浇注式沥青混合料干法改性生产工艺研究

肖 丽， 胡德勇， 王立群， 包广志

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

国内外沥青混合料的生产方式基本采用湿法，即各种改性剂与基质沥青在沥青改性厂进行混溶、胶体磨剪切后形成改性沥青，再通过大型沥青拌和楼进行沥青混合料的生产。此时，改性剂通过前期的改性，能均匀分布在沥青中，形成网状结构，提高沥青混合料的性能。但在实际生产过程中，改性沥青在运输车转运和沥青拌和站储存过程中因改性剂“聚集”而易出现离析现象，性能变得不稳定，影响到沥青混合料的性能。因此，有研究人员提出干法改性技术，将SBS、SBR以及橡胶等改性剂粉化后直接添加到拌缸中，通过拌缸中的搅拌叶将改性剂分散[1-3]。干法拌和工艺虽能解决改性沥青离析的问题，但因在拌缸中的搅拌时间较短(一般约45 s～55 s)，SBS、SBR等改性剂不足以溶解于沥青中，难以形成分子链状结构，沥青混合料的性能也难以达到要求，干法工艺生产沥青混合料推广应用因此受到限制[4]。

浇注式沥青混合料具有较好的流动性，摊铺后不需要碾压，可自流成型，孔隙率接近0，具有优异的防水性能、耐久性及随从变形能力，在大跨径桥梁桥面铺装、隧道内铺装，水工坝体心墙等工程领域应用十分广泛[5-7]。浇注式沥青混合料具有沥青含量高(7%～10%)、矿粉含量高(20%～30%)、拌和温度高(200 ℃～240 ℃)、拌和时间长(45 min～180 min)等特点[8]，这为浇注式沥青混合料干法工艺提供了有利的生产条件。在进行干法生产时，各类改性剂投入浇注式沥青混合料中后，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，浇注式沥青混合料专用运输车自带搅拌功能，可使改性剂均匀分散在混合料内部，保证浇注式沥青混合料的性能稳定[9]。因此，从技术角度上，浇注式沥青混合料的干法改性具有非常高的可行性。

混合料干法拌和时，改性剂作用机理与湿法改性存在较大差异[10]，拌和过程涉及改性剂的熔融、分散。改性剂的分散状态不仅与改性剂自身特点相关，还与拌和工艺密切相关，如矿粉添加时间有关。过早，使得高分子聚合物在未溶胀的情况下轻质组分已被矿粉吸附，造成改性剂的溶胀不完全，进而影响混合料改性效果；过晚，考虑到矿粉拌和的均匀性，需延长拌和时间，但延长拌和时间会进一步加重沥青的老化，有损于施工和易性和低温抗裂性能[11-12]。另外，拌和温度与改性剂的溶胀效果、流动性及老化都具有较大的关联性。

本文研究浇注式沥青混合料干法改性生产工艺，采用正交试验方法，通过改变矿粉添加时间、拌和温度和总拌和时间等参数，研究不同工艺对浇注式沥青混合料性能的影响，并与采用湿法工艺生产的浇注式沥青混合料进行对比分析。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本研究浇注式沥青混合料干法改性胶结料采用聚合物改性沥青，基质沥青选用SK70[13]，针入度为62.6(25 ℃，0.1 mm)，软化点49.8 ℃，10 ℃延度46.5 cm，在拌和过程中将基质沥青与5%聚合物改性剂，以及2%降粘剂(Sasobit-REDUX)一起添加到拌和设备中。浇注式沥青混合料GA10采用3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，采用石灰岩矿粉。

1.2 试验方法

采用正交试验方法确定浇注式沥青混合料干法改性的拌和工艺[14]，选取矿粉添加时间(从拌和开始计算)、总拌和时间、拌和温度3个影响干法改性效果的主要因素，每个因素取3个水平，正交试验因素水平如表1所示，用L9(33)设计试验，9组试验条件如表2所示。

表1 正交试验因素水平

浇注式沥青混合料GA10干法生产工艺为：将集料置入拌和锅中进行预热，温度升至220 ℃时，将已称量的基质沥青、聚合物改性剂和降粘剂投入拌和锅搅拌并升温至240 ℃，在240 ℃下搅拌一定时间(矿粉添加时间)，然后加入矿粉继续搅拌至总拌和时间出料。出料后，测试浇注式沥青混合料流动性，同时成型试件测试其高温稳定性和低温抗裂性，对比不同生产工艺下混合料的改性效果。

表2 正交试验方案

2 试验结果及分析

按表2的试验方案拌和浇注式沥青混合料，成型试件，测试混合料流动性、60 ℃贯入度、贯入度增量和-10 ℃极限破坏应变，结果如表3所示。

表3 不同工艺下干法改性浇注式沥青混合料性能

2.1 生产工艺对浇注式沥青混合料流动性的影响分析

浇注式沥青混合料的流动性状况采用刘埃尔值评价[15]，该值越小，施工和易性越好，该值越大，施工和易性越差。浇注式沥青混合料流动性与矿粉添加时间、总拌和时间、拌和温度的关系如图1所示。

图1 流动性与三因素的关系

从图1流动性与三因素的关系分析可知：

1) 对比各因素极差可以得到，三因素对于干法改性浇注式沥青混合料刘埃尔值影响的主次顺序为：矿粉添加时间>总拌和时间>拌和温度，对刘埃尔值最优的因素水平组合是矿粉添加时间为30 min，总拌和时间为45 min，拌和温度为230 ℃。

