直投式改性瀝青混合料的拌合工藝研究

劉 寧，鐘海燕，藺亞敏，王歡歡

(青海省公路科研勘測設計院，青海 西寧 810001)

0 引 言

目前國內道路行業(yè)常用的瀝青混合料生產工藝主要有兩種，一種是傳統(tǒng)預拌式成品改性瀝青方案，即將成品改性瀝青直接注入到集料中拌合生產改性瀝青混合料，亦稱為濕法工藝；另一種是直投式改性方案，是指先將改性劑添加到集料中干拌，然后再噴入基質瀝青生產混合料，亦稱干法工藝[1-5]。和傳統(tǒng)預拌式改性瀝青混合料生產工藝相比，直投式改性方案施工工藝簡單，可操作性強，不僅節(jié)省了改性瀝青生產和儲存環(huán)節(jié)，還可有效避免改性瀝青生產過程中因高溫高速剪切導致的瀝青老化[6-9]。

目前瀝青路面鋪裝常用的直投式改性劑主要包括纖維改性劑和聚烯烴類高模量劑。纖維應用于瀝青混合料是借鑒復合材料學理論，將具有高抗拉強度、高彈性模量等優(yōu)異力學特性的纖維作為增強材料分布于瀝青混合料基體中形成復合材料，發(fā)揮纖維的增強作用，以提高瀝青混合料的強度、抗疲勞等力學特性，減少反射裂縫[10-13]。聚烯烴類高模量劑在法國、德國、意大利等西歐國家得到了廣泛的應用，已有近20年的工程應用歷史。該添加劑主要用于大交通量、重載、陡坡和匝道等特殊路段，以及氣溫比較高的地區(qū)，經(jīng)實踐檢驗其抗車轍性能好、穩(wěn)定而耐久。據(jù)相關機構調查顯示數(shù)據(jù)，法國有近百條高速公路的磨耗層或聯(lián)結層使用聚烯烴類高模量劑，法國路面管理系統(tǒng)的調查數(shù)據(jù)表明，含有聚烯烴類高模量劑的瀝青路面使用狀況良好。

本文依托青海省察爾汗—格爾木公路改擴建工程，針對該路段重載交通量較大的特點，采用回收改性聚乙烯(MRPE)作為瀝青混合料直投式改性劑，通過改變MRPE的加料順序，制備得到不同回收聚乙烯改性瀝青混合料，通過測試改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性，研究了MRPE的加料順序對直投式改性瀝青混合料路用性能的影響。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

瀝青采用卡拉瑪依90#重交瀝青，市售，其性能指標如表1所示；回收改性聚乙烯，實驗室自制，其化學成分為聚乙烯和無機增強材料。

表1 卡拉瑪依90#瀝青的物理性能

本文中試驗所采用的粗細集料均為石灰石，填料為普通石灰石磨細礦粉，粗細集料和礦粉的性能指標分別如表2～4所示。

表2 粗集料性能檢測結果

1.2 直投式改性瀝青混合料的制備

本文按照實體工程設計文件要求，在室內試驗過程中，采用AC-13連續(xù)密級配作為MRPE改性瀝青混合料的目標級配，依據(jù)篩分結果，確定了其目標配合比，如表5所示。按照《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)中規(guī)定的試驗方法，以4.5%作為目標油石比的中值，分別成型油石比為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%的馬歇爾試件，通過測試不同油石比下馬歇爾試件的體積指標，確定其最佳油石比為4.7%。

表5 MRPE改性瀝青混合料的目標級配

表3 細集料性能檢測結果

表4 礦粉性能檢測結果

1.3 直投式改性瀝青混合料的制備

為了研究回收改性聚乙烯(MRPE)的拌合工藝對瀝青混合料路用性能的影響，本項目選用的MRPE摻量為瀝青混合料用量的0.38%，設計了3種不同的回收改性聚乙烯拌合工藝(A、B、C)以制備回收改性聚乙烯改性瀝青混合料，具體如表6所示。其中瀝青加熱溫度為150 ℃～160 ℃，集料加熱溫度為180 ℃～190 ℃。為對比研究MRPE對基質瀝青混合料性能的影響，本文同時制備了未添加MRPE的基質瀝青混合料，為便于討論，本文將其標記為樣品A。

表6 回收改性聚乙烯的拌合工藝

1.4 直投式改性瀝青混合料的路用性能測試

MRPE直投改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性、高溫抗車轍性能、低溫抗裂性和疲勞性能分別按照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中所規(guī)定的方法進行測試。

