制备工艺对高黏直投改性沥青性能的影响

易品

(长沙理工大公路工程试验检测中心， 湖南 长沙 410076)

高黏沥青是近年来出现的一种改性沥青，根据GB/T 30516—2014《高黏高弹道路沥青》的定义，其60 ℃动力黏度大于20 000 Pa·s，被广泛应用于路面薄层罩面(磨耗层)、桥面铺装、排水降噪路面、应力吸收层等建设和养护工程中。高黏沥青根据生产工艺分为湿法改性和干法直投改性2种，相较于湿法改性，干法直投使用高黏直投改性剂直接投放于混合料拌合缸内，使用简单、可操作性强，且能克服湿法改性工艺中沥青老化、离析、热分解等问题，具有明显的应用优势。其本质与湿法改性相同，不同的是，其应用效果(混合料的性能)受搅拌时间、温度、速度等制备工艺的影响较大。因此，研究制备工艺对高黏直投改性沥青改性效果的影响，对于高黏直投改性剂的应用和性能评价具有显著的现实意义。该文研究不同制备工艺对高黏直投改性沥青性能的影响，对比湿法高黏沥青和干法直投高黏沥青混合料的性能，为高黏直投改性剂的应用提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

采用上海骞众新材料科技有限责任公司生产的ZT-101型高黏直投改性剂，它是通过在高分子链上接枝功能化单体，辅以稳定剂等材料熔融造粒而成的一种米黄色改性剂，其主要性能指标(见表1)满足JT/T 860.2—2013《沥青混合料改性添加剂 第2部分 高黏度添加剂》的要求。基体沥青采用SBS改性沥青(通过在SBS改性沥青中加入一定掺量的高黏直投剂制备高黏沥青)，其主要性能指标见表2，满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中Ⅰ类SBS改性沥青的要求。

表1 ZT-101型高黏直投改性剂的主要性能指标

表2 SBS改性沥青的主要性能指标

集料采用满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求的玄武岩碎石、石屑和石灰岩矿粉，级配类型为AC-13(见表3)，油石比为5%。

表3 AC-13级配

1.2 试验方法

高黏沥青制备方法是将SBS改性沥青加热至170 ℃左右，搅拌使高黏直投剂与SBS改性沥青混合融化(根据试验设计，搅拌速度、搅拌时间和加热温度各有不同)。高黏沥青混合料的制备方法分为干法和湿法2种(见图1)，湿法是利用制备好的高黏沥青按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行混合料试件制作；干法是先将加热好的集料与直投剂拌合均匀30 s，再加入改性SBS沥青进行搅拌制成混合料。高黏沥青的针入度、软化点、延度、60 ℃动力黏度及沥青混合料马歇尔稳定度、高温稳定度等均按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行。

图1 高黏沥青混合料制备流程

2 试验结果与分析

2.1 正交试验

高黏直投改性剂发挥作用的关键是其均匀分散于基体沥青中并作用于基体沥青，实现高黏改性，因而高黏直投剂掺量、搅拌速度、时间、加热温度等制备工艺对高黏直投改性剂的应用具有显著影响。为分析制备工艺对高黏沥青性能的影响，以直投剂掺量、搅拌速度、搅拌时间及加热温度为因素变量，以针入度、软化点、延度及60 ℃动力黏度作为评价指标，进行四因素三水平L9(34)正交试验。高黏直投剂掺量分别取3%、4%、5%，分别对应1、2、3水平；搅拌速度分别取60 (人工搅拌)、1 000 (SLY液体强力搅拌机)、4 000 r/min(BK-BRS-300高剪切乳化机)，分别对应1、2、3水平；搅拌时间分别取5、10、20 min，分别对应1、2、3水平；加热温度分别取160、180和200 ℃，分别对应1、2、3水平。正交试验设计及试验结果见表4，极差分析结果见表6～8。

表4 正交试验设计及试验结果

表5 针入度正交试验极差分析 0.1 mm

表6 软化点正交试验极差分析 ℃

2.2 制备工艺对高黏沥青性能的影响

沥青主要技术性能包括黏滞性、塑性、温度敏感性、大气稳定性等，采用针入度、延度、软化点等指标来评价。总体来看，直投高黏改性剂在搅拌、加热的作用下，在基体沥青(SBS改性沥青)中熔融、溶胀，对基体沥青进行高黏改性，体现在性能指标上是针入度和延度指标降低、软化点和60 ℃动力黏度指标提高，即沥青的黏滞性和高温路用性能提高，而塑性、温度敏感性降低。

(1) 对针入度的影响。半固体或固体沥青的黏滞性通过针入度表示，反映沥青的软硬、黏稠程度和抵抗剪切破坏的能力。由表4、表5可知：1) 不同制备工艺下，各组沥青的黏滞性几乎都增大，即针入度降低，最大幅度超过20 (0.1 mm)；2) 4个制备工艺因素中，影响黏滞性的制备工艺因素的大小排序为搅拌速度>加热温度>直投剂掺量>搅拌时间，其中搅拌速度的极差达到15.7 (0.1 mm)，表明搅拌速度对高黏直投改性剂制备高黏沥青的黏滞性影响较大。此外，由于温度较高、时间较长，沥青老化，针入度降低。

