PR FLEX20抗車轍劑在BBME瀝青面層中的應(yīng)用

李 彬 曾祥育 程 晶

(1.中交一公局集團(tuán)有限公司 北京 102205； 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中非地區(qū)的交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)難以滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。該地區(qū)公路建設(shè)也在快速發(fā)展。然而，常規(guī)瀝青路面已經(jīng)無法適應(yīng)日益增加的交通量及重軸載，通常在道路通車后不久就會(huì)出現(xiàn)車轍、裂縫、沉陷等諸多病害，為了延長路面使用壽命，各國道路工程師也在積極地研究新型路面材料。高模量瀝青混合料(HMA)作為一種先進(jìn)的路面材料，受到了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。這種類型的道路材料，為中非地區(qū)的道路工程建設(shè)提供了捷徑[1]。

相比常規(guī)瀝青混合料，HMA具有更高的勁度模量和優(yōu)異的疲勞壽命，能夠有效地防止或延緩車轍病害的產(chǎn)生和發(fā)展，從而延長路面使用壽命，顯著提高路網(wǎng)的通行能力和運(yùn)營效率[2]。根據(jù)法國NF標(biāo)準(zhǔn)，HMA應(yīng)用于基層或中下面層被稱為EME，應(yīng)用于上面層被稱為BBME。HMA制備方法主要有3種：①采用低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青作為結(jié)合料，與一定級(jí)配的集料在合適溫度拌制而成；②將巖瀝青、湖瀝青等高熔點(diǎn)天然瀝青與石油瀝青混合制備結(jié)合料，采用這種自調(diào)合的結(jié)合料制備HMA；③將聚烯烴類添加劑摻入基質(zhì)瀝青中制備高模量瀝青，與集料拌制形成HMA[3-4]。聚烯烴類化合物主要包括聚乙烯和聚丙烯，是一種熱塑性材料，已廣泛用于生產(chǎn)高模量瀝青混合料[5-6]。

已有研究[7]表明，摻入聚烯烴類添加劑制備而成的HMA，可顯著提高路面的抗車轍性能和抗疲勞性能，減少瀝青路面的早期病害。不同類型的添加劑對(duì)HMA性能的影響則不盡相同。本文依托雅杜高速公路項(xiàng)目一期工程，介紹用于面層添加PR FLEX20抗車轍劑的BBME混合料的路用性能、施工性能及應(yīng)用效果。

1 項(xiàng)目概況

喀麥隆雅溫得至杜阿拉高速公路項(xiàng)目(一期)所處的氣候環(huán)境為典型的非洲熱帶雨林氣候區(qū)，全年降雨量大且集中，日照時(shí)間長且強(qiáng)度高，晝夜溫差較大。項(xiàng)目(一期)全長60 km，項(xiàng)目路面主要采用高模量瀝青混凝土，結(jié)構(gòu)層形式為：6 cm BBME 0/14面層+9 cm EME2 0/20基層+10 cm EME2 0/20底基層+20 cm級(jí)配碎石0/31.5墊層。其中BBME面層使用PR FLEX20抗車轍添加劑。

2 原材料

2.1 瀝青膠結(jié)料

瀝青膠結(jié)料對(duì)HMA混合料性能起到了關(guān)鍵性作用。本項(xiàng)目瀝青面層采用普通50/70基質(zhì)瀝青。50/70基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果見表1，其性質(zhì)滿足法國標(biāo)準(zhǔn)NF EN12591的相關(guān)規(guī)定。

2.2 集料

對(duì)BBME 0/14面層所用集料按照法國規(guī)范進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表2。由表2可見，集料均符合法國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)集料各指標(biāo)的規(guī)定。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.3 PR FLEX20抗車轍劑

