直投式改性沥青混合料的拌合工艺研究

刘 宁，钟海燕，蔺亚敏，王欢欢

(青海省公路科研勘测设计院，青海 西宁 810001)

0 引 言

目前国内道路行业常用的沥青混合料生产工艺主要有两种，一种是传统预拌式成品改性沥青方案，即将成品改性沥青直接注入到集料中拌合生产改性沥青混合料，亦称为湿法工艺；另一种是直投式改性方案，是指先将改性剂添加到集料中干拌，然后再喷入基质沥青生产混合料，亦称干法工艺[1-5]。和传统预拌式改性沥青混合料生产工艺相比，直投式改性方案施工工艺简单，可操作性强，不仅节省了改性沥青生产和储存环节，还可有效避免改性沥青生产过程中因高温高速剪切导致的沥青老化[6-9]。

目前沥青路面铺装常用的直投式改性剂主要包括纤维改性剂和聚烯烃类高模量剂。纤维应用于沥青混合料是借鉴复合材料学理论，将具有高抗拉强度、高弹性模量等优异力学特性的纤维作为增强材料分布于沥青混合料基体中形成复合材料，发挥纤维的增强作用，以提高沥青混合料的强度、抗疲劳等力学特性，减少反射裂缝[10-13]。聚烯烃类高模量剂在法国、德国、意大利等西欧国家得到了广泛的应用，已有近20年的工程应用历史。该添加剂主要用于大交通量、重载、陡坡和匝道等特殊路段，以及气温比较高的地区，经实践检验其抗车辙性能好、稳定而耐久。据相关机构调查显示数据，法国有近百条高速公路的磨耗层或联结层使用聚烯烃类高模量剂，法国路面管理系统的调查数据表明，含有聚烯烃类高模量剂的沥青路面使用状况良好。

本文依托青海省察尔汗—格尔木公路改扩建工程，针对该路段重载交通量较大的特点，采用回收改性聚乙烯(MRPE)作为沥青混合料直投式改性剂，通过改变MRPE的加料顺序，制备得到不同回收聚乙烯改性沥青混合料，通过测试改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性，研究了MRPE的加料顺序对直投式改性沥青混合料路用性能的影响。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料

沥青采用卡拉玛依90#重交沥青，市售，其性能指标如表1所示；回收改性聚乙烯，实验室自制，其化学成分为聚乙烯和无机增强材料。

表1 卡拉玛依90#沥青的物理性能

本文中试验所采用的粗细集料均为石灰石，填料为普通石灰石磨细矿粉，粗细集料和矿粉的性能指标分别如表2～4所示。

表2 粗集料性能检测结果

1.2 直投式改性沥青混合料的制备

本文按照实体工程设计文件要求，在室内试验过程中，采用AC-13连续密级配作为MRPE改性沥青混合料的目标级配，依据筛分结果，确定了其目标配合比，如表5所示。按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)中规定的试验方法，以4.5%作为目标油石比的中值，分别成型油石比为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%的马歇尔试件，通过测试不同油石比下马歇尔试件的体积指标，确定其最佳油石比为4.7%。

表5 MRPE改性沥青混合料的目标级配

表3 细集料性能检测结果

表4 矿粉性能检测结果

1.3 直投式改性沥青混合料的制备

为了研究回收改性聚乙烯(MRPE)的拌合工艺对沥青混合料路用性能的影响，本项目选用的MRPE掺量为沥青混合料用量的0.38%，设计了3种不同的回收改性聚乙烯拌合工艺(A、B、C)以制备回收改性聚乙烯改性沥青混合料，具体如表6所示。其中沥青加热温度为150 ℃～160 ℃，集料加热温度为180 ℃～190 ℃。为对比研究MRPE对基质沥青混合料性能的影响，本文同时制备了未添加MRPE的基质沥青混合料，为便于讨论，本文将其标记为样品A。

表6 回收改性聚乙烯的拌合工艺

1.4 直投式改性沥青混合料的路用性能测试

MRPE直投改性沥青混合料的水稳定性、高温抗车辙性能、低温抗裂性和疲劳性能分别按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中所规定的方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 高温抗车辙性能

图1显示了MRPE的拌合工艺对改性沥青混合料动稳定度的影响。从图1中可以看出，MRPE可以显著提高基质沥青混合料的动稳定度，说明MRPE可以增强基质沥青混合料的高温抗车辙性能。基质沥青混合料的动稳定度为2 200 次·mm-1，而加入MRPE后，改性沥青混合料的动稳定度均超过4 000 次·mm-1，最大甚至超过10 000 次·mm-1，表明MRPE可以显著改善普通沥青混合料的高温抗永久变形能力。

