摘 要：

通过直投式聚乙烯改性沥青混合料配合比设计, 研究了其路用性能, 主要包括高温稳定性、 低温抗裂性、 水稳定性。结果表明: 对比直投式聚乙烯改性沥青混合料和 SBS 改性沥青混合料, 直投式聚乙烯改性沥青混合料油石比相对于 SBS 改性沥青混合料少, 约低 0. 1% ~ 0. 2%; 直投式聚乙烯改性沥青混合料的稳定度和动稳定度相对于 SBS改性沥青混合料高, 动稳定度约为 SBS 改性沥青混合料的 1. 3~ 1. 5 倍, 说明采用直投式改性对于高温稳定改善效果显著; 直投式聚乙烯改性沥青混合料低温抗裂性和水稳定性均较好, 低温弯曲破坏应变高于规范要求的 2 500 με, 但弯拉强度和弯拉应变均低于 SBS 改性沥青混合料, 对于低温影响性能改善不如 SBS 改性明显; 工程验证的结果与室内试验的结果相当, 表明直投式聚乙烯改性沥青混合料具有良好的路用性能; 从造价方面来说, 采用直投式聚乙烯改性相对于 SBS 改性造价低, 具有良好的经济价值; 直投式沥青改性剂可直接混入矿料和基质沥青之中, 并通过混合搅拌等方式产出改性沥青混合料, 这样可有效减少改性剂加工、 储存等诸多繁琐的环节, 有效实现资源和能源成本的节约, 从而为直投式聚乙烯改性沥青的应用提供技术基础。

关键词：道路工程; 直投式聚乙烯; 配合比设计; 路用性能; 高温稳定性; 动稳定度; 低温抗裂性; 油石比

０ 引言

随着我国交通事业的迅猛发展, 沥青路面的里程逐年增长, 为了贯彻习总书记提出了创新、 协调、绿色、 开放、 共享的发展理念, 落实 “四个交通”发展要求, 建设绿色公路, 实现公路建设健康可持续发展, 利用废旧聚乙烯等作为沥青改性剂不仅能有效节约改性成本, 而且有益于解决日益沉重的环保问题沥青网sinoasphalt.com。李骏宇等[1] 利用废旧聚乙烯作为沥青添加剂, 通过实验室试验的方式, 分析废旧聚乙烯改性沥青的试验数据, 并与基质沥青进行比较, 提出了废旧聚乙烯改性沥青混合料的配合比设计方法。方长青等[2] 以回收的废弃包装塑料制品 ( 废聚乙烯PE) 作为改性剂, 对普通道路沥青进行改性, 通过试验研究其路用性能。杨锡武等[3] 研究了裂化生活废旧塑料与 SBS 改性沥青及其混合料性能对比, 并研究了两种改性剂的掺加工艺。

储存稳定性, 低温抗裂性等问题制约聚乙烯改性沥青技术在我国的推广应用[4]。通过直投式的改性方式, 可以克服改性沥青易离析、 质量不稳定等缺点, 目前针对回收的聚乙烯直投式改性剂的研究较少。储怡[5]分析了沥青混合料生产中使用直投式改性剂的作用机理, 并就此提出了改性剂质量控制的关键指标。刘宁等[6] 采用实验室自制的改性回收聚乙烯作为沥青混合料直投式改性剂, 通过改变加料顺序, 制备得到不同工艺回收聚乙烯直投式改性沥青混合料, 研究拌和工艺对路用性能的影响。裘国平等[7]利用以回收 PE 为主要材料的新型直投式改性剂制备改性沥青及混合料, 采用动态剪切流变试验和差示扫描量热试验分析直投式改性剂, 借助弯曲梁流变试验对其低温流变特性进行研究, 并对其路用性能进行评价。姚杏芬[8] 介绍了直投式聚烯烃沥青改性剂在广西某高速公路路面工程中的应用。

本研究通过对直投式聚乙烯改性沥青混合料进行配合比设计, 研究其路用性能, 同时与 SBS 改性进行横向对比, 发现采用直投式聚乙烯改性具有良好的高温稳定性, 低温性能亦能满足要求。通过工程验证与造价分析, 发现直投式聚乙烯改性具有良好的路用性能和经济价值, 从而为直投式聚乙烯改性沥青的应用提供技术基础。

1 直投式聚乙烯改性沥青混合料配合比设计

1. 1 试验材料

(1) 沥青

为了验证直投式聚乙烯改性沥青混合料的性能,选用 70#A 级道路石油基质沥青, 同时对比试验中采用湖北国创 I-D 级 SBS 改性沥青, 其试验结果如表 1所示。

