多聚磷酸改性瀝青混合料施工技術(shù)研究

陳致遠(yuǎn)， 關(guān) 陽(yáng)， 郭云龍， 王錦余

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

瀝青路面作為我國(guó)高等級(jí)公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式，具有行車(chē)舒適、噪聲小、施工周期短、養(yǎng)護(hù)維修便捷等優(yōu)點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)各等級(jí)公路的交通量逐年上升，且重載超載比例較大、渠化交通現(xiàn)象嚴(yán)重。高負(fù)荷之下，部分瀝青路面在使用初期即出現(xiàn)嚴(yán)重的車(chē)轍、坑槽、裂縫等損害，其主要原因在于路面材料性能與設(shè)計(jì)體系難以滿(mǎn)足實(shí)際交通需求，因此采用高性能且成本合理的瀝青材料代替低性能的普通瀝青，是解決瀝青路面早期病害頻發(fā)的有效方式之一[1, 2]。目前我國(guó)道路工程中使用最為廣泛的改性瀝青是以SBS為典型代表的聚合物改性瀝青，SBS、SBR等聚合物改性劑能明顯提高瀝青的高溫抗車(chē)轍性能、低溫抗裂性能以及抗老化性能等。聚合物改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的改性作用屬于物理共混，但兩者在溶解度、分子量及密度等性質(zhì)方面差異較大，相容性較差，從而導(dǎo)致聚合物改性瀝青普遍存在儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差的現(xiàn)象，對(duì)改性瀝青使用性能與施工性能產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)聚合物改性劑還存在成本較高、制備工藝較為復(fù)雜等缺點(diǎn)[3]。

針對(duì)聚合物改性瀝青存在的問(wèn)題，研究人員提出采用化學(xué)改性劑進(jìn)行改性瀝青的制備，多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)作為一種酸性化學(xué)改性劑，引起研究人員的廣泛關(guān)注。目前的實(shí)踐表明,PPA可明顯提高瀝青及其混合料的高溫抗車(chē)轍性能、水穩(wěn)定性與抗老化性能，且原材料成本較低，與基質(zhì)瀝青之間存在良好的相容性。而且，改性瀝青制備工藝較簡(jiǎn)單，因而具有良好的應(yīng)用前景[4]。我國(guó)對(duì)于PPA改性瀝青的研究大多集中在使用性能與改性機(jī)制方面，對(duì)PPA改性瀝青的實(shí)際應(yīng)用的研究較少。為研究PPA改性瀝青混合料施工技術(shù)，本文將PPA改性瀝青混合料運(yùn)用在某新建公路瀝青路面中，提出PPA改性瀝青混合料施工控制技術(shù)，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

本文依托項(xiàng)目為新建公路工程，主線(xiàn)全長(zhǎng)64.27 km，位于山嶺至平原的過(guò)渡區(qū)域，地形由西北向東南傾斜，呈不規(guī)則緩坡形，全線(xiàn)位于中溫帶，為大陸性季風(fēng)氣候，年均降水367.4 mm，降水主要集中在7～8月份。該公路設(shè)計(jì)速度為80 km/h，雙向四車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)，橫斷面寬為24.5 m，路面結(jié)構(gòu)為4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土表面層+6 cm中粒式PPA改性瀝青混凝土下面層+20 cm水穩(wěn)碎石基層+20 cm水穩(wěn)碎石底基層。

2 原材料

2.1 多聚磷酸改性劑

多聚磷酸由正磷酸與聚磷酸共混形成，也稱(chēng)為多磷酸，當(dāng)磷酸中的H3PO4含量超過(guò)105%時(shí)被稱(chēng)為多聚磷酸，本文采用H3PO4含量為115%的工業(yè)級(jí)多聚磷酸，其主要技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 多聚磷酸技術(shù)性質(zhì)

2.2 瀝青

本文依托項(xiàng)目所用瀝青為鎮(zhèn)海90號(hào)基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)對(duì)該瀝青技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)性能

