高性能直投式改性瀝青混合料性能研究

崔培強，鄭松松，屈慶余

（葛洲壩集團交通投資有限公司，湖北 武漢 430200）

1 引言

SBS 改性瀝青是目前世界上使用最普遍的一種聚合物改性瀝青，其研究也相對廣泛、深入，大多數(shù)研究者認(rèn)為SBS改性瀝青對路用性能改善作用最好，可以同時改善瀝青的高溫、低溫性能，還可以起到抗疲勞和耐水損害作用，所以這種瀝青在公路工程建設(shè)中使用比例也最大。然而，隨著石油化工等產(chǎn)品價格的不斷上漲，SBS 的價格也不斷提高。有研究指出，在氣候條件因素（光照、降水等）的影響下，SBS 改性劑會發(fā)生一定程度的老化，從而影響其原有性能的發(fā)揮。基于SBS應(yīng)用中遇到的現(xiàn)實問題，很多道路工作者開始將目光轉(zhuǎn)向價格低廉、數(shù)量充足甚至是廢品的塑料PE材料。

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，產(chǎn)生的廢舊農(nóng)膜及廢品包裝袋、食品袋等塑料制品逐年遞增，這些廢棄塑料制品大多都是聚乙烯材料組成的，在自然界中難以降解，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。而直投式PE 改性劑就是利用不可發(fā)生降解并循環(huán)利用的塑料制品為原材料，應(yīng)用材料復(fù)合、流變技術(shù)原理，以PE為載體，把不同類高分子聚合物材料進行物理復(fù)配，顆粒狀的PE 改性劑在瀝青中分散均勻后，表面吸附瀝青使瀝青性能和膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其高溫性能得以改善。而且PE 改性劑與熱瀝青混融后，PE 分子中一些柔順卷曲的聚乙烯支鏈相互結(jié)合，形成立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，又將裹覆著的瀝青折疊交聯(lián)在一起，從而擴大了瀝青粘彈區(qū)域。這種網(wǎng)絡(luò)間強烈的相互作用約束了瀝青的轉(zhuǎn)移，限制著瀝青膠體的流動性，增強了抵抗外力的能力，從而提高了瀝青的粘彈性和抗高溫變形能力。使用直投式PE改性添加劑可以緩解廢棄塑料污染環(huán)境的問題，具有環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點[1，2]。而且直投式PE改性劑是通過外摻的方式直接投入瀝青混合料中，可以克服改性瀝青離析、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點，解決了SBS 改性瀝青加工、儲存、運輸及拌合樓儲存過程中的能耗、污染、排放等問題[3]。

本文根據(jù)室內(nèi)試驗，對比分析了SBS改性瀝青混合料和直投式PE改性瀝青混合料高溫性能、低溫性能、耐久性等各項性能，并通過鋪設(shè)試驗段及工程應(yīng)用，全面分析了PE改性瀝青路面的各項路用性能。

2 直投式PE改性瀝青混合料性能

直投式PE 改性劑是結(jié)合瀝青路面路用性能的需求，通過材料復(fù)合技術(shù)、流變技術(shù)原理，把不同種類的高分子聚合物、高分子納米材料、高纖維材料、添加劑、PE等材料共混形成具有優(yōu)越性能的高分子聚合物新材料，該新的聚合物中各高分子的優(yōu)勢特性得到發(fā)揮及組合優(yōu)化，同時改善了不利性能。該高分子改性劑具有較高的熔融速率，在高溫狀態(tài)下拌和5s～8s便可融化，在外力作用下迅速擴散，均勻地與瀝青相融合，并包裹在集料表面，從而將礦料與瀝青有機地膠結(jié)在一起，形成良好的膠結(jié)作用，提高瀝青與骨料的粘附性。

2.1 混合料配合比設(shè)計

根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照馬歇爾配合比設(shè)計方法，進行普通熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計工作，并在此基礎(chǔ)上，確定級配及瀝青最佳用量。根據(jù)現(xiàn)場的實際需求，改性瀝青混合料采用SMA-13型配合比進行試驗，試驗選取的SMA-13級配見表1。

表1 SMA-13目標(biāo)配合比合成級配曲線

在確定的目標(biāo)級配和油石比的條件下，結(jié)合性價比確定直投式PE 改性劑的摻量（改性劑的摻量一般按照混合料質(zhì)量0.25%～0.35%摻入），然后開展瀝青混合料改性后的性能指標(biāo)試驗，確定瀝青混合料的最終配比方案。

根據(jù)所提供的集料、礦粉、瀝青等原材料，按照上述級配曲線分別進行SBS、PE 室內(nèi)混合料配合比設(shè)計。在最佳油石比條件下進行混合料性能驗證試驗，具體試驗結(jié)果見表2。

表2 最佳油石比條件下兩種混合料性能

2.2 混合料性能分析

2.2.1 水穩(wěn)定性能試驗

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價PE、SBS改性瀝青混合料的抗水損害能力，結(jié)果見表3。

表3 PE及SBS改性混合料水穩(wěn)定性結(jié)果

由表3試驗結(jié)果可知，SBS改性瀝青混合料和PE改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求，且兩者相比無明顯差異[4，5]。