PR FLEX20抗車轍劑是法國PRI公司研發(fā)的一種高黏度瀝青混合料添加劑，它能夠?qū)r青進(jìn)行改性，在與瀝青和集料拌和過程中，可以與瀝青發(fā)生溶脹和吸附作用相互融合。瀝青膠結(jié)料中的大分子組分會(huì)相對(duì)增加。添加劑自身高黏性的性質(zhì)被傳遞到瀝青中，在提高瀝青彈性恢復(fù)能力的同時(shí)增強(qiáng)了瀝青與骨料間的黏結(jié)力，從而提高混合料的抗裂、抗拉和抗車轍能力，瀝青路面強(qiáng)度和耐久性也得到了提升。PR FLEX20添加劑性能穩(wěn)定，常溫下可長時(shí)間存儲(chǔ)，且使用方便，采用直投式生產(chǎn)工藝，在瀝青混合料干拌過程中直接加入。并且，該添加劑適用性強(qiáng)，滿足當(dāng)?shù)貧夂?、交通條件，以及公路等級(jí)的道路石油瀝青的改性，適用于BBME、BBM、BBTM、BBA、BBSG、SMA、AC、Superpave等多種混合料，在改性過程中不會(huì)發(fā)生瀝青的氧化，在許多國家得到了廣泛的推廣和良好的應(yīng)用效果。

PR FLEX20添加劑呈顆粒狀，顆粒直徑為2～4 mm，其建議添加量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%。PR FLEX20抗車轍劑產(chǎn)品規(guī)格見表3。

表3 PR FLEX20抗車轍劑產(chǎn)品規(guī)格

使用PR FLEX20抗車轍劑分別對(duì)40/50和50/70基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，在改性前后測(cè)定瀝青技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 基質(zhì)瀝青改性前后技術(shù)指標(biāo)

由表4可見，通過試驗(yàn)檢測(cè)，40/50和50/70基質(zhì)瀝青在摻入PR FLEX20添加劑后針入度明顯降低，軟化點(diǎn)升高，瀝青的彈性恢復(fù)能力有了顯著的提升。40/50瀝青的脆點(diǎn)和塑性指數(shù)也有了一定程度的提高，使瀝青在低溫環(huán)境下不容易脆裂。PR FLEX20添加劑能夠有效提高瀝青在高溫時(shí)的黏度，降低溫度敏感性，增大瀝青的附著力，提高抗剝落及水穩(wěn)定性。改性后瀝青質(zhì)地變硬，混合料流動(dòng)性減弱，使得路面具有良好的高溫抗變形能力。

3 抗車轍混合料性能研究

3.1 PR FLEX20抗車轍混合料最佳摻量

與傳統(tǒng)觀念中骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)更有利于抗車轍不同的是，BBME和EME混合料一般采用懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)充分利用HMA的高模量和優(yōu)異的彈性恢復(fù)能力，使其具備了良好的抗車轍性能。采用細(xì)級(jí)配的HMA混合料動(dòng)穩(wěn)定度通常在5 000次/mm以上，這說明細(xì)級(jí)配并不意味著混合料高溫穩(wěn)定性差[8-9]。雅杜高速一期路面工程所采用的BBME混合料的級(jí)配見表5。

表5 BBME混合料級(jí)配

該項(xiàng)目BBME混合料通過馬歇爾試驗(yàn)方法確定的瀝青用量是4.5%?；贐BME混合料的配合比，分別外摻混合料質(zhì)量0%、0.15%、0.3%和0.45%的PR FLEX20抗車轍劑，制備BBME混合料并進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)路用性能試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合分析并確定其最佳摻量。不同摻量下BBME混合料試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同PR FLEX20摻量的BBME混合料試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)PR FLEX20摻量由0%增至0.30%時(shí)，瀝青飽和度、馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)快速提高；當(dāng)摻量達(dá)到0.30%后繼續(xù)增加，這3項(xiàng)指標(biāo)的增速明顯降低，且水穩(wěn)定性降低。由于更高的PR FLEX20摻量在增加了工程成本的同時(shí)，不能帶來較大的性能指標(biāo)提升，還會(huì)影響施工和易性，導(dǎo)致成型的試件發(fā)硬發(fā)干、易剝落。因此，確定PR FLEX20抗車轍劑的最佳摻量為0.30%。

