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摘 要：

通過(guò)直投式聚乙烯改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì), 研究了其路用性能, 主要包括高溫穩(wěn)定性、 低溫抗裂性、 水穩(wěn)定性。結(jié)果表明: 對(duì)比直投式聚乙烯改性瀝青混合料和 SBS 改性瀝青混合料, 直投式聚乙烯改性瀝青混合料油石比相對(duì)于 SBS 改性瀝青混合料少, 約低 0. 1% ~ 0. 2%; 直投式聚乙烯改性瀝青混合料的穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于 SBS改性瀝青混合料高, 動(dòng)穩(wěn)定度約為 SBS 改性瀝青混合料的 1. 3~ 1. 5 倍, 說(shuō)明采用直投式改性對(duì)于高溫穩(wěn)定改善效果顯著; 直投式聚乙烯改性瀝青混合料低溫抗裂性和水穩(wěn)定性均較好, 低溫彎曲破壞應(yīng)變高于規(guī)范要求的 2 500 με, 但彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均低于 SBS 改性瀝青混合料, 對(duì)于低溫影響性能改善不如 SBS 改性明顯; 工程驗(yàn)證的結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果相當(dāng), 表明直投式聚乙烯改性瀝青混合料具有良好的路用性能; 從造價(jià)方面來(lái)說(shuō), 采用直投式聚乙烯改性相對(duì)于 SBS 改性造價(jià)低, 具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值; 直投式瀝青改性劑可直接混入礦料和基質(zhì)瀝青之中, 并通過(guò)混合攪拌等方式產(chǎn)出改性瀝青混合料, 這樣可有效減少改性劑加工、 儲(chǔ)存等諸多繁瑣的環(huán)節(jié), 有效實(shí)現(xiàn)資源和能源成本的節(jié)約, 從而為直投式聚乙烯改性瀝青的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：道路工程; 直投式聚乙烯; 配合比設(shè)計(jì); 路用性能; 高溫穩(wěn)定性; 動(dòng)穩(wěn)定度; 低溫抗裂性; 油石比

０ 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展, 瀝青路面的里程逐年增長(zhǎng), 為了貫徹習(xí)總書(shū)記提出了創(chuàng)新、 協(xié)調(diào)、綠色、 開(kāi)放、 共享的發(fā)展理念, 落實(shí) “四個(gè)交通”發(fā)展要求, 建設(shè)綠色公路, 實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)健康可持續(xù)發(fā)展, 利用廢舊聚乙烯等作為瀝青改性劑不僅能有效節(jié)約改性成本, 而且有益于解決日益沉重的環(huán)保問(wèn)題瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。李駿宇等[1] 利用廢舊聚乙烯作為瀝青添加劑, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方式, 分析廢舊聚乙烯改性瀝青的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 并與基質(zhì)瀝青進(jìn)行比較, 提出了廢舊聚乙烯改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法。方長(zhǎng)青等[2] 以回收的廢棄包裝塑料制品 ( 廢聚乙烯PE) 作為改性劑, 對(duì)普通道路瀝青進(jìn)行改性, 通過(guò)試驗(yàn)研究其路用性能。楊錫武等[3] 研究了裂化生活廢舊塑料與 SBS 改性瀝青及其混合料性能對(duì)比, 并研究了兩種改性劑的摻加工藝。

儲(chǔ)存穩(wěn)定性, 低溫抗裂性等問(wèn)題制約聚乙烯改性瀝青技術(shù)在我國(guó)的推廣應(yīng)用[4]。通過(guò)直投式的改性方式, 可以克服改性瀝青易離析、 質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn), 目前針對(duì)回收的聚乙烯直投式改性劑的研究較少。儲(chǔ)怡[5]分析了瀝青混合料生產(chǎn)中使用直投式改性劑的作用機(jī)理, 并就此提出了改性劑質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)。劉寧等[6] 采用實(shí)驗(yàn)室自制的改性回收聚乙烯作為瀝青混合料直投式改性劑, 通過(guò)改變加料順序, 制備得到不同工藝回收聚乙烯直投式改性瀝青混合料, 研究拌和工藝對(duì)路用性能的影響。裘國(guó)平等[7]利用以回收 PE 為主要材料的新型直投式改性劑制備改性瀝青及混合料, 采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和差示掃描量熱試驗(yàn)分析直投式改性劑, 借助彎曲梁流變?cè)囼?yàn)對(duì)其低溫流變特性進(jìn)行研究, 并對(duì)其路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。姚杏芬[8] 介紹了直投式聚烯烴瀝青改性劑在廣西某高速公路路面工程中的應(yīng)用。

