干拌直投PS-LINK改性瀝青混合料路用性能試驗研究

王余鵬，孫 華，孟延藝

(1. 福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，福建南平353000; 2.南平市成功瀝青混凝土有限公司，福建南平353000)

近年來隨著大力推動“絲綢之路經(jīng)濟帶”區(qū)位紅利的雙向互聯(lián)互通，推進暢通“一帶一路”經(jīng)濟帶的物流、經(jīng)貿(mào)等通道，福建省的公路網(wǎng)絡隨著交通量的增加，車輛的重載超載現(xiàn)象越來越嚴重，福建省內(nèi)多條公路開通不久，就出現(xiàn)了裂縫、松散坑槽、泛油、沉陷、車轍等缺陷[1]。這不僅會增加公路養(yǎng)護的負擔，還會降低公路的整體質(zhì)量，針對當前存在的公路病害，要加大相應的養(yǎng)護力度。除了改變路面結(jié)構(gòu)和調(diào)配原材料外，添加直投料改性劑高聚合物也是一種有效的方法，本文針對福建南平地區(qū)的特殊氣候、交通荷載環(huán)境的瀝青路面特點，通過相關(guān)研究決定采用普適瀝青PS-LINK直投改性劑對其進行養(yǎng)護施工處理。將普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的路用性能，與普通瀝青混合料、改性瀝青混合料的指標進行數(shù)據(jù)對比，并結(jié)合福建南平地區(qū)高溫多雨、重載交通的公路特點，確定了普適瀝青PS-LINK直投改性瀝青混合料的路用配合比設計，以及PS-LINK直投改性劑在瀝青路面的具體摻量范圍，為類似公路養(yǎng)護提供部分參考。

1 直投改性劑瀝青混合料的特性

1.1 直投改性劑瀝青混合料概述

瀝青混合料的生產(chǎn)方法不同，常見瀝青混凝料的生產(chǎn)方法分為濕式法與干式法[2]。濕式法是指在工廠預先制造成品的改性瀝青，然后將改性瀝青加熱與礦料拌和，因為濕式法需要花費一定時間的運輸及儲存改性瀝青的過程，如果此段時間過長會造成改性劑與基質(zhì)瀝青發(fā)生變質(zhì)老化，致使改性劑解離和儲存性能下降，路面由于瀝青混合料的熱力學不穩(wěn)定，出現(xiàn)裂縫、松散坑槽、泛油、沉陷、車轍等缺陷[1]。干式法是先將礦料先加熱拌和，然后加入直投改性劑，待直投改性劑熔融，加入基質(zhì)瀝青，這種直投式瀝青混合料技術(shù)，簡化了瀝青混合料運輸儲存的生產(chǎn)工序，延長了混合料的壽命，降低了制作改性瀝青的成本，具有更大的經(jīng)濟和社會效益。

1.2 直投改性劑瀝青混合料優(yōu)勢

直投改性劑瀝青混合料主要由基質(zhì)瀝青、不同粒徑的礦料、礦粉、木質(zhì)素纖維及直投改性劑等多種性能材料組成，其中直投改性劑在拌制瀝青混合料的過程中起到了以下的作用和性能：

1.2.1 直投改性劑瀝青混合料在礦料加熱拌和后，直接投入復合材料進行熔融拌和，簡化了改性瀝青的配制、運輸、儲存等工序，降低了運輸、儲存、能耗等綜合成本，有效節(jié)省了生產(chǎn)時間，提高了施工速度。

1.2.2 直投改性劑瀝青混合料在滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》路用性能標準的同時[3]，通過直投改性劑，提高了瀝青與礦物材料的粘聚性結(jié)合能力，改善了瀝青混合料的彈性及變形性能[4]。同時直投改性劑作為填充物提高了瀝青混合料的密實度[4]，改善了抗老化性能，延長了瀝青混合料公路的使用年限。

1.2.3 直投改性劑瀝青混合料通過礦料之間的剪切將直投改性劑顆粒磨細均勻混溶于混合料中，而直投改性劑是通過拌和礦料時的溫度使其熔融，隨著瀝青混合料的攪拌使直投改性劑粘結(jié)在礦料上，因為在拌和過程中沒有改性瀝青的生產(chǎn)過程，進而不會產(chǎn)生對周圍環(huán)境造成污染的氮、硫氧化物等有害成分，一定程度上起到了節(jié)能環(huán)保作用。