(2) 直投式聚乙烯改性剂

直投式聚乙烯改性剂是一种高分子复合固体颗粒, 主要原材料是再生废旧塑料, 具有无毒无味,耐腐蚀、 不易挥发、 易于融化和分散等特点。其主要技术指标见表 3。

(3) 集料

粗集料上面层采用辉绿岩, 中下面层采用石灰岩, 细集料采用洁净、 干燥、 无风化无杂质的石灰岩或石灰岩机制砂, 矿粉为石灰岩矿粉, 粗细集料及矿粉指标如表 4~表 6 所示。

1. 2 沥青混合料配合比设计

根据所提供的集料、 矿粉、 沥青等原材料, 按照沥青混合料级配设计方法和沥青混合料评价标准进行室内混合料配合比设计。上面层采用 SMA-13,中面层采用 AC-20C, 为了对比直投式聚乙烯改性沥青混合料和 SBS 改性混合料的性能, 对 4 种沥青混合料进行配合比设计, 直投式改性剂加入量为沥青混合料质量的 0. 3% ~0. 35%。

沥青玛蹄脂碎石混合料 SMA 矿料比例为: 1#(10~ 15 mm) ∶ 2#(5~10 mm) ∶ 3#(3~5 mm) ∶ 4#(0~3 mm) ∶ 矿粉 = 38 ∶ 40 ∶ 2 ∶ 10 ∶ 10; 沥青混合料AC-20C 矿料比例为: ①#( 10 ~ 25 mm) ∶ ②#( 5 ~10 mm) ∶ ③#(3 ~ 5 mm) ∶ ④#(0 ~ 3 mm) ∶ 矿粉 =18 ∶ 42 ∶ 11 ∶ 26 ∶ 3。沥青玛蹄脂碎石混合料 SMA-13 和沥青混合料 AC-20C 的矿料级配如表 7 所示。

目标级配确定后, 在最佳油石比条件下进行混合料性能验证试验。对于直投式聚乙烯改性沥青混合料, 采用干拌法[12]进行拌和, 直投式聚乙烯改性剂与集料一起加入拌和锅干拌 30~90 s, 干拌后加入事先准备好的矿粉和沥青并湿拌 60 ~ 120 s 。各沥青混合料性能试验结果如表 8 和图 1 所示。

通过试验结果可以看出, 不论是采用直投式聚乙烯改性还是采用 SBS 改性的沥青混合料均满足规范要求。由表 8 和图 1 可以得出, 直投式聚乙烯改性沥青混合料相对于 SBS 改性沥青混合料的油石比相对较少, 对于 SMA 约低 0. 2% ~0. 3%, 对于 AC 约低 0. 1%左右。直投式聚乙烯改性沥青混合料稳定度和动稳定度相对于 SBS 改性沥青混合料高, 特别是动稳定度提升幅度较大, 直投式聚乙烯改性沥青混合料的动稳定度约为 SBS 改性沥青混合料的 1. 3 ~ 1. 5 倍。这主要是因为直投式聚乙烯改性剂熔化后均匀分散在集料表面, 具有良好的分散性, 增大了混合料的内摩擦角, 增强了集料与沥青的界面力, 聚乙烯与热沥青混融后有一些柔顺卷曲的聚乙烯支链相互结合, 形成立体交联网状结构, 又复裹着沥青褶叠交联在一起,从而扩大了沥青黏弹域区域[13], 从而提高了沥青混合料的高温抗变形能力。直投式聚乙烯改性沥青混合料的低温弯曲破坏应变高于规范要求的不小于 2 500 με,说明直投式聚乙烯改性低温破坏应力和破坏应变均高于基质沥青, 这主要是因为聚乙烯改性的低温断裂韧性高于基质沥青, 而且直投式聚乙烯改性沥青对石料的低温黏结能力优于基质沥青。但弯拉强度和弯拉应变均低于 SBS 改性沥青混合料, 这主要是因为直投式改性剂在拌制过程中处于熔融状态, 在沥青混合料中起着加筋黏结作用[14], 低温条件下由于聚乙烯表现出一定的脆性, 从而导致沥青混合料的低温抗裂性能有一定的降低, 而 SBS 改性剂在沥青中起到应力松弛的作用, 使得改性沥青的 S 值温度变化速率变小, 可以在较低的温度下具有较高的应力消散能力[15]。通过室内配合比试验可以看出,采用直投式聚乙烯改性具有良好的路用性能。

2 工程验证

为了验证直投式改性沥青混合料的使用性能,湖北某高速公路铺筑了试验段, 通过对比直投式聚乙烯改性沥青与 SBS 改性沥青试验段的各项检测指标, 更加直观地了解直投式改性沥青混合料的使用性能。对试验段的混合料和路面各项性能指标进行检测, 其检测结果如表 9 和表 10 所示。