2.3 集料

本文依托項(xiàng)目所用集料由玄武巖破碎得到，礦粉由石灰?guī)r研磨得到，集料干燥潔凈、無(wú)風(fēng)化，礦粉干燥潔凈無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3～表5。

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表4 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)

3 多聚磷酸改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本文依托公路工程PPA改性瀝青混凝土下面層采用中粒式AC-20C型瀝青混凝土，按照多級(jí)嵌擠密級(jí)配理論與最大理論密度曲線(xiàn)對(duì)礦料級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，礦料生產(chǎn)配合比設(shè)定為：礦粉∶0～3∶3～5∶5～10∶10～20∶20～40=4∶21∶15∶25∶26∶9，油石比為4.6%，PPA摻量為瀝青質(zhì)量的1.5%，礦料級(jí)配組成見(jiàn)表6。

表6 AC-20C礦料級(jí)配組成表

為檢驗(yàn)PPA改性瀝青生產(chǎn)配合比與拌和樓的拌和效果，對(duì)拌和樓的熱瀝青混合料進(jìn)行取樣后，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室內(nèi)成型馬歇爾試件與車(chē)轍板試件，分別對(duì)PPA改性瀝青混合料進(jìn)行高溫車(chē)轍試驗(yàn)、小梁低溫彎曲試驗(yàn)與水穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 PPA改性瀝青混合料性能檢驗(yàn)

由表7可知，PPA改性瀝青混合料高溫車(chē)轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)與小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求，PPA改性瀝青混合料表現(xiàn)出良好的高低溫性能與水穩(wěn)定性。

4 多聚磷酸改性瀝青混合料施工技術(shù)

4.1 施工準(zhǔn)備

PPA改性瀝青混凝土施工前應(yīng)嚴(yán)格控制水穩(wěn)基層與路基的施工質(zhì)量，確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與施工要求。原材料進(jìn)場(chǎng)前進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)場(chǎng)，并確保原材料儲(chǔ)備量充足和PPA改性瀝青混合料施工連續(xù)性。正式施工前做好拌和、運(yùn)輸、攤鋪等相關(guān)設(shè)備的保養(yǎng)與調(diào)試工作，確保所生產(chǎn)的PPA改性瀝青混合料滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與施工要求。

4.2 多聚磷酸改性瀝青混合料的生產(chǎn)

考慮到PPA改性劑與基質(zhì)瀝青之間良好的相容性，為簡(jiǎn)化施工工序，多聚磷酸改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝為：在拌和樓的拌和鍋對(duì)熱料干拌完成后，沿拌和鍋的外摻級(jí)投料口加入PPA改性劑(摻量為瀝青質(zhì)量的1.5%)，將PPA、瀝青與石料一同拌制，即得到PPA改性瀝青混合料。

4.3 多聚磷酸改性瀝青混合料的拌和

PPA改性瀝青混合料的拌和工藝為：使用間歇式強(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格按照生產(chǎn)配合比控制冷料倉(cāng)、熱料倉(cāng)的進(jìn)料比例，嚴(yán)禁由于溢料而隨意調(diào)整各料倉(cāng)比例；石料干拌時(shí)間為5～10 s，PPA、瀝青與石料的濕拌時(shí)間應(yīng)在普通拌和工藝的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)5～10 s，確保PPA與瀝青充分混溶，濕拌總時(shí)間應(yīng)大于50 s；石料加熱溫度控制在170～180 ℃，基質(zhì)瀝青加熱溫度為155～160 ℃，PPA改性瀝青混合料出廠(chǎng)溫度為155～160 ℃，當(dāng)混合料溫度超過(guò)190 ℃時(shí)，應(yīng)予以廢棄。

