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(shè)計院，青海 西寧 810001)

0 引 言

目前國內(nèi)道路行業(yè)常用的瀝青混合料生產(chǎn)工藝主要有兩種，一種是傳統(tǒng)預(yù)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(chǎn)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(zhì)瀝青生產(chǎn)混合料，亦稱干法工藝[1-5]。和傳統(tǒng)預(yù)拌式改性瀝青混合料生產(chǎn)工藝相比，直投式改性方案施工工藝簡單，可操作性強(qiáng)，不僅節(jié)省了改性瀝青生產(chǎn)和儲存環(huán)節(jié)，還可有效避免改性瀝青生產(chǎn)過程中因高溫高速剪切導(dǎo)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(yīng)用于瀝青混合料是借鑒復(fù)合材料學(xué)理論，將具有高抗拉強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)異力學(xué)特性的纖維作為增強(qiáng)材料分布于瀝青混合料基體中形成復(fù)合材料，發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用，以提高瀝青混合料的強(qiáng)度、抗疲勞等力學(xué)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(yīng)用，已有近20年的工程應(yīng)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(shí)踐檢驗(yàn)其抗車轍性能好、穩(wěn)定而耐久。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)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(jié)層使用聚烯烴類高模量劑，法國路面管理系統(tǒng)的調(diào)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(kuò)建工程，針對該路段重載交通量較大的特點(diǎn)，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?qū)χ蓖妒礁男詾r青混合料路用性能的影響。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

瀝青采用卡拉瑪依90#重交瀝青，市售，其性能指標(biāo)如表1所示；回收改性聚乙烯，實(shí)驗(yàn)室自制，其化學(xué)成分為聚乙烯和無機(jī)增強(qiáng)材料。

表1 卡拉瑪依90#瀝青的物理性能

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

表2 粗集料性能檢測結(jié)果

1.2 直投式改性瀝青混合料的制備

本文按照實(shí)體工程設(shè)計文件要求，在室內(nèi)試驗(yàn)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(biāo)級配，依據(jù)篩分結(jié)果，確定了其目標(biāo)配合比，如表5所示。按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)中規(guī)定的試驗(yàn)方法，以4.5%作為目標(biāo)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(biāo)，確定其最佳油石比為4.7%。

表5 MRPE改性瀝青混合料的目標(biāo)級配

表3 細(xì)集料性能檢測結(jié)果

表4 礦粉性能檢測結(jié)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(xiàng)目選用的MRPE摻量為瀝青混合料用量的0.38%，設(shè)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(zhì)瀝青混合料性能的影響，本文同時制備了未添加MRPE的基質(zhì)瀝青混合料，為便于討論，本文將其標(biāo)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(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中所規(guī)定的方法進(jìn)行測試。

2 結(jié)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(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度，說明MRPE可以增強(qiáng)基質(zhì)瀝青混合料的高溫抗車轍性能?；|(zhì)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?yàn)椋诨旌狭习韬线^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(qiáng)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(yīng)變的影響。從圖2可以看出，MRPE對基質(zhì)瀝青混合料的最大破壞應(yīng)變有一定的削減作用，表明MRPE對基質(zhì)瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的負(fù)面影響。這主要是因?yàn)?，MRPE是一種剛性材料，將其加入到基質(zhì)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(fù)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(zhì)瀝青混合料低溫抗裂性能的負(fù)面影響小于拌合工藝C、D。這主要是因?yàn)?，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(zhì)瀝青混合料低溫抗裂性能的負(fù)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(qiáng)度比的影響。從圖3可以看出，向基質(zhì)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(qiáng)度比均呈現(xiàn)增加的趨勢，表明MRPE可改善基質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)椋诟邷睾蜋C(jī)械攪拌作用下，MRPE快速熔化并分散在集料表面，增強(qiáng)了集料與瀝青之間的界面作用，因此增強(qiáng)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(qiáng)于拌合工藝C、D。這主要是因?yàn)椋诎韬线^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(qiáng)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(yīng)力控制模式下的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(zhì)瀝青混合料的最大破壞應(yīng)力(P)為基準(zhǔn)，采用0.2P、0.3P、0.4P和0.5P四種加載應(yīng)力進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)，從而賦予其更好的抗疲勞破壞性能。

3 結(jié) 語

本文采用實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明，MRPE可以有效改善基質(zhì)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(qiáng)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。