通过表 9 可以得出, 采用 SBS 改性和直投式聚乙烯改性沥青混合料各项性能均满足规范要求, 相对于基质沥青高温稳定性、 水稳定性有了很大的改善。通过车辙试验可以得出, 直投式聚乙烯改性对沥青混合料的动稳定度改善明显, 高温抗车辙性能优于 SBS 改性沥青混合料, 动稳定度大约为 SBS 改性沥青混合料的 1. 27 ~ 1. 48 倍。通过浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比可以看出, 残留稳定度均大于90%, 劈裂强度比大于 80%, 说明直投式聚乙烯改性沥青混合料的水稳定性良好, 与 SBS 改性沥青混合料相当。工程验证的结果与室内试验配合比设计得到的结论基本一致。

根据试验段铺筑后 18 个月的检测结果, 其主要指标如表 10 所示。

检测结果可以看出, 试验段路面的抗滑性能、渗水系数、 车辙均达到 100%合格率, 路面破损状况良好, 基本无病害, 平整度合格率为 90%以上。由于平整度跟采用何种沥青混合料无直接关联, 而路面破损、 车辙、 抗滑等指标良好, 说明直投式改性剂路面具有良好的路面使用性能。

3  工程造价分析

相对于传统的 SBS 改性, 采用直投式聚乙烯改性具有良好的经济价值。结合湖北某高速的应用情况来看。上面层结构 SBS 改性沥青 SMA-13 混合料的油石比为 6%, 由于掺入直投式聚乙烯改性剂后,降低了沥青混合料约 0. 2%的油石比, 直投式改性剂加入量为沥青混合料质量的 0. 35%。1 t 直投式改性混合料的经济效益情况如表 11 所示。

由成本分析可知:

(1) 材料成本: 用直投式聚乙烯改性剂替代SBS 改性沥青后, 由于石料成本保持不变, 节约沥青成本即为节省混合料材料成本。因此上面层每吨混合料可节约 19. 56 元材料成本。

(2) 能耗成本: 使用直投式聚乙烯改性沥青混合料出料温度可降低 10 ~ 15 ℃ , 沥青储存温度降低15 ℃ , 据此测算, 使用直投式聚乙烯改性剂每吨混合料可节省的能源成本约 2. 47 元。

(3) 根据上述分析, 上面层每吨混合料总成本可节约 22. 03 元。在 双 向 4 车 道 的 高 速 上, 铺 设100 km 的直投式聚乙烯改性剂上面层 (双向沥青铺设宽度 22. 5 m, 厚度 4 cm, 总混合料约为 237 600 t),可产生的经济效益约为 523. 4 万元。

高速公路的中面层结构一般为 6 cm 的 AC-20C,SBS 改性沥青 AC-20 混合料的油石比可按 4. 3%计算,直投式改性剂加入量为沥青混合料质量的 0. 35%。1 t直投式聚乙烯改性混合料的经济效益情况如表 12 所示。由成本分析可知:

(1) 材料成本: 用直投式聚乙烯改性剂替代SBS 改性沥青后, 由于石料成本保持不变, 节约沥青成本即为节省混合料材料成本。因此中面层每吨混合料可节约 6. 47 元材料成本。

(2) 由于每吨混合料节省能耗成本约 2. 47 元,因此, 中面层每吨混合料总成本可节省 8. 94 元。

(3) 在双向 4 车道的高速上, 铺设 100 km 的DP 改性剂中面层 (双向沥青铺设宽度 22. 5 m, 厚度6 cm, 总混合料约为 341 550 t), 可产生的经济效益约为 305 万。

4  结论

(1) 通过室内配合比试验可以看出, 采用直投式聚乙烯改性后的沥青混合料高温稳定性好, 动稳定度约为 SBS 改性沥青混合料的 1. 3 ~ 1. 5 倍, 说明采用直投式改性对于高温稳定改善效果显著。

(2) 直投式聚乙烯改性沥青混合料的低温弯曲破坏应变高于规范要求的 2 500 με, 优于基质沥青,但低温弯拉强度和弯拉应变均低于 SBS 改性沥青混合料, 说明对于低温影响性能改善不明显。

(3) 工程验证的结果与室内试验结果相当, 表明直投式聚乙烯改性沥青混合料具有良好的路用性能, 动稳定度改善明显, 水稳定性较好。从造价方面来说, 采用直投式聚乙烯改性相对于 SBS 改性造价低, 具有良好的经济价值。

(4) 直投式沥青改性剂可直接混入矿料和基质沥青之中, 并通过混合搅拌等方式产出改性沥青混合料。这样可有效减少改性剂加工、 储存等诸多繁琐的环节, 有效实现资源和能源成本的节约, 将废旧的聚乙烯作为一种路用直投式改性剂具有良好的环保效益和经济效益, 有很大的应用环境。

原创作者：刘兴东, 张 亮，中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430056