(2) 对软化点的影响。沥青的温度敏感性采用软化点来评价。由表4和表6可知：不同制备工艺下，软化点均得到提升；高黏直投剂制备高黏沥青的工艺中，搅拌速度对温度敏感性影响最大，加热温度次之；极差Dj值均较大，表明沥青的温度敏感性对于制备工艺较敏感。

(3) 对延度的影响。沥青的塑性是指其在外力作用下产生变形不破坏，除去外力后仍能保持形状不变的性质，可为沥青的抗开裂等性能提供参考依据。由表4和表7可知：直投剂掺量直接影响高黏沥青的塑性指标(延度)，高黏直投剂的掺入影响基体沥青的组分组成和比例关系，造成延度指标降低；随着直投剂的增加，沥青中不均匀细小颗粒增加，在受力时易发生应力集中现象，从而容易被拉断，造成塑性指标降低。因而延度指标可用作确定高黏直投改性剂掺量上限的重要参考。搅拌速度、搅拌时间和加热温度对塑性的影响相当。

表7 延度正交试验极差分析 cm

(4) 对60 ℃动力黏度的影响。60 ℃动力黏度是高黏沥青的关键指标，主要反映沥青材料的高温性能。由表4和表8可知：60 ℃动力黏度指标均大于20 000 Pa·s，最高值接近90 000 Pa·s，表明高黏直投剂可显著提高基体沥青的60℃动力黏度，即提高高温路用性能。制备工艺各因素的影响大小与黏滞性相似，60 ℃动力黏度随着直投剂掺量、搅拌速度的增大而增加。

表8 60 ℃动力黏度正交试验极差分析 Pa·s

综合来看，高黏沥青的黏滞性、温度敏感性和高温路用性能受制备工艺影响大小的排序和规律较为一致，其中搅拌速度的影响最大。究其原因，一方面是因为搅拌速度因素水平设置跨度较大，导致性能指标有较大波动；另一方面是因为搅拌速度对高黏直投剂能否均匀有效地分散于基体沥青中具有关键影响，从而影响高黏沥青的性能。需注意的是，搅拌速度从1 000 r/min变化到4 000 r/min时，针入度、软化点、60 ℃动力黏度等指标变化幅度较小，表明1 000 r/min转速的制备条件可满足高黏直投改性剂的制备工艺需求。综合制备工艺的影响大小和规律，推荐湿法制备高黏沥青的工艺参数组合为高黏直投剂掺量4%、搅拌速度1 000 r/min、搅拌时间10 min、加热温度180 ℃。

2.3 高黏直投干、湿法沥青混合料性能对比

为更为直观地描述制备工艺对直投高黏改性剂应用的影响，采用湿法(采用第2组试验制备的高黏沥青)和干法直投工艺分别制成高黏沥青混合料试件，测试其性能，结果见表9。

由表9可知：湿法改性高黏沥青混合料的性能优于干法工艺制备的混合料，表明采用图1所示干法制备工艺未能充分发挥高黏直投剂的最佳效果，可通过优化制备工艺进一步提高混合料的性能水平。此外，由于高黏直投剂干法应用中拌合楼无法像湿法一样准确控制制备因素，且直投于SBS改性沥青的制备工艺比传统胶体磨式高黏沥青制备方法更简便和经济，可考虑采用湿法工艺进行高黏直投改性剂应用，以获取更好的性能。

表9 高黏沥青混合料性能测试结果

3 结论

(1) 高黏直投改性剂可显著提高基体沥青的黏滞性、高温路用性能，降低温度敏感性，但对基体沥青的塑性有不利影响，可根据黏滞性、温度敏感性、塑性等要求来确定高黏直投剂应用时的合理掺量。

(2) 在直投剂掺量、搅拌速度、搅拌时间、加热温度4个制备工艺因素中，高黏沥青的黏滞性、温度敏感性和高温路用性能受搅拌速度的影响最大，采用1 000 r/min的制备工艺可使直投剂较充分地熔融，对基体沥青进行有效改性；高黏沥青的塑性受直投剂掺量的影响最大，在高黏直投改性剂应用中，应优先保证搅拌速度和控制直投剂的掺量来保证应用效果；湿法制备高黏改性沥青时，推荐采用4%的高黏直投剂掺量、1 000 r/min左右的搅拌速度、10 min的搅拌时间和180 ℃左右的加热温度。

(3) 干法直投改性制备的高黏沥青混合料的性能差于湿法高黏沥青混合料，可通过提高干法搅拌速度、延长搅拌时间或采用湿法直投的形式来获得更好性能的干法直投高黏沥青混合料。