多聚磷酸复合橡塑材料改性沥青混合料在新疆阿勒泰地区的施工技术研究

2022-07-12李德高马前程黄迪朱逢超李亚非马航

交通世界 2022年13期

李德高，马前程，黄迪，朱逢超，李亚非，马航

（1.云南云天化股份有限公司，云南昆明 6502228；2.交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

多聚磷酸（Polyphosphoric Acid，简称PPA），在常温下呈黏稠状，无色透明，是由正磷酸、聚磷酸、偏磷酸以及聚偏磷酸组成的混合磷酸[1]。2009 年，美国召开了PPA 改性沥青全国研讨会，会议提出，PPA能以单独或复配聚合物的方式用于沥青改性[2]。PPA能与沥青组分发生化学反应，在存储稳定性方面具有优势，能有效改善基质沥青的高温性能、抗老化性能和抗疲劳性能[3-5]，但有研究显示，PPA 可能会降低基质沥青的低温性能，限制了PPA 在寒冷地区的推广[6]。因此，综合某些聚合物改性材料在低温下性能较好的特点，利用PPA 与某些聚合物材料相复合，弥补PPA 对低温性能的影响[7]。早在二十世纪七十年代，美国就已对PPA 改性沥青技术展开了丰富研究，并逐渐应用到实际工程中[2]。而我国对该技术的研究起步较晚。

1 工程概况

S21 阿勒泰至乌鲁木齐公路建设一期工程（黄花沟至乌鲁木齐段）第一合同段PPA 复合橡塑材料试验路试验段位于新疆阿勒泰福海县，起点桩号为K128+660，终点桩号为K129+030，路面宽度为11.5m。路面结构分为两层，AC-16 上面层，厚度5cm，AC-20下面层，厚度7cm，PPA 复合橡塑材料改性沥青混凝土上面层由中铁一局集团有限责任公司承建。PPA 复合橡塑材料改性沥青上面层于2021年8月26摊铺、碾压完成后即可开放交通。

2 目标配合比组成设计

2.1 原材料检测

本工程选用克拉玛依90#沥青，生产厂家为HW-1 标沥青站。所用集料分别为：10～20mm 碎石、5～10mm 碎石、3～5mm 碎石和0～3mm 机制砂，生产厂家为福海县解镇千山采石场。所用填料为矿粉，矿粉岩性为石灰岩，生产厂家为HW-1 标沥青站。其中集料筛分结果见表1、表2。

表1 粗集料规格检测结果

表2 粗集料规格检测结果

PPA 以及橡塑材料由云南云天化股份有限公司生产，此外依据施工要求，添加了PA-1 型沥青抗剥落剂。各材料掺配比例为，PPA∶橡塑材料∶抗剥落剂∶基质沥青=1∶9∶0.3∶100。

2.2 矿料级配组成设计

矿料级配选择AC-16型，依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004），根据集料筛分结果，在工程设计级配范围内调试选出三组级配，命名为1#、2#、3#，分别位于工程设计级配范围的下方、中值、上方。1#级配矿料比例为：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶矿粉=38∶28∶0∶30∶4；2#级配矿料比例为：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶矿粉=32∶30∶5∶30∶3；3#级配矿料比例为：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶矿粉=28∶28∶5∶35∶4。依据筛分结果进行合成级配计算。

2.3 合成级配确定

2.3.1 马歇尔试验制作温度

依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）以及阿勒泰地区的实践经验选择4.5%的油石比，分别制作三组合成级配的马歇尔试件，制作温度见表3。

表3 沥青混合料试件的制作温度

2.3.2 合成级配马歇尔试验结果

拟选用油石比4.5%，分别制作三组级配的试样，采用真空法实测理论最大相对密度，另外分别制作三组级配的马歇尔试件，测定相关数据。试验结果汇总详见表4。

依据表4 马歇尔试验结果，本次目标配合比设计选择1#级配为设计级配。

表4 3组级配马歇尔试验结果汇总表

2.4 目标配合比最佳沥青用量

以预估的油石比4.5%为中值，分别选用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五个不同油石比。测定理论最大相对密度、马歇尔稳定度等六项参数，确定最佳油石比。

表5 5个油石比马歇尔试验结果汇总表

经数据分析，试件毛体积密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率及沥青饱和度中值所对应的油石比分别为a1=5.50%、a2=4.70%、a3=4.70%、a4=4.30%，OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4=4.80%，在选择试验沥青用量范围时，当密度或稳定度没有出现峰值时，可直接以目标空隙率所对应的沥青用量a3作为OAC1=4.70%，但OAC1必须介于OACmin～OACmax的范围内，当各项指标均符合标准（不含VMA）时，根据OACmin(4.20%)、 OACmax(4.70%)， OAC2= (OACmin+OACmax)/2=4.45%。取OAC1和OAC2的中值作为计算的最佳油石比OAC=(OAC1+OAC2)/2=4.58%，根据设计经验和项目地区的气候条件、交通情况取油石比4.5%为最佳油石比。图2为油石比选定图。

图2 油石比选定图

2.5 目标配合比设计检验

对选定的最佳油石比和矿料级配进行沥青混合料目标配合比性能检验，各检测结果分别见表6、7、8、9所示，均符合技术要求。

表6 沥青混合料动稳定度

表7 浸水马歇尔残留稳定度试验结果

表8 冻融劈裂试验结果

表9 低温弯曲试验破坏应变

3 生产配合比设计

目标配合比是一种理想状态，而生产配合比则是在目标配合比的基础上，根据施工现场情况，利用施工单位的实验设备完成相关试验，指导实际施工。经过原材料检测、矿料级配组成设计、最佳油石比确定以及生产配合比检测试验，最终确定的生产配合比如下：

矿料级配：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0mm～3mm∶矿粉=36∶28∶0∶31∶5；

最佳油石比：4.5%。

4 多聚磷酸复合橡塑材料改性沥青混合料施工工艺

4.1 改性沥青现场加工工艺

将PPA、抗剥落剂与沥青按照PPA∶抗剥落剂∶沥青=1∶0.3∶100 混合搅拌均匀，在制备沥青混合料时再加入橡塑材料。具体步骤为：首先将沥青（温度在140～150℃）从罐车中卸入卸油池内，再按比例将PPA 倒入卸油池内，使PPA 与沥青在卸油池内初步混匀，再一同抽入沥青罐内，并打开罐内的搅拌装置，循环搅拌2～4h 以上，以实现沥青和PPA的均匀混溶，再加入抗剥落剂搅拌2～4h 混溶均匀（因此次改性沥青数量较少，因此从沥青罐上方观察口处加入PPA 改性剂，循环搅拌2～4h 后加入抗剥落剂）。