3.2 不同抗車轍混合料路用性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步探究PR FLEX20抗車轍劑的應(yīng)用特點(diǎn)，本節(jié)將其與RA型抗車轍劑和LY型抗車轍劑進(jìn)行對(duì)比研究，在相同級(jí)配及最佳瀝青用量條件下，分別外摻0.30%的3種抗車轍劑制備瀝青混合料，并通過馬歇爾試驗(yàn)及路用性能試驗(yàn)研究不同類型抗車轍劑對(duì)瀝青混合料路用性能的影響。不同抗車轍劑制備的BBME混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同抗車轍混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，添加3種抗車轍劑后，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度和動(dòng)態(tài)模量均有一定程度的提高。其中，添加PR FLEX20的提升幅度最大。添加抗車轍劑后，PR FLEX20型抗車轍混合料的流值更小，而RA和LY型相比基質(zhì)瀝青混合料，流值增大；PR FLEX20型和LY型抗車轍混合料凍融劈裂強(qiáng)度比明顯提高，且PR FLEX20型水穩(wěn)定性更加優(yōu)越，而RA型抗車轍混合料的水穩(wěn)性能則弱于基質(zhì)瀝青混合料。由此可知，相比RA型和LY型抗車轍混合料，PR FLEX20型抗車轍混合料不僅具有更突出的抗車轍能力，而且其動(dòng)態(tài)模量更高，水穩(wěn)定性更好。

4 BBME混合料應(yīng)用研究

4.1 BBME混合料路用性能驗(yàn)證

摻入PR FLEX20添加劑的BBME混合料，首先按照法國PCG旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)研究其壓實(shí)特性。然后根據(jù)法國標(biāo)準(zhǔn)要求，通過多列士試驗(yàn)、法國輪轍試驗(yàn)、兩點(diǎn)梯形梁復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)對(duì)高模量瀝青混合料的四級(jí)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。BBME混合料相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果及法國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能指標(biāo)的要求見表8。

表8 BBME混合料法國標(biāo)準(zhǔn)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，添加PR FLEX20的BBME混合料均滿足法國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高模量瀝青混合料的四級(jí)指標(biāo)的要求，并且PCG成型的試件空隙率較低，這在一定程度上有利于抵抗水損害，同時(shí)，PR FLEX20改性后的瀝青對(duì)集料的黏附能力更強(qiáng)，這也是BBME混合料水敏感性抗壓強(qiáng)度較高的原因。BBME混合料在60 ℃時(shí)的車轍變形率僅為2.77%，其抵抗車轍變形的能力十分顯著，這確保了BBME瀝青面層具備了良好的高溫穩(wěn)定性，能夠有效減少路面早期病害的產(chǎn)生。BBME瀝青混合料復(fù)數(shù)模量達(dá)到10 592 MPa，其疲勞失效應(yīng)變?yōu)?17.2×10-6。混合料自身具有較高的模量，在相同的荷載下產(chǎn)生應(yīng)變更小，同時(shí)又具有較好的抗疲勞性能，這與瀝青膠結(jié)料突出的彈性恢復(fù)能力密不可分。因此，添加PR FLEX20的BBME混合料具備良好的水穩(wěn)定性、較高的復(fù)數(shù)模量和優(yōu)秀的抗車轍和抗疲勞性能，能夠較好地適應(yīng)喀麥隆雅杜高速高溫、雨季集中的氣候環(huán)境。

4.2 BBME面層攤鋪要點(diǎn)

BBME面層施工前，對(duì)基層表面進(jìn)行清理后，灑布黏層油。將拌和好的瀝青混合料運(yùn)輸過程中覆蓋苫布保溫。施工過程中要嚴(yán)格控制混合料的出廠溫度、攤鋪溫度與碾壓溫度，溫度控制指標(biāo)見表9。

面層施工中，對(duì)行車道8.5 m寬的BBME 0/14面層和緊急停車帶3 m或者3.255 m的BBME使用2輛攤鋪機(jī)同時(shí)攤鋪，攤鋪機(jī)間距不大于30 m。對(duì)于橫向接縫，在攤鋪前，將已攤鋪的瀝青料末端切割整齊，清掃接縫處，對(duì)切口涂刷黏層油，再進(jìn)行攤鋪、碾壓。行車道瀝青面層BBME施工采用平衡梁法來控制攤鋪厚度。攤鋪機(jī)以2.0～2.5 m/min勻速行駛，確保均勻不間斷攤鋪。緊急停車帶BBME攤鋪機(jī)通過內(nèi)側(cè)滑靴走在已攤鋪完成的BBME表面上，外側(cè)采用2.5%橫坡進(jìn)行控制。行車道BBME及緊急停車帶BBME松鋪系數(shù)為1.2，瀝青混合料BBME攤鋪厚度根據(jù)其松鋪系數(shù)確定，以保證壓實(shí)后的厚度為6 cm。

