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沥青混合料性能改善方法研究
文 / 孙波
目前，我国有不少地区的沥青路面过早出现病害。其病害主要表现在，高温时出现车辙、推移、拥包；低温时出现开裂；在水的作用下沥青和石料产生剥落，造成路面出现裂缝、松散、坑槽等，这些病害会严重影响路面的使用性能和行车质量。引起沥青路面病害的原因是多方面的。有设计方面和施工方面的原因，也有材料方面的原因，而且材料方面的原因更不容忽视，如沥青混合料的高温、低温和水稳定性能主要取决于沥青材料的性能；抵抗疲劳的能力主要由石料的性能决定。因此，目前高速公路的沥青面层基本上都采用改性沥青，以提高沥青混合料的高温抗变形能力、低温抗裂能力及抗水作用的能力。也有不少地区，则是通过提高沥青的标号，如广东地区，原来使用 70 号沥青，现在改用 50 号沥青；河北原来使用 90 号沥青，现在改用 70 号沥青。还有在订购沥青时，要求将沥青的软化点提高到 80 ℃，以此来提高沥青混合料的温度稳定性。以上方法都是通过提高改性沥青的温度稳定性能来提高沥青混合料的性能。其实，直接对沥青混合料进行改性，不但比采用改性沥青有更明显的改性效果，而且有利于提高沥青材料的使用寿命。以下是我们对法国生产的一种沥青混合料添加剂进行的试验研究。
• PR PLAST.S 添加剂的基本性能
PR PLAST.S 添加剂是法国生产的一种沥青混合料添加剂，呈黑色、固体、颗粒状。粒径 4mm 左右；密度 0.91 ～ 0.965 g/cm 3 ；熔化点 140 ～ 150 ℃。该产品中， 95 ％以上为纤维聚合物，约 5 ％为填充物。它是一种改善沥青混合料高温稳定性能的添加剂，对提高抗车辙能力和水稳性有非常显著的效果。
PR PLAST.S 添加剂在沥青混合料中的作用机理，通过以下三个过程来实现：
• 胶结作用
将添加剂投入沥青混合料的拌和锅中，在 170 ～ 180 ℃的温度下，先与矿料干拌，使聚合物软化，然后与沥青拌和，此时聚合物的颗粒达到溶解，形成与沥青的胶溶作用过程，使沥青性能得到改善，从而提高了沥青的软化点，降低了对温度的敏感性，增加了沥青与矿料的粘附能力。
• 钢筋作用
由于添加剂中有塑料纤维成分，所以在沥青中起到加筋的作用，并在胶结料中形成网状，加强了沥青矿粉胶结料体系相互作用力和整体性。
• 嵌挤作用
由于添加剂中有微粒填充物，在拌和过程中由于高温的作用而软化，再经过碾压后成型，这样就将添加剂中的填充物嵌挤到混合料的空隙中，加强了混合料之间的相互作用力，使混合料之间更加紧密，增加了沥青混合料承受荷载的能力。
• PR PLAST.S 添加剂改善沥青混合料的性能试验
为了进一步了解和掌握 PR PLAST.S 添加剂的性能、施工工艺，以及与改性沥青进行比较分析，在室内进行了沥青混合料的有关技术性能试验。
• 试验的组成材料和采用的结构
（ 1 ）试验的组成材料
沥青采用 盘锦的 B级90号沥青和壳牌SBSI-C改性沥青，技术性能指标见表1。
表 1 盘锦普通沥青和壳牌 SBR改性沥青 技术指标
技术指标项目 |
单位 |
盘锦普通 B90 |
壳牌 SBS改性
I-C |
针入度 （ 25℃，100g，5s） |
0.1mm |
91.4 |
65 |
针入度指数 PI |
|
-1.67 |
-0.8 |
延度（ 5cm/min，15℃） ＞ |
（ cm） |
100 |
35(5℃) |
延度（ 5cm/min，10℃） ＞ |
（ cm） |
100 |
－ |
软化点（环球法） ＞ |
（℃） |
45.6 |
67 |
135℃动力粘度 ＞ |
Pa.s |
- |
2.5 |
闪点（ COC） ＞ |
（℃） |
260 |
275 |
含蜡量（蒸留法） ＜ |
（ %） |
2.3 |
- |
密度（ 15℃） |
（ g/cm 3 ） |
1.018 |
- |
溶解度（三氯乙烯） ＞ |
（ %）＞ |
99.7 |
99.5 |
弹性恢复 25℃不小于 |
％ |
－ |
68 |
储存稳定度，离析， 48h软化点差，不大于 |
℃ |
－ |
1.8 |
RTFOT后的指标试验 |
|
|
|
质量损失 |
（ %） |
+0.7 |
± 0.8 |
针入度比 ＞ |
（ %） |
62 |
58 |
残留延度 % （10℃） ＞ |
（ cm） |
>100 |
28(5℃) |
粗集料采于内蒙阿古拉山采石场，主要技术指标试验结果见表 2。
表 2 粗集料的技术性能测定结果
技术项目 |
单位 |
测定结果 |
规范值 |
压碎值 ≯ |
％ |
13.2 |
28 |
洛杉矶磨耗 ≯ |
％ |
12 |
30 |
表观密度 ≯ |
g/cm 3 |
2.902 |
2.50 |
吸水率 ≯ |
％ |
0.46 |
3.0 |
坚固性 ≯ |
％ |
1 |
12 |
磨光值 ≮ |
|
|
42 |
与沥青的粘附性 ≮ |
级 |
5 |
5 |
水洗法小于 0.075mm＜ |