本研究通過(guò)對(duì)直投式聚乙烯改性瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì), 研究其路用性能, 同時(shí)與 SBS 改性進(jìn)行橫向?qū)Ρ? 發(fā)現(xiàn)采用直投式聚乙烯改性具有良好的高溫穩(wěn)定性, 低溫性能亦能滿足要求。通過(guò)工程驗(yàn)證與造價(jià)分析, 發(fā)現(xiàn)直投式聚乙烯改性具有良好的路用性能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值, 從而為直投式聚乙烯改性瀝青的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 直投式聚乙烯改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

1. 1 試驗(yàn)材料

(1) 瀝青

為了驗(yàn)證直投式聚乙烯改性瀝青混合料的性能,選用 70#A 級(jí)道路石油基質(zhì)瀝青, 同時(shí)對(duì)比試驗(yàn)中采用湖北國(guó)創(chuàng) I-D 級(jí) SBS 改性瀝青, 其試驗(yàn)結(jié)果如表 1所示。

(2) 直投式聚乙烯改性劑

直投式聚乙烯改性劑是一種高分子復(fù)合固體顆粒, 主要原材料是再生廢舊塑料, 具有無(wú)毒無(wú)味,耐腐蝕、 不易揮發(fā)、 易于融化和分散等特點(diǎn)。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 3。

(3) 集料

粗集料上面層采用輝綠巖, 中下面層采用石灰?guī)r, 細(xì)集料采用潔凈、 干燥、 無(wú)風(fēng)化無(wú)雜質(zhì)的石灰?guī)r或石灰?guī)r機(jī)制砂, 礦粉為石灰?guī)r礦粉, 粗細(xì)集料及礦粉指標(biāo)如表 4~表 6 所示。

1. 2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)所提供的集料、 礦粉、 瀝青等原材料, 按照瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法和瀝青混合料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)混合料配合比設(shè)計(jì)。上面層采用 SMA-13,中面層采用 AC-20C, 為了對(duì)比直投式聚乙烯改性瀝青混合料和 SBS 改性混合料的性能, 對(duì) 4 種瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì), 直投式改性劑加入量為瀝青混合料質(zhì)量的 0. 3% ~0. 35%。

瀝青瑪蹄脂碎石混合料 SMA 礦料比例為: 1#(10~ 15 mm) ∶ 2#(5~10 mm) ∶ 3#(3~5 mm) ∶ 4#(0~3 mm) ∶ 礦粉 = 38 ∶ 40 ∶ 2 ∶ 10 ∶ 10; 瀝青混合料AC-20C 礦料比例為: ①#( 10 ~ 25 mm) ∶ ②#( 5 ~10 mm) ∶ ③#(3 ~ 5 mm) ∶ ④#(0 ~ 3 mm) ∶ 礦粉 =18 ∶ 42 ∶ 11 ∶ 26 ∶ 3。瀝青瑪蹄脂碎石混合料 SMA-13 和瀝青混合料 AC-20C 的礦料級(jí)配如表 7 所示。