2) 矿粉添加时间对浇注式沥青混合料的流动性影响最大，由于矿粉加入后要吸附基质沥青中的油分，且随着矿粉搅拌的均匀度越高，形成的结构沥青比例增高，沥青玛蹄脂中自由沥青含量降低，因此，随着矿粉添加时间延后，沥青混合料流动性变差。

3) 总拌和时间对浇注式沥青混合料的流动性影响程度略高于拌和温度，延长拌和时间和提高拌和温度都会加速沥青结合料的老化，对混合料的流动性造成不利影响。

2.2 生产工艺对浇注式沥青混合料高温性能的影响分析

贯入度和贯入度增量的大小能够反映出混合料抵抗高温变形能力，其值越小抗高温性能越好。混合料60 ℃贯入度和贯入度增量与三因素的关系如图2、图3所示。

图2 贯入度与三因素的关系

从图2和图3可以看出：

1) 三因素对贯入度和贯入度增量的影响规律相同，贯入度和贯入度增量在矿粉添加时间为15 min时最大，随着拌和时间的延长、拌和温度的升高，贯入度和贯入度增量减小。对贯入度和贯入度增量最优的因素水平组合是矿粉添加时间为0 min，总拌和时间为65 min，拌和温度为250 ℃。

图3 贯入度增量与三因素的关系

2) 总拌和时间对浇注式混合料的贯入度和贯入度增量影响最大，随着总拌和时间的增加，贯入度值降低。主要因为长时间拌和使得干法改性剂的分散程度逐步加深，沥青玛蹄脂粘度增加，抵抗高温变形能力增强。同时，浇注式沥青混合料拌和温度介于230 ℃～250 ℃之间，拌和时间越长，沥青老化越严重，沥青胶浆变硬。

2.3 生产工艺对浇注式沥青混合料低温弯曲性能的影响分析

浇注式沥青混合料抵抗低温抗裂的能力采用-10 ℃极限破坏应变评价，低温性能与三因素的关系如图4所示。

从图4可以看出：

1) 三因素对于干法改性浇注式沥青混合料-10℃极限破坏应变影响的主次顺序为：总拌和时间>拌和温度>矿粉添加时间，对-10 ℃极限破坏应变最优的因素水平组合是矿粉添加时间为30 min，总拌和时间为45 min，拌和温度为230 ℃。

图4 极限破坏应变与三因素的关系

2) 总拌和时间对混合料的低温抗裂影响最大，随着总拌和时间的增加，低温弯曲应变呈降低趋势，说明延长拌和时间，虽对改性剂的溶胀、分散有重要作用，但对低温抗裂性能产生不利影响。

2.4 拌和条件优化结果与验证

由正交试验结果的分析可知，延长拌和时间和提高拌和温度均可降低贯入度和贯入度增量，但对流动性和低温弯曲极限破坏应变有所损伤。在9组试验中贯入度、贯入度增量只有2组不满足技术要求，而低温小梁存在7组不满足技术要求。因此，重点考虑干法改性浇注式沥青混合料的低温性能，同时考虑流动性，以试验4为基础，通过延长拌和时间至50 min进行优化，记作试验10，试验结果如表4所示。

表4 干法改性浇注式沥青混合料拌和条件优化试验结果

通过优化可以看出，延长拌和时间后，混合料刘埃尔值增大，低温弯曲应变、贯入度及贯入度增量降低，各项指标均满足技术要求。

3 浇注式沥青混合料干法改性与湿法改性效果对比

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注式沥青混合料，并进行混合料流动性和高低温性能测试，结果如表5所示。

由表5可见，采用干法和湿法工艺制备的浇注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；干法改性浇注式沥青混合料60 ℃贯入度和贯入度增量略大于湿法改性，-10 ℃极限破坏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，沥青的粘度高，致使流动性差、高低温性能更优。

表5 干法和湿法生产的浇注式沥青混合料性能对比

4 结论

本文采用正交试验方法，研究了矿粉添加时间、总拌和时间、拌和温度对基于干法改性的浇注式沥青混合料流动性和高低温性能的影响，结论如下：

1) 矿粉添加时间对干法改性浇注式沥青混合料流动性的影响最大，随着矿粉添加时间的增加，流动性变差。

2) 总拌和时间对干法改性浇注式沥青混合料贯入度、贯入度增量及低温极限破坏应变的影响均最大。随着总拌和时间的增加，贯入度值和贯入度增量均呈降低趋势，极限破坏应变在总拌和时间为55 min时最大；浇注式沥青混合料拌和温度介于230 ℃～250 ℃之间，拌和时间越长，沥青老化越严重，对低温抗裂性能产生不利影响。

3) 对刘埃尔值最优因素水平组合为：矿粉添加时间为30 min，总拌和时间为45 min，拌和温度为230 ℃。对贯入度和贯入度增量最优因素水平组合为：矿粉添加时间为0 min，总拌和时间为65 min，拌和温度为250 ℃。对低温弯曲应变最优因素水平组合为：矿粉添加时间为30 min，总拌和时间为45 min，拌和温度为230 ℃。

4) 采用正交试验优选后的干法拌和工艺(矿粉添加时间15 min，总拌和时间50 min，拌和温度240 ℃)制备的浇注式沥青混合料，其流动性优于湿法改性，高低温性能指标较湿法改性差，但均能满足相关技术要求。