4.3 BBME面層碾壓工藝

改性后PR FLEX20與瀝青發(fā)生融合，相當(dāng)于提高了瀝青混合料中膠結(jié)料的含量。密級(jí)配、高膠結(jié)料用量的BBME混合料具有良好的施工均勻性，相對(duì)來說更易壓實(shí)。BBME面層的碾壓采用初壓、復(fù)壓、終壓的步驟進(jìn)行。具體的碾壓方案見表10。

4.4 質(zhì)量控制與驗(yàn)收

BBME面層施工完成后，按照法國CCTP專項(xiàng)規(guī)范對(duì)路面壓實(shí)度、平整度等進(jìn)行全面檢測(cè)，規(guī)定的質(zhì)量控制指標(biāo)見表11。經(jīng)檢測(cè)，BBME面層壓實(shí)度、縱向和橫向平整度，以及路面高程均滿足CCTP的相關(guān)要求。

5 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性

PR FLEX20添加劑在BBME面層中的應(yīng)用，極大提高了瀝青混凝土的抗車轍性能，改善瀝青混合料的抗疲勞性能，延長道路養(yǎng)護(hù)時(shí)間，延長路面的使用壽命。這進(jìn)一步提高了工程質(zhì)量，滿足項(xiàng)目建設(shè)的質(zhì)量要求。

對(duì)于PK0-PK60路段面層工程建設(shè)，將使用8 cm BBMA3普通瀝青混凝土和使用6 cm添加PR FLEX20的BBME混凝土進(jìn)行對(duì)比分析，工程量和造價(jià)對(duì)比結(jié)果見表12。

表12 PK0-PK60不同類型瀝青混凝土面層對(duì)比分析

由表12可知，在PK0-PK60標(biāo)段應(yīng)用PR FLEX20添加劑，雖然導(dǎo)致瀝青混合料單價(jià)增加，但是減少了約25%的瀝青面層工程量，約合2.76萬m3混凝土，為業(yè)主降低成本約為871萬美元。瀝青面層路面工程量的減少，節(jié)約了施工時(shí)間，同時(shí)降低了能源消耗、減少了碳排放量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

6 結(jié)論

截止2021年底，項(xiàng)目已完成50 km的瀝青面層的施工，完成攤鋪瀝青面層混合料共17.45萬t，其中使用PR FLEX20抗車轍劑523.5 t，累積了大量法國標(biāo)準(zhǔn)下的施工經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)PR FLEX20抗車轍劑和添加PR FLEX20生產(chǎn)的BBME混合料的研究以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析，得出以下結(jié)論。

1)PR FLEX20高黏度添加劑在拌和過程中，可以與瀝青相互融合對(duì)瀝青進(jìn)行改性，增強(qiáng)了瀝青與骨料間的黏結(jié)力，提高瀝青的彈性恢復(fù)能力，從而提高高模量瀝青混合料的高溫抗車轍能力和低溫性能，瀝青路面強(qiáng)度和耐久性也得到了提升。

2)通過路用性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相比RA型和LY型抗車轍混合料，PR FLEX20型抗車轍混合料具有更高的動(dòng)態(tài)模量、更突出的抗車轍能力和水穩(wěn)定性。

3)在喀麥隆雅杜高速一期路面工程中，通過法國標(biāo)準(zhǔn)四級(jí)性能指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，使用PR FLEX20添加劑的BBME混合料具備良好的水穩(wěn)定性、較高的復(fù)數(shù)模量和優(yōu)越的抗車轍和抗疲勞性能，能夠適應(yīng)喀麥隆當(dāng)?shù)馗邷?、多雨和?qiáng)日照的氣候條件。

4)通過現(xiàn)場(chǎng)施工工藝和質(zhì)量控制，BBME面層滿足項(xiàng)目建設(shè)的要求。同時(shí)，它能夠減薄層高，減少工程量，降低整體工程造價(jià)，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。