目標(biāo)級(jí)配確定后, 在最佳油石比條件下進(jìn)行混合料性能驗(yàn)證試驗(yàn)。對(duì)于直投式聚乙烯改性瀝青混合料, 采用干拌法[12]進(jìn)行拌和, 直投式聚乙烯改性劑與集料一起加入拌和鍋干拌 30~90 s, 干拌后加入事先準(zhǔn)備好的礦粉和瀝青并濕拌 60 ~ 120 s 。各瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果如表 8 和圖 1 所示。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 不論是采用直投式聚乙烯改性還是采用 SBS 改性的瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。由表 8 和圖 1 可以得出, 直投式聚乙烯改性瀝青混合料相對(duì)于 SBS 改性瀝青混合料的油石比相對(duì)較少, 對(duì)于 SMA 約低 0. 2% ~0. 3%, 對(duì)于 AC 約低 0. 1%左右。直投式聚乙烯改性瀝青混合料穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度相對(duì)于 SBS 改性瀝青混合料高, 特別是動(dòng)穩(wěn)定度提升幅度較大, 直投式聚乙烯改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度約為 SBS 改性瀝青混合料的 1. 3 ~ 1. 5 倍。這主要是因?yàn)橹蓖妒骄垡蚁└男詣┤刍缶鶆蚍稚⒃诩媳砻? 具有良好的分散性, 增大了混合料的內(nèi)摩擦角, 增強(qiáng)了集料與瀝青的界面力, 聚乙烯與熱瀝青混融后有一些柔順卷曲的聚乙烯支鏈相互結(jié)合, 形成立體交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 又復(fù)裹著瀝青褶疊交聯(lián)在一起,從而擴(kuò)大了瀝青黏彈域區(qū)域[13], 從而提高了瀝青混合料的高溫抗變形能力。直投式聚乙烯改性瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變高于規(guī)范要求的不小于 2 500 με,說(shuō)明直投式聚乙烯改性低溫破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變均高于基質(zhì)瀝青, 這主要是因?yàn)榫垡蚁└男缘牡蜏財(cái)嗔秧g性高于基質(zhì)瀝青, 而且直投式聚乙烯改性瀝青對(duì)石料的低溫黏結(jié)能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青。但彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均低于 SBS 改性瀝青混合料, 這主要是因?yàn)橹蓖妒礁男詣┰诎柚七^(guò)程中處于熔融狀態(tài), 在瀝青混合料中起著加筋黏結(jié)作用[14], 低溫條件下由于聚乙烯表現(xiàn)出一定的脆性, 從而導(dǎo)致瀝青混合料的低溫抗裂性能有一定的降低, 而 SBS 改性劑在瀝青中起到應(yīng)力松弛的作用, 使得改性瀝青的 S 值溫度變化速率變小, 可以在較低的溫度下具有較高的應(yīng)力消散能力[15]。通過(guò)室內(nèi)配合比試驗(yàn)可以看出,采用直投式聚乙烯改性具有良好的路用性能。

2 工程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證直投式改性瀝青混合料的使用性能,湖北某高速公路鋪筑了試驗(yàn)段, 通過(guò)對(duì)比直投式聚乙烯改性瀝青與 SBS 改性瀝青試驗(yàn)段的各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo), 更加直觀地了解直投式改性瀝青混合料的使用性能。對(duì)試驗(yàn)段的混合料和路面各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè), 其檢測(cè)結(jié)果如表 9 和表 10 所示。

通過(guò)表 9 可以得出, 采用 SBS 改性和直投式聚乙烯改性瀝青混合料各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范要求, 相對(duì)于基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性、 水穩(wěn)定性有了很大的改善。通過(guò)車轍試驗(yàn)可以得出, 直投式聚乙烯改性對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度改善明顯, 高溫抗車轍性能優(yōu)于 SBS 改性瀝青混合料, 動(dòng)穩(wěn)定度大約為 SBS 改性瀝青混合料的 1. 27 ~ 1. 48 倍。通過(guò)浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比可以看出, 殘留穩(wěn)定度均大于90%, 劈裂強(qiáng)度比大于 80%, 說(shuō)明直投式聚乙烯改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性良好, 與 SBS 改性瀝青混合料相當(dāng)。工程驗(yàn)證的結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)得到的結(jié)論基本一致。

根據(jù)試驗(yàn)段鋪筑后 18 個(gè)月的檢測(cè)結(jié)果, 其主要指標(biāo)如表 10 所示。

檢測(cè)結(jié)果可以看出, 試驗(yàn)段路面的抗滑性能、滲水系數(shù)、 車轍均達(dá)到 100%合格率, 路面破損狀況良好, 基本無(wú)病害, 平整度合格率為 90%以上。由于平整度跟采用何種瀝青混合料無(wú)直接關(guān)聯(lián), 而路面破損、 車轍、 抗滑等指標(biāo)良好, 說(shuō)明直投式改性劑路面具有良好的路面使用性能。