图1 MRPE拌合工艺对混合料高温抗车辙性能的影响

从图1中还可以看出，和拌合工艺C、D相比，拌合工艺B所制备的直投式MRPE改性沥青混合料的动稳定度最高，说明该工艺能在最大程度上发挥MRPE对沥青混合料的改善效果。这主要是因为，在混合料拌合过程中，首先将MRPE与高温烘干后的集料混合，可以使MRPE快速熔化并均匀分散在集料表面，其在混合料体系中的良好分散性，不仅提高了体系的刚性，同时还增强了集料与沥青之间的界面作用，从而显著改善了沥青混合料的高温抗变形能力。

2.2 低温抗裂性

图2显示了MRPE的拌合工艺对改性沥青混合料最大破坏应变的影响。从图2可以看出，MRPE对基质沥青混合料的最大破坏应变有一定的削减作用，表明MRPE对基质沥青混合料的低温抗裂性能有一定的负面影响。这主要是因为，MRPE是一种刚性材料，将其加入到基质沥青混合料体系中之后，对材料的低温柔韧性会有一定的负面作用，从而削弱了其低温抗裂性能。

图2 MRPE拌合工艺对混合料低温抗裂性能的影响

从图2中还可以看出，拌合工艺B对基质沥青混合料低温抗裂性能的负面影响小于拌合工艺C、D。这主要是因为，在混合料拌合过程中，首先将MRPE与高温烘干后的集料混合，可以使MRPE快速熔化并均匀分散在集料表面，然后再与沥青、矿粉拌合，MRPE可以均匀地分散在沥青混合料体系中，而拌合工艺B、C难以使MRPE均匀地分散于沥青混合料体系，因此其对基质沥青混合料低温抗裂性能的负面影响更加明显。

2.3 水稳定性

图3显示了MRPE的拌合工艺对改性沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比的影响。从图3可以看出，向基质沥青混合料中加入MRPE之后，沥青混合料的浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比均呈现增加的趋势，表明MRPE可改善基质沥青混合料的水稳定性。这主要是因为，在高温和机械搅拌作用下，MRPE快速熔化并分散在集料表面，增强了集料与沥青之间的界面作用，因此增强了沥青混合料的水稳定性。

图3 MRPE拌合工艺对水稳定性的影响

从图3中还可以看出，拌合工艺B对沥青混合料水稳定性的改善效果强于拌合工艺C、D。这主要是因为，在拌合过程中，先将MRPE与高温状态下的集料混合搅拌后，MRPE快速熔化并均匀分散在集料表面，能更为显著地增强集料与沥青之间的界面作用，因此其对沥青混合料水稳定性的改善作用更加明显。

2.4 抗疲劳性能

为研究MRPE的拌合工艺对直投式改性沥青混合料抗疲劳性能的影响，本文采用应力控制模式下的四点弯曲试验研究直投式改性沥青混合料的抗疲劳性能。以未加MRPE的基质沥青混合料的最大破坏应力(P)为基准，采用0.2P、0.3P、0.4P和0.5P四种加载应力进行抗疲劳试验，试验结果如表7所示。

表7 MRPE拌合工艺对混合料疲劳性能的影响

从表7中的数据可以看出，MRPE可显著改善改性沥青混合料在不同加载应力比下的疲劳破坏最大循坏次数。由此可见MRPE可有效增强沥青混合料的抗疲劳破坏性能。从表7中的数据还可以看出，拌合工艺B可以使MRPE均匀地分散在沥青混合料体系中，而拌合工艺C、D难以使MRPE均匀地分散于沥青混合料体系。因此拌合工艺B所成型的沥青混合料中沥青与集料之间的界面作用更强，从而赋予其更好的抗疲劳破坏性能。

3 结 语

本文采用实验室自制的改性回收聚乙烯(MRPE)作为沥青混合料直投式改性剂，通过改变MRPE的加料顺序，制备得到不同工艺回收聚乙烯直投式改性沥青混合料，通过测试沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性，研究了MRPE的拌合工艺对直投式改性沥青混合料路用性能的影响。研究结果表明，MRPE可以有效改善基质沥青混合料的路用性能，和另外两种拌合工艺C和D相比，拌合工艺B可以使MRPE快速熔化并均匀分散在集料表面，其在混合料体系中的良好分散性，有效增强了集料与沥青之间的界面作用，从而能更为显著地改善沥青混合料的路用性能。