干拌直投PS-LINK改性沥青混合料路用性能试验研究

王余鹏，孙 华，孟延艺

(1. 福建林业职业技术学院，福建南平353000; 2.南平市成功沥青混凝土有限公司，福建南平353000)

近年来随着大力推动“丝绸之路经济带”区位红利的双向互联互通，推进畅通“一带一路”经济带的物流、经贸等通道，福建省的公路网络随着交通量的增加，车辆的重载超载现象越来越严重，福建省内多条公路开通不久，就出现了裂缝、松散坑槽、泛油、沉陷、车辙等缺陷[1]。这不仅会增加公路养护的负担，还会降低公路的整体质量，针对当前存在的公路病害，要加大相应的养护力度。除了改变路面结构和调配原材料外，添加直投料改性剂高聚合物也是一种有效的方法，本文针对福建南平地区的特殊气候、交通荷载环境的沥青路面特点，通过相关研究决定采用普适沥青PS-LINK直投改性剂对其进行养护施工处理。将普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料的路用性能，与普通沥青混合料、改性沥青混合料的指标进行数据对比，并结合福建南平地区高温多雨、重载交通的公路特点，确定了普适沥青PS-LINK直投改性沥青混合料的路用配合比设计，以及PS-LINK直投改性剂在沥青路面的具体掺量范围，为类似公路养护提供部分参考。

1 直投改性剂沥青混合料的特性

1.1 直投改性剂沥青混合料概述

沥青混合料的生产方法不同，常见沥青混凝料的生产方法分为湿式法与干式法[2]。湿式法是指在工厂预先制造成品的改性沥青，然后将改性沥青加热与矿料拌和，因为湿式法需要花费一定时间的运输及储存改性沥青的过程，如果此段时间过长会造成改性剂与基质沥青发生变质老化，致使改性剂解离和储存性能下降，路面由于沥青混合料的热力学不稳定，出现裂缝、松散坑槽、泛油、沉陷、车辙等缺陷[1]。干式法是先将矿料先加热拌和，然后加入直投改性剂，待直投改性剂熔融，加入基质沥青，这种直投式沥青混合料技术，简化了沥青混合料运输储存的生产工序，延长了混合料的寿命，降低了制作改性沥青的成本，具有更大的经济和社会效益。

1.2 直投改性剂沥青混合料优势

直投改性剂沥青混合料主要由基质沥青、不同粒径的矿料、矿粉、木质素纤维及直投改性剂等多种性能材料组成，其中直投改性剂在拌制沥青混合料的过程中起到了以下的作用和性能：

1.2.1 直投改性剂沥青混合料在矿料加热拌和后，直接投入复合材料进行熔融拌和，简化了改性沥青的配制、运输、储存等工序，降低了运输、储存、能耗等综合成本，有效节省了生产时间，提高了施工速度。

1.2.2 直投改性剂沥青混合料在满足《公路沥青路面施工技术规范》路用性能标准的同时[3]，通过直投改性剂，提高了沥青与矿物材料的粘聚性结合能力，改善了沥青混合料的弹性及变形性能[4]。同时直投改性剂作为填充物提高了沥青混合料的密实度[4]，改善了抗老化性能，延长了沥青混合料公路的使用年限。

1.2.3 直投改性剂沥青混合料通过矿料之间的剪切将直投改性剂颗粒磨细均匀混溶于混合料中，而直投改性剂是通过拌和矿料时的温度使其熔融，随着沥青混合料的搅拌使直投改性剂粘结在矿料上，因为在拌和过程中没有改性沥青的生产过程，进而不会产生对周围环境造成污染的氮、硫氧化物等有害成分，一定程度上起到了节能环保作用。

1.3 普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料拌和流程

现场拌合普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料的工艺较为简单，与常用的普通沥青混合料的拌合工艺基本相同，该PS-LINK直投改性剂的熔体流动速率指标很稳定，通过矿料的剪切作用快速分散粘结在矿料表面，形成弹性、变形良好的密实网状结构。具体工艺如图1所示，(1)矿料边加热边搅拌，当温度稳定在180～185℃时，均匀的投放直投改性剂，并保证直投改性剂与矿料有15～20s的充分拌和时间。(2)加入事先加热至160～165℃的流体沥青继续搅拌，湿拌和时间为35～45s以上。要求拌和的沥青要均匀地包裹在矿料上。(3)最后投入碱性石料矿粉进行拌和，拌和充分直至沥青混合料均匀，时间应在50s以上。(4)沥青混合料的出锅温度控制在165～175℃[5]。其中直投改性剂沥青混合料的试验拌和温度及时间如表1所示。

表1 直投改性剂沥青混合料试验拌和温度、时间表

图1 直投改性剂沥青混合料拌和流程

2直投改性剂沥青混合料原材料的技术要求

2.1 普适沥青PS-LINK直投改性剂

直投改性剂材料具有较高的熔体流动速率[6]，呈深浅不同的灰白色，常温状态下为可长期保存的颗粒物，粒径5mm左右的扁豆型，燃烧无气味，具体物化特征如表2所示。使用时直接投入拌和设备中[5]，生产工艺简易。在矿料的剪切、搅拌作用下，普适沥青PS-LINK直投改性剂能够快速熔融，具有以下作用：

