王余鵬，孫 華，孟延藝

(1. 福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(lái)隨著大力推動(dòng)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”區(qū)位紅利的雙向互聯(lián)互通，推進(jìn)暢通“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶的物流、經(jīng)貿(mào)等通道，福建省的公路網(wǎng)絡(luò)隨著交通量的增加，車(chē)輛的重載超載現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，福建省內(nèi)多條公路開(kāi)通不久，就出現(xiàn)了裂縫、松散坑槽、泛油、沉陷、車(chē)轍等缺陷[1]。這不僅會(huì)增加公路養(yǎng)護(hù)的負(fù)擔(dān)，還會(huì)降低公路的整體質(zhì)量，針對(duì)當(dāng)前存在的公路病害，要加大相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)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(duì)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(diǎn)，通過(guò)相關(guān)研究決定采用普適瀝青PS-LINK直投改性劑對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)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(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(diǎn)，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(shè)計(jì)，以及PS-LINK直投改性劑在瀝青路面的具體摻量范圍，為類(lèi)似公路養(yǎng)護(hù)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(jiàn)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(yù)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?yàn)闈袷椒ㄐ枰ㄙM(fèi)一定時(shí)間的運(yùn)輸及儲(chǔ)存改性瀝青的過(guò)程，如果此段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)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(chǔ)存性能下降，路面由于瀝青混合料的熱力學(xué)不穩(wěn)定，出現(xiàn)裂縫、松散坑槽、泛油、沉陷、車(chē)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(jiǎn)化了瀝青混合料運(yùn)輸儲(chǔ)存的生產(chǎn)工序，延長(zhǎng)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(jì)和社會(huì)效益。

1.2 直投改性劑瀝青混合料優(yōu)勢(shì)

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(guò)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(fù)合材料進(jìn)行熔融拌和，簡(jiǎn)化了改性瀝青的配制、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等工序，降低了運(yùn)輸、儲(chǔ)存、能耗等綜合成本，有效節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)[3]，通過(guò)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(shí)直投改性劑作為填充物提高了瀝青混合料的密實(shí)度[4]，改善了抗老化性能，延長(zhǎng)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(guò)礦料之間的剪切將直投改性劑顆粒磨細(xì)均勻混溶于混合料中，而直投改性劑是通過(guò)拌和礦料時(shí)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?yàn)樵诎韬瓦^(guò)程中沒(méi)有改性瀝青的生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生對(duì)周?chē)h(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(chǎng)拌合普適瀝青PS-LINK直投改性劑瀝青混合料的工藝較為簡(jiǎn)單，與常用的普通瀝青混合料的拌合工藝基本相同，該P(yáng)S-LINK直投改性劑的熔體流動(dòng)速率指標(biāo)很穩(wěn)定，通過(guò)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(shí)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(dāng)溫度穩(wěn)定在180～185℃時(shí)，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(shí)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(shí)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(jìn)行拌和，拌和充分直至瀝青混合料均勻，時(shí)間應(yīng)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(yàn)拌和溫度及時(shí)間如表1所示。

表1 直投改性劑瀝青混合料試驗(yàn)拌和溫度、時(shí)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(dòng)速率[6]，呈深淺不同的灰白色，常溫狀態(tài)下為可長(zhǎng)期保存的顆粒物，粒徑5mm左右的扁豆型，燃燒無(wú)氣味，具體物化特征如表2所示。使用時(shí)直接投入拌和設(shè)備中[5]，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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(guò)程中，能夠快速熔融，進(jìn)而嵌擠填充至級(jí)配礦料的空隙中，有效制止了礦料顆粒的相互移動(dòng)，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(guò)拌合后，會(huì)均勻分散在礦料的級(jí)配空隙之間，在溫度和壓力作用下直投改性劑軟化為細(xì)長(zhǎng)扁平形狀，直投改性劑相互之間黏結(jié)呈空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)直投改性劑在礦料之間熔融流動(dòng)，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(qiáng)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(qiáng)的高聚合物材料，在高溫?cái)嚢柘驴膳c基質(zhì)瀝青有效的粘結(jié)融合，進(jìn)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(fù)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(yàn)規(guī)程》指標(biāo)要求的瀝青[8]，本文的瀝青為廈門(mén)新立基股份有限公司生產(chǎn)的70號(hào)A級(jí)普通瀝青。瀝青檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 瀝青檢測(cè)指標(biāo)