1.3 普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料拌和流程

現(xiàn)場拌合普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的工藝較為簡單，與常用的普通瀝青混合料的拌合工藝基本相同，該PS-LINK直投改性劑的熔體流動速率指標很穩(wěn)定，通過礦料的剪切作用快速分散粘結(jié)在礦料表面，形成彈性、變形良好的密實網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。具體工藝如圖1所示，(1)礦料邊加熱邊攪拌，當溫度穩(wěn)定在180～185℃時，均勻的投放直投改性劑，并保證直投改性劑與礦料有15～20s的充分拌和時間。(2)加入事先加熱至160～165℃的流體瀝青繼續(xù)攪拌，濕拌和時間為35～45s以上。要求拌和的瀝青要均勻地包裹在礦料上。(3)最后投入堿性石料礦粉進行拌和，拌和充分直至瀝青混合料均勻，時間應在50s以上。(4)瀝青混合料的出鍋溫度控制在165～175℃[5]。其中直投改性劑瀝青混合料的試驗拌和溫度及時間如表1所示。

表1 直投改性劑瀝青混合料試驗拌和溫度、時間表

圖1 直投改性劑瀝青混合料拌和流程

2直投改性劑瀝青混合料原材料的技術(shù)要求

2.1 普適瀝青PS-LINK直投改性劑

直投改性劑材料具有較高的熔體流動速率[6]，呈深淺不同的灰白色，常溫狀態(tài)下為可長期保存的顆粒物，粒徑5mm左右的扁豆型，燃燒無氣味，具體物化特征如表2所示。使用時直接投入拌和設備中[5]，生產(chǎn)工藝簡易。在礦料的剪切、攪拌作用下，普適瀝青PS-LINK直投改性劑能夠快速熔融，具有以下作用：

2.1.1 普適瀝青PS-LINK直投改性劑顆粒在高溫的礦料拌合過程中，能夠快速熔融，進而嵌擠填充至級配礦料的空隙中，有效制止了礦料顆粒的相互移動，因而提高了普適瀝青PS-LINK直投改性混合料的高溫狀態(tài)穩(wěn)定度及水密性能[6]。

2.1.2 普適瀝青PS-LINK直投改性劑經(jīng)過拌合后，會均勻分散在礦料的級配空隙之間，在溫度和壓力作用下直投改性劑軟化為細長扁平形狀，直投改性劑相互之間黏結(jié)呈空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。同時直投改性劑在礦料之間熔融流動，均勻地包裹在礦料表面[6]，有效提高了普適瀝青PS-LINK直投改性劑與基質(zhì)瀝青之間的黏結(jié)力和整體性，起到了加筋及膠結(jié)作用，從而提高了瀝青混合料整體強度和抗水損壞性能[7]。

2.1.3 普適瀝青PS-LINK直投改性劑為黏度極強的高聚合物材料，在高溫攪拌下可與基質(zhì)瀝青有效的粘結(jié)融合，進而提高了高溫情況下直投改性劑瀝青混合料公路路面的彈性恢復和抗變形能力[6]。

表2 普適瀝青PS-LINK直投改性劑物化特征

2.2 瀝青

根據(jù)福建南平地區(qū)的公路路面瀝青使用技術(shù)要求，選擇滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》指標要求的瀝青[8]，本文的瀝青為廈門新立基股份有限公司生產(chǎn)的70號A級普通瀝青。瀝青檢測指標見表3。

表3 瀝青檢測指標

2.3 礦料

2.3.1 在直投改性劑瀝青混合料中，粗料起到了支撐骨架作用，要求粗料形狀方正以滿足鏡面磨光值要求，形狀方正的粗料可以加強直投改性劑瀝青混合料的黏附性，減少顆粒脫落及水分的滲入。

2.3.2 細料需要優(yōu)質(zhì)的棱角性與堅固性，由于天然砂外觀棱角質(zhì)量不易控制，與瀝青的粘附性較差，進而影響瀝青混合料的級配結(jié)構(gòu)。為此采用粒徑范圍為小于2.36mm石灰?guī)r碎石加工而成的機制砂。該細料棱角性好、無風化，其砂當量約在75%～85%，摻配比例約占13%。

2.3.3 直投改性劑瀝青混合料所選的礦料，必須具有表面干燥、無各類雜質(zhì)、質(zhì)地堅硬且耐風化的特征，要優(yōu)先選用表面粗糙、棱角性較好、無細長顆粒、無集料形狀的憎水性集料，并去除各類有害物質(zhì)，保證其表面不能黏附部分夾層以免影響集料和瀝青之間的粘結(jié)作用。