2.1.1 普适沥青PS-LINK直投改性剂颗粒在高温的矿料拌合过程中，能够快速熔融，进而嵌挤填充至级配矿料的空隙中，有效制止了矿料颗粒的相互移动，因而提高了普适沥青PS-LINK直投改性混合料的高温状态稳定度及水密性能[6]。

2.1.2 普适沥青PS-LINK直投改性剂经过拌合后，会均匀分散在矿料的级配空隙之间，在温度和压力作用下直投改性剂软化为细长扁平形状，直投改性剂相互之间黏结呈空间网络结构。同时直投改性剂在矿料之间熔融流动，均匀地包裹在矿料表面[6]，有效提高了普适沥青PS-LINK直投改性剂与基质沥青之间的黏结力和整体性，起到了加筋及胶结作用，从而提高了沥青混合料整体强度和抗水损坏性能[7]。

2.1.3 普适沥青PS-LINK直投改性剂为黏度极强的高聚合物材料，在高温搅拌下可与基质沥青有效的粘结融合，进而提高了高温情况下直投改性剂沥青混合料公路路面的弹性恢复和抗变形能力[6]。

表2 普适沥青PS-LINK直投改性剂物化特征

2.2 沥青

根据福建南平地区的公路路面沥青使用技术要求，选择满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》指标要求的沥青[8]，本文的沥青为厦门新立基股份有限公司生产的70号A级普通沥青。沥青检测指标见表3。

表3 沥青检测指标

2.3 矿料

2.3.1 在直投改性剂沥青混合料中，粗料起到了支撑骨架作用，要求粗料形状方正以满足镜面磨光值要求，形状方正的粗料可以加强直投改性剂沥青混合料的黏附性，减少颗粒脱落及水分的渗入。

2.3.2 细料需要优质的棱角性与坚固性，由于天然砂外观棱角质量不易控制，与沥青的粘附性较差，进而影响沥青混合料的级配结构。为此采用粒径范围为小于2.36mm石灰岩碎石加工而成的机制砂。该细料棱角性好、无风化，其砂当量约在75%～85%，掺配比例约占13%。

2.3.3 直投改性剂沥青混合料所选的矿料，必须具有表面干燥、无各类杂质、质地坚硬且耐风化的特征，要优先选用表面粗糙、棱角性较好、无细长颗粒、无集料形状的憎水性集料，并去除各类有害物质，保证其表面不能黏附部分夹层以免影响集料和沥青之间的粘结作用。

结合上述粗、细料要求，并考虑福建南平地区某段公路工程的沥青AC-13C面层的的磨光值要求，择优使用具有良好的耐磨性质的玄武岩材质的石料作为粗集料。为保证集料与沥青的粘附效果，本文采用三明尤溪县坂兜村碎石厂生产的粗集料，粗料的最大粒径不超过16.0mm，选择2.36～4.75mm、4.75～9.5mm和9.5～16.0mm三种规格碎石;细集料采用三明尤溪县坂兜村碎石厂生产的洁净、干燥、未风化、没杂质，且级配范围为0～2.36mm的石灰岩材质的机制砂。粗、细料的试验检测结果详见表4和表5。

表4 粗集料试验检测表

表5 细集料试验检测表

2.4 矿粉

直投改性剂沥青混合料矿粉选用石灰岩、岩浆岩等憎水石料磨制而成，要求干燥、干净，可从料仓自由流入，本文采用三明尤溪县东方新源白钙石粉厂生产的0.075mm矿粉，且其通过率大于70%的细石灰优质矿粉。为提升沥青拌合料与集料的粘附性，也可采用一定量的水泥、消解石灰粉当填料，但是剂量不应超过设计矿料总量的2%。沥青面层拌合料不宜采用回收粉，矿粉试验检测结果见表6。

表6 矿粉试验检测表

2.5 木质素纤维

使用木质素纤维作为纤维稳定剂，用量占混合料总量的0.3%，粉胶比约为1.8～2.0。采用上海巩瑞实业有限公司生产的沥青路面用絮状木质素纤维。试验结果见表7。

表7 木质素纤维试验表

3 直投改性剂沥青混合料配合比及其掺量范围确定

普适沥青PS-LINK直投改性剂目标配合比设计步骤为：先确定各种规格矿料级配；再按照选定的矿料级配进行优选配合比，选取不同直投改性剂掺量及不同类型的沥青用量制备马歇尔试件；根据马歇尔试件检验对比不同PS-LINK直投改性剂添加量的混合料稳定度、流值、孔隙率、饱和度等指标。确定出一个PS-LINK直投改性剂最佳的添加量，进而确定供料仓的使用的生产配合比。直投改性剂的配合比及其掺量范围确定流程如图2所示。

图2 直投改性剂沥青混合料配合比流程图

3.1 矿料级配控制

考虑福建南平地区高温、多雨潮湿特有的气候，以及重载超载的交通特征，重点优化完善普适沥青PS-LINK直投改性剂AC-13C沥青混合料的抗高温、抗水损害等性能，结合已有经验，选取最优方案。矿料筛分及合成级配见表8。