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(qiáng)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(xì)料需要優(yōu)質(zhì)的棱角性與堅(jiān)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(jìn)而影響瀝青混合料的級(jí)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(jī)制砂。該細(xì)料棱角性好、無(wú)風(fēng)化，其砂當(dāng)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(wú)各類(lèi)雜質(zhì)、質(zhì)地堅(jiān)硬且耐風(fēng)化的特征，要優(yōu)先選用表面粗糙、棱角性較好、無(wú)細(xì)長(zhǎng)顆粒、無(wú)集料形狀的憎水性集料，并去除各類(lèi)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(xì)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(guò)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(xì)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(fēng)化、沒(méi)雜質(zhì)，且級(jí)配范圍為0～2.36mm的石灰?guī)r材質(zhì)的機(jī)制砂。粗、細(xì)料的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表4和表5。

表4 粗集料試驗(yàn)檢測(cè)表

表5 細(xì)集料試驗(yàn)檢測(cè)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(cāng)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(guò)率大于70%的細(xì)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(dāng)填料，但是劑量不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)礦料總量的2%。瀝青面層拌合料不宜采用回收粉，礦粉試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 礦粉試驗(yàn)檢測(cè)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(shí)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 木質(zhì)素纖維試驗(yàn)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(biāo)配合比設(shè)計(jì)步驟為：先確定各種規(guī)格礦料級(jí)配；再按照選定的礦料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)選配合比，選取不同直投改性劑摻量及不同類(lèi)型的瀝青用量制備馬歇爾試件；根據(jù)馬歇爾試件檢驗(yàn)對(duì)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(biāo)。確定出一個(gè)PS-LINK直投改性劑最佳的添加量，進(jìn)而確定供料倉(cāng)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(jí)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(diǎn)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(yàn)，選取最優(yōu)方案。礦料篩分及合成級(jí)配見(jiàn)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(yīng)用主要受限于不同的級(jí)配類(lèi)型，最大公稱(chēng)粒徑是13mm的礦料級(jí)配對(duì)密級(jí)配瀝青混凝土粗型混合料的壓實(shí)效果影響很大，對(duì)普適瀝青PS-LINK直投改性劑AC-13C瀝青混合料來(lái)說(shuō)，級(jí)配類(lèi)型對(duì)混合料疲勞壽命影響較大。通過(guò)礦料的篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(yàn)合成礦料摻配級(jí)配曲線圖(如圖3所示)。

圖3 礦料摻配級(jí)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(yàn)(雙面擊實(shí)75次)進(jìn)行瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，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(xì)集料混合在一起，所以混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配不宜偏細(xì)。依據(jù)JTGF40-2004關(guān)于瀝青混合料的礦料級(jí)配范圍要求和礦料篩分結(jié)果，借鑒近年來(lái)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(jì)算機(jī)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(duì)比直投改性劑瀝青混合料的指標(biāo)參數(shù)，本文采用普通70號(hào)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(jìn)行綜合性能對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)(如表9所示)。

表9 瀝青混合料四種方案綜合性能試驗(yàn)表

3.3 瀝青混合料綜合性能對(duì)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(biāo)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(biāo)比普通70號(hào)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(biāo)比普通70號(hào)瀝青混合料提高38.26%。瀝青飽和度、流值比普通70號(hào)瀝青混合料明顯提高，與SBS改性瀝青混合料各項(xiàng)路用指標(biāo)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(biāo)明顯降低，說(shuō)明提高了混合料的密實(shí)度，且各項(xiàng)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(jià)站2019年11月份主材指導(dǎo)價(jià)格表的南平地區(qū)的普通瀝青價(jià)格(3779元/噸)與改性瀝青價(jià)格(4805元/噸)，進(jìn)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(jì)指標(biāo)對(duì)比計(jì)算。按照0.25%的摻量計(jì)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(jì)性更明顯。

結(jié)語(yǔ)

本文將普適瀝青PS-LINK直投改性劑的AC—13C瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)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(yàn)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(biāo)效果，同時(shí)應(yīng)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(shí)間。拌和溫度會(huì)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(biāo)不穩(wěn)定；另外如果直投改性劑瀝青混合料的每個(gè)階段的拌和時(shí)間不足，導(dǎo)致直投改性劑顆粒不能嵌擠填充至級(jí)配礦料的空隙中，最終無(wú)法均勻地包裹在礦料表面。

(2)浸水馬歇爾試驗(yàn)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(biāo)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(dāng)。另外添加普適瀝青PS-LINK直投改性可大幅提高普通70號(hào)瀝青混合料的穩(wěn)定性能，0.2%和0.25%穩(wěn)定度是70號(hào)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(yīng)用價(jià)值。

(3)從空隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度和經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shí)踐應(yīng)用前景。