基于高黏剂改性透水沥青混合料的工艺对比研究

陈超，范子然，李闯民

(1.萍乡经济开发区农技水利站，江西 萍乡 33700；2.长沙理工大学 交通运输工程学院；3.长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点实验室)

1 前言

随着公路的建设与发展，“海绵城市”公路建设慢慢走进大众的视野，力推环保与绿色公路的建设与运行，透水沥青路面是目前广大学者研究的重中之重，与传统路面相比，透水沥青路面空隙率达到了18%～25%，在满足透水功能前提下，透水沥青路面的承载力颇受研究者担忧，为确保路面有足够的承载力且具有良好的抗车辙和抗剥落性能，高黏改性材料的性能和应用工艺是解决透水沥青路面出现病害的重要因素。

在国外，尤其是日本和荷兰，由于常年多雨，透水沥青路面的应用比较普遍，透水沥青混合料中改性剂，主要有SBS、TPS高黏剂和橡胶3种，应用最多的是前两种。大量实践表明：这几种改性剂对提高透水沥青路面性能效果显著。在中国透水沥青路面中，初期大多使用日本进口TPS高黏剂，但由于成本高的缘故没能大量推广。近几年研制了国产高黏剂，在提高透水沥青路面的抗车辙、耐久性等方面进行了大量的探索，并取得了显著效果。纵观国内外研究成果，在透水沥青路面中高黏剂的应用有两种方式：一种为成品改性(湿法)；另一种为直投式改性(干法)。干法工艺是指将沥青、改性剂、集料在拌和阶段一同加入拌和楼中，在高温和集料的快速挤压作用下，完成沥青的改性过程。湿法的施工工艺与普通沥青的施工工艺大致相同，由高速剪切机将沥青与高黏剂共混制备髙黏改性沥青。与湿法工艺相比，干法省去了成品改性沥青的制备设备费和加工费用，能够避免湿法改性工艺难以解决的改性剂离析分层、热储存性能指标衰减等问题，在实际施工中多采用干投法，但对于干法和湿法的使用效果研究甚少，该文对这两种工艺进行室内试验研究与探讨，采用国产高抗飞散HVA高黏剂，以8%、12%、16%掺量与基质沥青剪切制成高黏改性沥青，制作改性沥青透水沥青混合料。与3种掺量用干法制作的透水沥青混合料试件一起进行性能测试。研究3种掺量不同工艺高黏改性透水沥青混合料性能的差异与规律。

2 原材料技术性质

基质沥青为70#A级，粗集料采用辉绿岩，细集料采用石灰岩机制砂，填料为石灰岩矿粉，添加剂为中国产高抗飞散HVA高黏剂及中国产木质素纤维。技术指标参照规范[11]、[12]，试验方法按照文献[13-15]进行检测，检测结果均满足高速公路及一级公路和城市快速道、城市主干路用原材料技术要求。表1、2为HVA高黏剂和木质素纤维检测结果。

表1 HVA高黏剂检测结果

3 不同工艺高黏改性透水沥青混合料性能测试

透水沥青路面的配合比设计方法参照JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中开级配沥青混合料的配合比设计方法，矿料级配参照CJJ/T 190-2012《透水沥青路面技术规程》中PAC-13沥青混合料级配。集料共分10～15、5～10、0～5 mm 3档，以目标空隙率确定的矿料级配配比为(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(0～5mm)∶矿粉=58%∶30%∶9%∶3%，矿料合成级配结果如表3所示。

表2 木质素纤维检测结果

表3 PAC-13矿料合成级配

级配确定之后，以计算的初始沥青用量为中值，配制沥青混合料进行析漏和飞散试验，确定最佳油石比范围。得出的沥青油石比范围为5.0%～5.3%(沥青与高黏改性剂占矿料的百分比)，结果如图1所示。试验中，用干法和湿法两种工艺制备沥青混合料试件，高黏改性沥青混合料油石比确定为5.1%，高黏剂掺量分别为8%、12%和16%。纤维用量为高黏改性沥青混合料总质量的0.3%。干法和湿法制备的马歇尔试件性能测试结果见表4。

图1 透水沥青混合料析漏和飞散试验结果

4 不同工艺高黏改性透水沥青混合料性能分析

4.1 高温稳定性

评价沥青混合料高温稳定性的技术指标为动稳定度。透水沥青混合料由于具有较大的空隙率使得与外界环境的接触较为紧密，在荷载的作用下，路面较传统路面更容易引起车辙，通常通过车辙试验的动稳定度来评价。动稳定度越高，抗车辙性能越好，越不容易引起车辙病害。