2.2.2 高低溫性能試驗

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2019），對添加PE 改性瀝青混合料、SBS 改性瀝青混合料進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗。結(jié)果見圖1、圖2和表4。

表4 PE及SBS改性瀝青混合料高、低溫性能結(jié)果

圖1 SBS改性瀝青混合料車轍結(jié)果

圖2 PE改性瀝青混合料車轍結(jié)果

由表4數(shù)據(jù)可以看出，PE改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的低溫性能均能滿足要求，且PE 改性混合料的低溫性能與SBS 改性瀝青混合料無明顯差異。溫度在60℃時，PE 改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度明顯大于SBS 改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，說明相對于SBS，PE 改性劑有效提高了瀝青混合料的高溫性能，性能提升超過50%[6]。

2.2.3 抗疲勞性能驗證

運用疲勞壽命次數(shù)進行SMA-13 混合料抗疲勞性能比較。選用四點彎曲疲勞試驗來測定各組瀝青混合料在承受重復(fù)彎曲荷載的疲勞壽命，以此為根據(jù)完成試驗分析。試驗溫度采用15℃，加載荷載10Hz，拉應(yīng)力分別為200με、300με、400με、500με、600με，一共采用5 個應(yīng)力水平。

試驗采用恒應(yīng)變控制的連續(xù)偏正弦加載模式，試驗試件按照振動碾壓成型的方法制作瀝青混合料板塊試件，利用高精度切割機將板塊試件切割成標(biāo)準(zhǔn)的小梁試件，標(biāo)準(zhǔn)小梁試件尺寸為380mm×65mm×50mm，彎曲勁度模量降低到初始彎曲勁度模量50%時，試驗終止，記錄對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)，5 種情況下的瀝青混合料的應(yīng)變與疲勞壽命次數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 疲勞試驗曲線圖

由圖3 可以看出，隨著應(yīng)力水平的提高，兩種瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)都在降低，各曲線之間相互交接，說明PE 和SBS 兩種瀝青混合料的抗疲勞特性區(qū)別不大，性能相當(dāng)。

3 直投式PE改性瀝青混合料生產(chǎn)、施工工藝

3.1 供料、拌和

集料按照瀝青混合料生產(chǎn)要求進行正常生產(chǎn)，烘干溫度不低于185℃～195℃，烘干后的集料進行二次篩分計量后與相應(yīng)計量的直投式PE改性劑置入拌和鍋內(nèi)進行干拌，干拌時間5s～8s，拌和溫度不低于185℃，然后加入礦粉。干拌后噴入基質(zhì)瀝青，瀝青的溫度150℃～170℃，正常濕拌30s～40s。瀝青混合料的出料溫度＞175℃。改性劑的添加可以采用人工投放的方式，也可以采用設(shè)備自動添加。生產(chǎn)過程中拌和溫度較高，人工投放較難控制，可操作性不強，建議采用設(shè)備自動添加。

3.2 瀝青混合料運輸與攤鋪

應(yīng)綜合考慮運輸距離、生產(chǎn)速度適當(dāng)?shù)陌才胚\輸車。運輸過程中應(yīng)覆蓋保溫，瀝青混合料溫度現(xiàn)場檢測符合施工要求時，方可使用。

3.3 瀝青路面壓實

碾壓溫度應(yīng)符合表5 的要求。碾壓速度和碾壓溫度應(yīng)根據(jù)試驗段確定，碾壓段長度初壓為10m～20m、復(fù)壓及終壓為20m～50m。一般情況下，壓路機數(shù)量宜不少于5臺。

表5 施工各階段溫度建議范圍

3.4 開放交通及其他

施工時應(yīng)封閉交通，禁止車輛通行，路面溫度低于50℃時方可開放交通或進行下一層攤鋪。PE 改性瀝青路面鋪筑完成后應(yīng)控制交通，不得污染損壞[7，8]。

4 試驗段鋪筑與測試

在襄荊高速2017 年及2018 年銑刨攤鋪養(yǎng)護工程中，鋪設(shè)了約11km的直投式PE改性瀝青路面試驗段，試驗段中上面層采用直投式PE改性瀝青混合料（圖4）。

圖4 直投式PE改性瀝青路面攤鋪

2019 年組織第三方檢測機構(gòu)對PE 試驗段進行了全面的檢測，路面檢測情況見表6。

表6 試驗段路面檢測結(jié)果

路檢結(jié)果表明各試驗段路面抗滑性能、滲水系數(shù)、車轍均達(dá)到100%合格率；少許路段平整度、彎沉合格率為80%～90%（平整度、彎沉指標(biāo)受道路整體結(jié)構(gòu)的影響，與PE 改性瀝青混合料性能無直接關(guān)系）。說明PE改性瀝青路面具有良好的路面使用性能，用直投式PE改性瀝青混合料代替SBS 改性瀝青混合料應(yīng)用于高速公路面層是可行的。