結(jié)合上述粗、細料要求，并考慮福建南平地區(qū)某段公路工程的瀝青AC-13C面層的的磨光值要求，擇優(yōu)使用具有良好的耐磨性質(zhì)的玄武巖材質(zhì)的石料作為粗集料。為保證集料與瀝青的粘附效果，本文采用三明尤溪縣坂兜村碎石廠生產(chǎn)的粗集料，粗料的最大粒徑不超過16.0mm，選擇2.36～4.75mm、4.75～9.5mm和9.5～16.0mm三種規(guī)格碎石;細集料采用三明尤溪縣坂兜村碎石廠生產(chǎn)的潔凈、干燥、未風化、沒雜質(zhì)，且級配范圍為0～2.36mm的石灰?guī)r材質(zhì)的機制砂。粗、細料的試驗檢測結(jié)果詳見表4和表5。

表4 粗集料試驗檢測表

表5 細集料試驗檢測表

2.4 礦粉

直投改性劑瀝青混合料礦粉選用石灰?guī)r、巖漿巖等憎水石料磨制而成，要求干燥、干凈，可從料倉自由流入，本文采用三明尤溪縣東方新源白鈣石粉廠生產(chǎn)的0.075mm礦粉，且其通過率大于70%的細石灰優(yōu)質(zhì)礦粉。為提升瀝青拌合料與集料的粘附性，也可采用一定量的水泥、消解石灰粉當填料，但是劑量不應超過設計礦料總量的2%。瀝青面層拌合料不宜采用回收粉，礦粉試驗檢測結(jié)果見表6。

表6 礦粉試驗檢測表

2.5 木質(zhì)素纖維

使用木質(zhì)素纖維作為纖維穩(wěn)定劑，用量占混合料總量的0.3%，粉膠比約為1.8～2.0。采用上海鞏瑞實業(yè)有限公司生產(chǎn)的瀝青路面用絮狀木質(zhì)素纖維。試驗結(jié)果見表7。

表7 木質(zhì)素纖維試驗表

3 直投改性劑瀝青混合料配合比及其摻量范圍確定

普適瀝青PS-LINK直投改性劑目標配合比設計步驟為：先確定各種規(guī)格礦料級配；再按照選定的礦料級配進行優(yōu)選配合比，選取不同直投改性劑摻量及不同類型的瀝青用量制備馬歇爾試件；根據(jù)馬歇爾試件檢驗對比不同PS-LINK直投改性劑添加量的混合料穩(wěn)定度、流值、孔隙率、飽和度等指標。確定出一個PS-LINK直投改性劑最佳的添加量，進而確定供料倉的使用的生產(chǎn)配合比。直投改性劑的配合比及其摻量范圍確定流程如圖2所示。

圖2 直投改性劑瀝青混合料配合比流程圖

3.1 礦料級配控制

考慮福建南平地區(qū)高溫、多雨潮濕特有的氣候，以及重載超載的交通特征，重點優(yōu)化完善普適瀝青PS-LINK直投改性劑AC-13C瀝青混合料的抗高溫、抗水損害等性能，結(jié)合已有經(jīng)驗，選取最優(yōu)方案。礦料篩分及合成級配見表8。

表8 直投改性瀝青混合料的礦料篩分表

瀝青混合料技術(shù)應用主要受限于不同的級配類型，最大公稱粒徑是13mm的礦料級配對密級配瀝青混凝土粗型混合料的壓實效果影響很大，對普適瀝青PS-LINK直投改性劑AC-13C瀝青混合料來說，級配類型對混合料疲勞壽命影響較大。通過礦料的篩分試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，繪制出普適瀝青PS-LINK直投改性劑AC-13C瀝青混合料的試驗合成礦料摻配級配曲線圖(如圖3所示)。