2 結果與討論

2.1 高溫抗車轍性能

圖1顯示了MRPE的拌合工藝對改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響。從圖1中可以看出，MRPE可以顯著提高基質瀝青混合料的動穩(wěn)定度，說明MRPE可以增強基質瀝青混合料的高溫抗車轍性能?；|瀝青混合料的動穩(wěn)定度為2 200 次·mm-1，而加入MRPE后，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度均超過4 000 次·mm-1，最大甚至超過10 000 次·mm-1，表明MRPE可以顯著改善普通瀝青混合料的高溫抗永久變形能力。

圖1 MRPE拌合工藝對混合料高溫抗車轍性能的影響

從圖1中還可以看出，和拌合工藝C、D相比，拌合工藝B所制備的直投式MRPE改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度最高，說明該工藝能在最大程度上發(fā)揮MRPE對瀝青混合料的改善效果。這主要是因為，在混合料拌合過程中，首先將MRPE與高溫烘干后的集料混合，可以使MRPE快速熔化并均勻分散在集料表面，其在混合料體系中的良好分散性，不僅提高了體系的剛性，同時還增強了集料與瀝青之間的界面作用，從而顯著改善了瀝青混合料的高溫抗變形能力。

2.2 低溫抗裂性

圖2顯示了MRPE的拌合工藝對改性瀝青混合料最大破壞應變的影響。從圖2可以看出，MRPE對基質瀝青混合料的最大破壞應變有一定的削減作用，表明MRPE對基質瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的負面影響。這主要是因為，MRPE是一種剛性材料，將其加入到基質瀝青混合料體系中之后，對材料的低溫柔韌性會有一定的負面作用，從而削弱了其低溫抗裂性能。

圖2 MRPE拌合工藝對混合料低溫抗裂性能的影響

從圖2中還可以看出，拌合工藝B對基質瀝青混合料低溫抗裂性能的負面影響小于拌合工藝C、D。這主要是因為，在混合料拌合過程中，首先將MRPE與高溫烘干后的集料混合，可以使MRPE快速熔化并均勻分散在集料表面，然后再與瀝青、礦粉拌合，MRPE可以均勻地分散在瀝青混合料體系中，而拌合工藝B、C難以使MRPE均勻地分散于瀝青混合料體系，因此其對基質瀝青混合料低溫抗裂性能的負面影響更加明顯。

2.3 水穩(wěn)定性

圖3顯示了MRPE的拌合工藝對改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比的影響。從圖3可以看出，向基質瀝青混合料中加入MRPE之后，瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均呈現(xiàn)增加的趨勢，表明MRPE可改善基質瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這主要是因為，在高溫和機械攪拌作用下，MRPE快速熔化并分散在集料表面，增強了集料與瀝青之間的界面作用，因此增強了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

圖3 MRPE拌合工藝對水穩(wěn)定性的影響

從圖3中還可以看出，拌合工藝B對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果強于拌合工藝C、D。這主要是因為，在拌合過程中，先將MRPE與高溫狀態(tài)下的集料混合攪拌后，MRPE快速熔化并均勻分散在集料表面，能更為顯著地增強集料與瀝青之間的界面作用，因此其對瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善作用更加明顯。

2.4 抗疲勞性能

為研究MRPE的拌合工藝對直投式改性瀝青混合料抗疲勞性能的影響，本文采用應力控制模式下的四點彎曲試驗研究直投式改性瀝青混合料的抗疲勞性能。以未加MRPE的基質瀝青混合料的最大破壞應力(P)為基準，采用0.2P、0.3P、0.4P和0.5P四種加載應力進行抗疲勞試驗，試驗結果如表7所示。

表7 MRPE拌合工藝對混合料疲勞性能的影響

從表7中的數(shù)據(jù)可以看出，MRPE可顯著改善改性瀝青混合料在不同加載應力比下的疲勞破壞最大循壞次數(shù)。由此可見MRPE可有效增強瀝青混合料的抗疲勞破壞性能。從表7中的數(shù)據(jù)還可以看出，拌合工藝B可以使MRPE均勻地分散在瀝青混合料體系中，而拌合工藝C、D難以使MRPE均勻地分散于瀝青混合料體系。因此拌合工藝B所成型的瀝青混合料中瀝青與集料之間的界面作用更強，從而賦予其更好的抗疲勞破壞性能。

3 結 語

本文采用實驗室自制的改性回收聚乙烯(MRPE)作為瀝青混合料直投式改性劑，通過改變MRPE的加料順序，制備得到不同工藝回收聚乙烯直投式改性瀝青混合料，通過測試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性，研究了MRPE的拌合工藝對直投式改性瀝青混合料路用性能的影響。研究結果表明，MRPE可以有效改善基質瀝青混合料的路用性能，和另外兩種拌合工藝C和D相比，拌合工藝B可以使MRPE快速熔化并均勻分散在集料表面，其在混合料體系中的良好分散性，有效增強了集料與瀝青之間的界面作用，從而能更為顯著地改善瀝青混合料的路用性能。