5 社會環(huán)保效益

5.1 節(jié)能效益

5.1.1 上面層應(yīng)用節(jié)能效益

以在100km 長、22.5m 寬雙向四車道、0.06m 厚的高速公路瀝青路面上面層應(yīng)用直投式PE瀝青混合料改性劑為條件，計算節(jié)能效益情況。

假設(shè)上面層油石比5.1%，根據(jù)經(jīng)驗估算出瀝青混合料數(shù)量約23 萬t。根據(jù)大量的拌合樓應(yīng)用得出：生產(chǎn)1t瀝青混合料可節(jié)省1kg標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，預(yù)估每100km、雙向四車道的高速公路瀝青路面上面層需23 萬t 瀝青混合料，大約可節(jié)省2.3×105kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤與電能換算系數(shù)，1kg 標(biāo)準(zhǔn)煤相當(dāng)于29.27 MJ 熱能[9]，在上面層應(yīng)用即可節(jié)省29.27×2.3×105=6.7×106MJ 熱能，相當(dāng)于6.7×105度電（擬1 元/度電），可節(jié)約能耗費用約67萬元。

因此，在雙向四車道的上面層鋪設(shè)100km 的直投式PE改性瀝青路面，可節(jié)約能耗約67萬元。

5.1.2 中面層應(yīng)用節(jié)能效益

現(xiàn)以在100km 長、22.5m 寬雙向四車道、0.06m 厚的高速公路瀝青路面中面層上應(yīng)用直投式PE瀝青混合料改性劑為條件，計算節(jié)能效益情況。

假設(shè)中面層油石比4.76%，根據(jù)經(jīng)驗估算出瀝青混合料數(shù)量約33 萬t。因此，預(yù)估每100km、雙向四車道的高速公路瀝青路面中面層需33萬t瀝青混合料，大約可節(jié)省3.3×105kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

根據(jù)通用的換算標(biāo)準(zhǔn)，在中面層應(yīng)用即可節(jié)省29.27×3.3×105=9.6×106MJ，相當(dāng)于9.6×105度電（擬1元/度電），可節(jié)約能耗費用約96萬元。

因此，在雙向四車道的中面層鋪設(shè)100km 的直投式PE改性瀝青路面，可節(jié)約能耗約96萬元。

5.2 環(huán)保效益分析

5.2.1 減少排放

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤與排放的換算系數(shù)，每100km 雙向四車道的高速公路中面層及上面層，采用直投式PE 瀝青混合料取代傳統(tǒng)的SBS 改性瀝青混合料，大約可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤440t。一噸標(biāo)準(zhǔn)煤大約排放2.6t～2.7t 的CO2，8.5kg 的SO2，7.4kg 的NOX[10]。因此鋪設(shè)100km 的PE 改性瀝青路面中上面層可以減少CO2排放1144t、減少N、S 氧化物排放6.9t（不含路面壽命延長后，節(jié)省養(yǎng)護次數(shù)，降低了因養(yǎng)護造成的交通擁堵而產(chǎn)生的碳排放）。

5.2.2 回收農(nóng)膜

瀝青混凝土成套高新改性劑載體材料部分采用回收農(nóng)膜，解決了“白色、黑色”污染，實現(xiàn)了資源循環(huán)利用。100 km 長、22.5m 寬、0.06m 厚的高速公路中面層使用直投式改性瀝青1050t，若30%來自回收地膜，可解決大約1874 萬m2（約等于2.8 萬畝）的地膜污染問題（按1t 農(nóng)膜=59500m2計算，計算方法：平方米數(shù)乘以0.0015＝畝數(shù)）。

在100 km 長、22.5m 寬、0.06m 厚的高速公路上面層使用直投式改性瀝青750t，若30%來自回收地膜，可解決大約1388萬m2（約等于2萬畝）的地膜污染問題。

因此，在四車道的高速公路上攤鋪100km 的直投式PE 改性瀝青路面中上面層，可大約解決3262 萬m2（約4.8萬畝）的地膜污染問題。

6 結(jié)語

本文根據(jù)相關(guān)試驗，對比分析了SBS改性瀝青混合料和直投式PE改性瀝青混合料高溫性能、低溫性能、耐久性等各項性能。結(jié)果表明，PE 改性劑瀝青混合料各項性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，與SBS改性瀝青混合料相比，PE 改性劑制備的瀝青混合料的高溫性能有明顯改善。通過鋪設(shè)試驗段及工程應(yīng)用，表明直投式PE 改性瀝青路面試驗段的路面基本無破損，抗滑性能、滲水系數(shù)、車轍均達(dá)到100%合格率，總體上滿足要求。

直投式PE 改性劑充分利用可再生資源，減少白色污染，有利于環(huán)境保護，直投式的改性方式相對于傳統(tǒng)的SBS改性瀝青可以減少瀝青的加熱存儲的能耗，節(jié)省工程建設(shè)成本，產(chǎn)生良好的社會效益及經(jīng)濟效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

在本文研究中未對直投式PE改性路面試驗段進行長期監(jiān)測，在后續(xù)工作中需要繼續(xù)對試驗段進行跟蹤監(jiān)測，研究直投式PE改性路面的長期路用性能。