圖3 礦料摻配級配曲線圖

3.2 瀝青及直投改性劑用量控制

福建南平地區(qū)主要是采用馬歇爾試驗(雙面擊實75次)進行瀝青混合料的配合比設計，考慮一部分的普適瀝青PS-LINK直投改性劑顆粒作為填料與細集料混合在一起，所以混合料的設計級配不宜偏細。依據(jù)JTGF40-2004關(guān)于瀝青混合料的礦料級配范圍要求和礦料篩分結(jié)果，借鑒近年來福建南平地區(qū)AC-13C型改性瀝青混合料的科研成果，利用計算機技術(shù)最終確定礦料配合比為11～16mm：6～11mm：4～6mm：0～4mm：礦粉=25:28:14:27:6，其中纖維穩(wěn)定劑的摻量為瀝青混合料的0.3%[9]，選擇最佳油石比4.9%按上述條件成型AC-13C瀝青混合料試件。為了對比直投改性劑瀝青混合料的指標參數(shù)，本文采用普通70號瀝青混合料(方案1)、SBS改性瀝青混合料(方案2)、摻量0.2%普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料(方案3)和摻量0.25%普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料(方案4)等四種方案進行綜合性能對比驗證試驗(如表9所示)。

表9 瀝青混合料四種方案綜合性能試驗表

3.3 瀝青混合料綜合性能對比

結(jié)果表明，普適瀝青PS-LINK直投改性劑的AC—13C瀝青混合料已經(jīng)接近SBS改性瀝青混合料工程路用性能，具體如下：

(1)普適瀝青PS-LINK直投改性劑的使用劑量在0.2%-0.25%的摻量范圍內(nèi)，使用劑量與混合料性能之間具有正比關(guān)系，且從0.25%的摻量直投改性劑瀝青混合料的瀝青飽和度、穩(wěn)定度及流值指標等已經(jīng)接近SBS改性瀝青混合料工程路用性能。

(2)摻量為0.2%的PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的穩(wěn)定度路用指標比普通70號瀝青混合料提高了28.97%，摻量為0.25%的PS-LINK直投改性劑瀝青混合料穩(wěn)定度路用指標比普通70號瀝青混合料提高38.26%。瀝青飽和度、流值比普通70號瀝青混合料明顯提高，與SBS改性瀝青混合料各項路用指標基本相符。另外摻有PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的空隙率指標明顯降低，說明提高了混合料的密實度，且各項路用性能隨著直投改性劑摻量的增加而明顯提高。

(3)根據(jù)福建省交通造價站2019年11月份主材指導價格表的南平地區(qū)的普通瀝青價格(3779元/噸)與改性瀝青價格(4805元/噸)，進行普適瀝青PS-LINK直投改性劑(15200元/噸)的AC—13C瀝青混合料經(jīng)濟指標對比計算。按照0.25%的摻量計算結(jié)果為：每立方PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的成本，比SBS改性瀝青混合料節(jié)省23.27元(每噸節(jié)約10元左右)，若按照0.2%的摻量其經(jīng)濟性更明顯。

結(jié)語

本文將普適瀝青PS-LINK直投改性劑的AC—13C瀝青混合料進行路用性能試驗，經(jīng)試驗研究表明使用劑量在0.2%-0.25%的摻量范圍，可以代替SBS改性瀝青混合料工程的路用。

(1)試驗表明普適瀝青PS-LINK直投改性劑的摻量影響普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料指標效果，同時應該綜合分析PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的改性效果，比如PS-LINK直投改性劑的拌和溫度及時間。拌和溫度會影響普適瀝青PS-LINK直投改性劑的效果發(fā)揮，溫度太低PS-LINK直投改性劑顆粒熔融較差，基質(zhì)瀝青改性指標不穩(wěn)定；另外如果直投改性劑瀝青混合料的每個階段的拌和時間不足，導致直投改性劑顆粒不能嵌擠填充至級配礦料的空隙中，最終無法均勻地包裹在礦料表面。

(2)浸水馬歇爾試驗結(jié)果表明，普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的水穩(wěn)定性指標良好，其中0.2%和0.25%穩(wěn)定度比分別為11.53KN、12.36KN，基本與SBS改性瀝青混合料12.87KN參數(shù)相當。另外添加普適瀝青PS-LINK直投改性可大幅提高普通70號瀝青混合料的穩(wěn)定性能，0.2%和0.25%穩(wěn)定度是70號普通瀝青混合料的1.28倍和1.38倍，其瀝青混合料性能良好，具有較好的路用推廣應用價值。

(3)從空隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度和經(jīng)濟成本等方面，研究了普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明普適瀝青PS-LINK直投改性劑有較小的空隙率及礦料間隙率，從而使密實度在增加，尤其適用于福建南平高溫多雨、重載交通地區(qū)，具有廣闊的工程實踐應用前景。