3  工程造價(jià)分析

相對(duì)于傳統(tǒng)的 SBS 改性, 采用直投式聚乙烯改性具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。結(jié)合湖北某高速的應(yīng)用情況來(lái)看。上面層結(jié)構(gòu) SBS 改性瀝青 SMA-13 混合料的油石比為 6%, 由于摻入直投式聚乙烯改性劑后,降低了瀝青混合料約 0. 2%的油石比, 直投式改性劑加入量為瀝青混合料質(zhì)量的 0. 35%。1 t 直投式改性混合料的經(jīng)濟(jì)效益情況如表 11 所示。

由成本分析可知:

(1) 材料成本: 用直投式聚乙烯改性劑替代SBS 改性瀝青后, 由于石料成本保持不變, 節(jié)約瀝青成本即為節(jié)省混合料材料成本。因此上面層每噸混合料可節(jié)約 19. 56 元材料成本。

(2) 能耗成本: 使用直投式聚乙烯改性瀝青混合料出料溫度可降低 10 ~ 15 ℃ , 瀝青儲(chǔ)存溫度降低15 ℃ , 據(jù)此測(cè)算, 使用直投式聚乙烯改性劑每噸混合料可節(jié)省的能源成本約 2. 47 元。

(3) 根據(jù)上述分析, 上面層每噸混合料總成本可節(jié)約 22. 03 元。在 雙 向 4 車 道 的 高 速 上, 鋪 設(shè)100 km 的直投式聚乙烯改性劑上面層 (雙向?yàn)r青鋪設(shè)寬度 22. 5 m, 厚度 4 cm, 總混合料約為 237 600 t),可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為 523. 4 萬(wàn)元。

高速公路的中面層結(jié)構(gòu)一般為 6 cm 的 AC-20C,SBS 改性瀝青 AC-20 混合料的油石比可按 4. 3%計(jì)算,直投式改性劑加入量為瀝青混合料質(zhì)量的 0. 35%。1 t直投式聚乙烯改性混合料的經(jīng)濟(jì)效益情況如表 12 所示。由成本分析可知:

(1) 材料成本: 用直投式聚乙烯改性劑替代SBS 改性瀝青后, 由于石料成本保持不變, 節(jié)約瀝青成本即為節(jié)省混合料材料成本。因此中面層每噸混合料可節(jié)約 6. 47 元材料成本。

(2) 由于每噸混合料節(jié)省能耗成本約 2. 47 元,因此, 中面層每噸混合料總成本可節(jié)省 8. 94 元。

(3) 在雙向 4 車道的高速上, 鋪設(shè) 100 km 的DP 改性劑中面層 (雙向?yàn)r青鋪設(shè)寬度 22. 5 m, 厚度6 cm, 總混合料約為 341 550 t), 可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為 305 萬(wàn)。

4  結(jié)論

(1) 通過(guò)室內(nèi)配合比試驗(yàn)可以看出, 采用直投式聚乙烯改性后的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性好, 動(dòng)穩(wěn)定度約為 SBS 改性瀝青混合料的 1. 3 ~ 1. 5 倍, 說(shuō)明采用直投式改性對(duì)于高溫穩(wěn)定改善效果顯著。

(2) 直投式聚乙烯改性瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變高于規(guī)范要求的 2 500 με, 優(yōu)于基質(zhì)瀝青,但低溫彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變均低于 SBS 改性瀝青混合料, 說(shuō)明對(duì)于低溫影響性能改善不明顯。

(3) 工程驗(yàn)證的結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng), 表明直投式聚乙烯改性瀝青混合料具有良好的路用性能, 動(dòng)穩(wěn)定度改善明顯, 水穩(wěn)定性較好。從造價(jià)方面來(lái)說(shuō), 采用直投式聚乙烯改性相對(duì)于 SBS 改性造價(jià)低, 具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

(4) 直投式瀝青改性劑可直接混入礦料和基質(zhì)瀝青之中, 并通過(guò)混合攪拌等方式產(chǎn)出改性瀝青混合料。這樣可有效減少改性劑加工、 儲(chǔ)存等諸多繁瑣的環(huán)節(jié), 有效實(shí)現(xiàn)資源和能源成本的節(jié)約, 將廢舊的聚乙烯作為一種路用直投式改性劑具有良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益, 有很大的應(yīng)用環(huán)境。

原創(chuàng)作者：劉興東, 張 亮，中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖北 武漢 430056