表8 直投改性沥青混合料的矿料筛分表

沥青混合料技术应用主要受限于不同的级配类型，最大公称粒径是13mm的矿料级配对密级配沥青混凝土粗型混合料的压实效果影响很大，对普适沥青PS-LINK直投改性剂AC-13C沥青混合料来说，级配类型对混合料疲劳寿命影响较大。通过矿料的筛分试验数据统计结果，绘制出普适沥青PS-LINK直投改性剂AC-13C沥青混合料的试验合成矿料掺配级配曲线图(如图3所示)。

图3 矿料掺配级配曲线图

3.2 沥青及直投改性剂用量控制

福建南平地区主要是采用马歇尔试验(双面击实75次)进行沥青混合料的配合比设计，考虑一部分的普适沥青PS-LINK直投改性剂颗粒作为填料与细集料混合在一起，所以混合料的设计级配不宜偏细。依据JTGF40-2004关于沥青混合料的矿料级配范围要求和矿料筛分结果，借鉴近年来福建南平地区AC-13C型改性沥青混合料的科研成果，利用计算机技术最终确定矿料配合比为11～16mm：6～11mm：4～6mm：0～4mm：矿粉=25:28:14:27:6，其中纤维稳定剂的掺量为沥青混合料的0.3%[9]，选择最佳油石比4.9%按上述条件成型AC-13C沥青混合料试件。为了对比直投改性剂沥青混合料的指标参数，本文采用普通70号沥青混合料(方案1)、SBS改性沥青混合料(方案2)、掺量0.2%普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料(方案3)和掺量0.25%普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料(方案4)等四种方案进行综合性能对比验证试验(如表9所示)。

表9 沥青混合料四种方案综合性能试验表

3.3 沥青混合料综合性能对比

结果表明，普适沥青PS-LINK直投改性剂的AC—13C沥青混合料已经接近SBS改性沥青混合料工程路用性能，具体如下：

(1)普适沥青PS-LINK直投改性剂的使用剂量在0.2%-0.25%的掺量范围内，使用剂量与混合料性能之间具有正比关系，且从0.25%的掺量直投改性剂沥青混合料的沥青饱和度、稳定度及流值指标等已经接近SBS改性沥青混合料工程路用性能。

(2)掺量为0.2%的PS-LINK直投改性剂沥青混合料的稳定度路用指标比普通70号沥青混合料提高了28.97%，掺量为0.25%的PS-LINK直投改性剂沥青混合料稳定度路用指标比普通70号沥青混合料提高38.26%。沥青饱和度、流值比普通70号沥青混合料明显提高，与SBS改性沥青混合料各项路用指标基本相符。另外掺有PS-LINK直投改性剂沥青混合料的空隙率指标明显降低，说明提高了混合料的密实度，且各项路用性能随着直投改性剂掺量的增加而明显提高。

(3)根据福建省交通造价站2019年11月份主材指导价格表的南平地区的普通沥青价格(3779元/吨)与改性沥青价格(4805元/吨)，进行普适沥青PS-LINK直投改性剂(15200元/吨)的AC—13C沥青混合料经济指标对比计算。按照0.25%的掺量计算结果为：每立方PS-LINK直投改性剂沥青混合料的成本，比SBS改性沥青混合料节省23.27元(每吨节约10元左右)，若按照0.2%的掺量其经济性更明显。

结语

本文将普适沥青PS-LINK直投改性剂的AC—13C沥青混合料进行路用性能试验，经试验研究表明使用剂量在0.2%-0.25%的掺量范围，可以代替SBS改性沥青混合料工程的路用。

(1)试验表明普适沥青PS-LINK直投改性剂的掺量影响普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料指标效果，同时应该综合分析PS-LINK直投改性剂沥青混合料的改性效果，比如PS-LINK直投改性剂的拌和温度及时间。拌和温度会影响普适沥青PS-LINK直投改性剂的效果发挥，温度太低PS-LINK直投改性剂颗粒熔融较差，基质沥青改性指标不稳定；另外如果直投改性剂沥青混合料的每个阶段的拌和时间不足，导致直投改性剂颗粒不能嵌挤填充至级配矿料的空隙中，最终无法均匀地包裹在矿料表面。

(2)浸水马歇尔试验结果表明，普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料的水稳定性指标良好，其中0.2%和0.25%稳定度比分别为11.53KN、12.36KN，基本与SBS改性沥青混合料12.87KN参数相当。另外添加普适沥青PS-LINK直投改性可大幅提高普通70号沥青混合料的稳定性能，0.2%和0.25%稳定度是70号普通沥青混合料的1.28倍和1.38倍，其沥青混合料性能良好，具有较好的路用推广应用价值。

(3)从空隙率、沥青饱和度、稳定度和经济成本等方面，研究了普适沥青PS-LINK直投改性剂沥青混合料的路用性能。结果表明普适沥青PS-LINK直投改性剂有较小的空隙率及矿料间隙率，从而使密实度在增加，尤其适用于福建南平高温多雨、重载交通地区，具有广阔的工程实践应用前景。