油石比，采用江苏高速公路工程养护有限公司安迈4000型拌和楼制备排水沥青混合料。整个拌和过程控制如下：PEA高黏改性剂的添加采用人工投料方式，“集料+PEA高黏剂+纤维”干拌15 s，随后加入沥青湿拌10 s，之后投放矿粉拌和35 s，整个拌和周期约为60 s。其中，集料加热温度185～195 ℃，SBS改性沥青加热温度160～170 ℃，混合料出厂温度175～185 ℃，超过195 ℃则废弃。经观察混合料拌和均匀，无花白料、无结团成块或严重的粗细集料分离现象。

3.2.2运输

混合料运输采用大吨位自卸汽车，出厂前先检查出料温度，满足要求后用蓬布全面覆盖并扣牢后运输。技术服务组对排水沥青混合料的出厂温度进行了抽查，沥青混合料的出场温度为175～180 ℃。

3.2.3摊铺

摊铺过程中，为减少粗细集料离析，摊铺机料斗在刮板尚未露出时，下一辆运料车即开始卸料，做到连续供料，尽量做到摊铺机不拢料，以减少离析。对于局部混合料明显离析、摊铺后明显纵缝或是有拖痕的地方，人工细料点补。撒料用的铁锹可涂刷少量油水混合物，以防黏结混合料，现场摊铺温度为160～165 ℃。

3.2.4碾压

碾压过程为摊铺机摊铺成型混合料→12 t双钢轮压路机2台紧跟静压各4遍(应急车道碾压2遍)组成初压→30 t胶轮压路机2台(高压喷水润湿胶胎接地面或涂刷少量植物油)2遍组成复压→12 t双钢轮压路机1台静压1遍形成终压。相邻碾压带重叠0～5 cm，避免双钢轮对某些局部过压或欠压。

3.3 试验路检测

3.3.1混合料试验检测

对高黏沥青混合料进行拌和楼取样和现场取芯检测，马歇尔试验结果和抽提试验结果分别见表9和表10。

表9 马歇尔试验结果

表10 抽提试验结果

由表9和表10可知，混合料油石比和空隙率均满足施工技术要求。

对混合料进行各项路用性能试验，同时补充了抗老化试验，试验方法如下：将拌和好的混合料放置于180 ℃烘箱内老化5 h，然后成型标准马歇尔试件，进行标准飞散和浸水飞散试验。具体路用性能试验结果见表11。

表11 路用性能试验结果

由表11可知，PEA制备的排水沥青混合料各项路用性能均满足技术要求，从老化试验结果可知，180 ℃温度下老化5 h，对混合料的抗飞散性具有明显影响，虽仍能满足要求，但这警示我们在实际工程中，应注意运距、运输时间及运输车到场等候时间，需合理制定施工计划，以防混合料过度老化影响使用性能。

3.3.2现场检测

对试验路进行渗水试验和压实度检测，试验结果分别见表12和表13，数据表明试验结果均满足技术要求。

表12 现场渗水试验结果 mL/min

表13 压实度试验结果

4 结论

1) 通过不同高黏沥青的性能对比表明，采用内掺8%PEA到SBS改性沥青的方案制备的高黏沥青，其黏韧性、韧性和60℃动力黏度都显著高于日本进口改性剂T制备的高黏沥青，同时其贮存稳定性优于其他2种改性剂。

2) 通过高黏沥青混合料性能试验研究表明，PEA制备的混合料抗水损害性明显优于进口改性剂T和国产改性剂H制备的混合料，高低温性能方面，进口改性剂T制备的混合料最佳，PEA和H两者相当。

3) 通过工程应用表明，PEA制备的混合料路用性能和施工性能优越，具有较好的抗老化性，各项路面检测指标符合技术要求，具有良好的使用效果。