由表4可知：干法掺量为8%、12%、16%的动稳定度分别为3 275、4 208、4 860次/mm，湿法掺量为8%、12%和16%的动稳定度分别为4 154、4 608、5 216次/mm，可见，湿法工艺的动稳定度都满足了规范技术要求，而干法工艺制作的高黏剂掺量8%的动稳定度不满足规范要求。同掺量条件下，湿法动稳定度值大于干法动稳定度值，湿法工艺的混合料高温稳定性明显高于干法混合料。通过分析数据可知，干法12%掺量的混合料动稳定度与湿法8%掺量的混合料动稳定度值接近，同理，干法16%掺量的混合料与湿法12%掺量的混合料动稳定度值也接近。试验表明当采用干法工艺时增加4%高黏剂，其高温性能与湿法沥青混合料相近。

表4 马歇尔试件性能测试结果

4.2 水稳定性

混合料的水稳定性表明混合料受水影响而表现的抗水损害的能力，评价的技术指标通常为冻融劈裂比。透水沥青混合料的空隙为20%左右，因此，雨水通过大空隙进入路面结构层，混合料受水影响较为严重，故水稳定试验测定的冻融劈裂比尤其重要，通过冻融循环测定不同工艺下马歇尔试件受水损坏前后劈裂破坏时其强度的比值来评价。

由表4可知：湿法12%和16%掺量的冻融劈裂比满足规范要求，而干法只有16%掺量时满足要求。与高温稳定性规律相同，同掺量条件下，湿法混合料水稳定性优于干投法混合料。湿法12%掺量的冻融劈裂比与干法16%掺量的冻融劈裂比相接近。干法通过增加4%高粘剂掺量制作的混合料水稳定性与湿法混合料性能相当。

4.3 低温抗裂性

在低温条件下，沥青混合料内部会产生温度应力，当温度变化较大时，混合料应力松弛的速度如果跟不上温度应力的增长速度，不断累积的温度应力会超过混合料的抗拉极限从而产生开裂。评价沥青混合料的低温抗裂性能的指标为低温弯曲小梁试验检测的弯拉强度、弯拉应变、弯拉模量。

对不同掺拌条件下的高黏沥青混合料进行低温弯曲小梁试验，试件尺寸为高35 mm，长250 mm，宽30 mm，试验温度为-10 ℃。试验结果如表5所示。

透水沥青混合料的低温性能是弯拉强度、弯拉应变、弯拉模量综合作用的结果，相关文献表明，弯拉应变大于2 500 με时透水沥青混合料表现出良好的低温性能。由表5可知：无论湿法还是干法，小梁试验弯拉应变都满足技术要求，且随着掺量增加弯拉应变增加，低温抗开裂性能越好。由表中数据也可以得出，同掺量条件下湿法沥青混合料低温性能优于干法。

表5 低温弯曲小梁试验结果

4.4 渗水性能

通过渗水仪在车辙板上模拟现场道路的渗水试验，由表4可知：湿法和干法的渗水系数都能满足规范要求，不同工艺的渗水系数没有明显的规律；混合料的透水性能主要与连通空隙率指标相关，同样地，不同工艺连通空隙率没有表现出明显的差异，由此可知，对于透水性能而言，不同工艺对混合料透水性能影响不大。

4.5 透水沥青混合料的耐久性

透水沥青混合料的耐久性可由析漏和飞散损失两个指标进行评价。由表4可知：同掺量高黏剂条件下，干法析漏损失和飞散损失比湿法的大，其原因是，湿法通过高速剪切使沥青分子与高黏剂分子更好地混合在一起，内部分子结构更稳固，而干法只是把两者物理共混，对沥青的黏附作用只是片面的，少部分沥青在集料表面流淌而没有与高黏剂充分融合，进而为水的浸入提供了有利条件，所以干法混合料抗飞散能力较差。采用干法工艺施工时，高黏剂与集料拌和均匀性对透水沥青混合料的耐久性尤其重要，可以适当延长拌和时间进行解决。

5 结论

通过对不同工艺制作的高黏改性透水沥青混合料进行马歇尔试验、析漏和飞散试验、车辙试验、渗水试验、低温弯曲小梁试验，得出以下结论：

(1)不同工艺的透水沥青混合料表现出不同的性能。对于湿法而言，不小于12%的高黏剂掺量，对于干投法，不小于16%的高黏剂掺量设计出来的透水沥青混合料满足中国规范技术要求。

(2)相同高黏剂掺量条件下，采用湿法制作的混合料表现出比干法更好的性能，与湿法制作的混合料性能相当时，干法要比湿法增加4%高黏剂掺量。

(3)不同高黏剂添加工艺对混合料的透水性能影响不显著。