4.4 多聚磷酸改性瀝青混合料的運(yùn)輸與攤鋪

運(yùn)料車(chē)在使用前應(yīng)將車(chē)廂清洗潔凈，在車(chē)廂內(nèi)側(cè)面與底板涂抹薄層隔離劑防止混合料粘底。運(yùn)料車(chē)裝料過(guò)程中，應(yīng)呈“品”字型進(jìn)行裝料，裝料完成后及時(shí)覆蓋篷布，避免混合料溫度損失過(guò)大。運(yùn)料車(chē)進(jìn)場(chǎng)時(shí)，PPA改性瀝青混合料溫度不得低于150 ℃，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)場(chǎng)。連續(xù)攤鋪過(guò)程中，運(yùn)料車(chē)應(yīng)根據(jù)專(zhuān)員指揮，停靠在攤鋪機(jī)前15～30 cm，掛空擋依靠攤鋪機(jī)推動(dòng)前進(jìn)。

攤鋪施工前應(yīng)提前預(yù)熱熨平板至100℃以上。PPA改性瀝青混合料攤鋪施工應(yīng)勻速、緩慢、不間斷地進(jìn)行，攤鋪速度控制1.5～2.0 m/min。攤鋪過(guò)程中應(yīng)安排專(zhuān)員隨時(shí)檢測(cè)攤鋪厚度、寬度、路拱等，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整修正。當(dāng)攤鋪機(jī)受料斗內(nèi)的混合料尚未攤鋪完時(shí)，及時(shí)補(bǔ)充新料卸至受料斗內(nèi)。

4.5 多聚磷酸改性瀝青混合料的碾壓

PPA改性瀝青混合料攤鋪完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行碾壓作業(yè)，確保在較高溫度水平下對(duì)混合料進(jìn)行碾壓，不得在混合料冷卻后反復(fù)碾壓，避免壓碎石料或磨平石料棱角，破壞混合料嵌擠骨架。PPA改性瀝青混合料的碾壓方案為：初壓使用雙鋼輪壓路機(jī)以2.0 m/min的速度靜壓1遍；復(fù)壓使用雙鋼輪壓路機(jī)以3.0 m/min的速度振壓2遍，膠輪壓路機(jī)以3.0 m/min的速度靜壓2遍；終壓使用雙鋼輪壓路機(jī)以4.0 m/min的速度靜壓2遍。碾壓完成后應(yīng)封閉交通，待PPA改性瀝青混凝土溫度下降至50 ℃以下方可通車(chē)。

4.6 多聚磷酸改性瀝青路面性能檢測(cè)

為檢驗(yàn)PPA改性瀝青路面性能，對(duì)PPA改性瀝青路面進(jìn)行鉆芯取樣，并測(cè)試其壓實(shí)度、構(gòu)造深度、滲水系數(shù)與平整度，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 PPA改性瀝青路面性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，各路段PPA改性瀝青路面的壓實(shí)度、平整度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度等指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，施工質(zhì)量良好，PPA改性瀝青路面平整密實(shí)、抗滑性能良好，同時(shí)具備良好的高溫抗車(chē)轍性能。各路段芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度處于12～15 kN，差異較小，表明在此拌和工藝參數(shù)水平下，PPA能較為均勻地分散至瀝青中，改性劑離析較小，碾壓成型的PPA改性瀝青路面具有良好的高溫穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)了PPA改性瀝青混合料施工技術(shù)要點(diǎn)與控制措施，將其運(yùn)用在新建一級(jí)公路中粒式瀝青混凝土下面層施工中，并對(duì)PPA改性瀝青混合料配合比與路面性能進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明：生產(chǎn)配合比滿(mǎn)足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，PPA改性瀝青混合料具有良好的高低溫性能與水穩(wěn)定性；PPA改性瀝青混合料生產(chǎn)工藝能滿(mǎn)足施工需求，PPA改性劑能較好地分散在瀝青混合料中；所鋪筑成型的PPA改性瀝青路面平整密實(shí)，具有良好的高溫抗車(chē)轍能力。