% |
0.21 |
1 |
软石含量 ＜ |
％ |
0.4 |
5 |
细集料与 粗集料来自同一石料场，技术性能测定结果见表 3。
表 3 细集料的技术性能测定结果
指 标 |
单 位 |
测定结果 |
规范值 |
表观密度 > |
g/cm 3 |
2.857 |
2.50 |
坚固性 (>0.3mm含量) ≤ |
％ |
4.2 |
12 |
含泥量 (小于0.075mm含量) ≤ |
％ |
/ |
3 |
砂当量 > |
％ |
78 |
60 |
矿粉采用石灰岩类石料加工， 技术性能测定结果见表 4。
表 4 矿粉的技术性能测定结果
项 目 |
单 位 |
测定结果 |
规范标准 |
表观密度 ＞ |
g/cm 3 |
2.678 |
2.50 |
含水量 ＜ |
％ |
0.1 |
1 |
亲水系数 ＜ |
|
0.59 |
1 |
粒度范围 |
< 0.6mm |
％ |
100 |
100 |
< O.15mm |
％ |
95.7 |
90～100 |
< O.075mm |
％ |
81.9 |
75～100 |
（ 2）采用结构
结构采用 AC－13密级配， 矿料规格和密度见表 5。试验方法与普通沥青混合料试验方法相同，将 PR PLAST.S 添加剂按添加量加入到温度在 175 ～ 180 ℃的矿料中拌和 3min （在拌和锅内），再加入沥青，按规定时间拌和制件。 沥青混合料的试验结果见表 6 ；路用性能指标见表 7 。
表5 矿料规格和密度
矿料规格 mm |
10～20 |
10～15 |
5～10 |
3～5 |
0～3 |
毛体积相对密度 |
2.863 |
2.855 |
2.848 |
2.795 |
2.857 |
表观相对密度 |
2.889 |
2.889 |
2.902 |
2.899 |
2.857 |
表 6 沥青混合料技术性能试验结果
沥青含量％ |
添加剂掺量％ |
理论密度 |
毛体积密度 |
空隙率％ |
间隙率％ |
饱和度％ |
稳定度 KN |
流值
0.1mm |
采用沥青 |
5 |
0 |
2.638 |
2.521 |
4.44 |
15.2 |
70.8 |
10.59 |
42 |
普通沥青 |
5 |
0 |
2.638 |
2.519 |
4.5 |
15.7 |
71.2 |
12.7 |
43 |
改性沥青 |
5 |
3 |
2.642 |
2.553 |
3.82 |
13.8 |
72.3 |
12.9 |
40 |
普通沥青 |
5 |
5 |
2.645 |
2.562 |
3.73 |
14.6 |
73.5 |
13.4 |
43 |
普通沥青 |
表7 路用性能试验结果
沥青含
量％ |
添加剂
掺量％ |
残留稳
定度％ |
冻融劈裂强度比％ |
车辙
次 ／ mm |
采用沥青 |
5.2 |
0 |
91 |
87 |
970 |
普通沥青 |
5.2 |
0 |
91 |
89.1 |
3500 |
改性沥青 |
5.2 |
0.3 |
126 |
101 |
3600 |
普通沥青 |
5.2 |
0.5 |
127 |
124 |
5250 |
普通沥青 |
通过表 6 和表 7 的试验结果分析得出：
• 盘锦普通沥青混合料 不加 PR PLAST.S 添加剂，壳牌 SBS 改性 沥青混合料 的马歇尔稳定度比 盘锦普通沥青混合料高 20%。
• 在盘锦普通沥青混合料中加入 0.3％ PR PLAST.S 添加剂后，其稳定度比盘锦普通沥青混合料高出23％，比壳牌SBS改性沥青混合料略高；加入0.5％ PR PLAST.S 添加剂后，其稳定度比盘锦普通沥青混合料高出26％，比壳牌SBS改性沥青混合料高6％。
• 从 残留稳定度和冻融劈裂强度比看，普通沥青 混合料 与改性沥青 混合料 基本相同。但普通沥青 混合料 加入 PR PLAST.S 添加剂后 则 有显著提高， 残留稳定度提高了 39 ％，冻融劈裂强度比提高了 13 ％ 。
• 对于 车辙，改性沥青 混合料比 普通沥青 混合料 提高 2.6 倍。普通沥青 混合料 加入 0.3 ％ PR PLAST.S 添加剂后，则比 普通沥青 混合料 提高 2.7 倍，比改性 沥青 混合料 提高 3 ％； 加入 0.5 ％ PR PLAST.S 添加剂，则比普通沥青 混合料 提高 4.4 倍，比改性沥青 混合料 提高 50 ％。
二、 PR PLAST.S 添加剂的性能特性
PR PLAST.S 添加剂可以长期库存不变质。 它是一种改善沥青混合料高温稳定性能的添加剂，对提高抗车辙能力有非常显著的效果。这种添加剂在法国每年以 25 ％的产量递增， 2003 年的产量已超过 180 万吨。从改善沥青混合料性能效果看来，它明显要比用 SBS 改性沥青显著。 PR PLAST.S 添加剂 2001 年进入我国的公路建设市场， 2002 年即在我国公路建设中应用，被公路业内人士认可并广受好评。目前 PR PLAST.S 添加剂已在不少高速公路中使用，如山西运三高速公路、陕西府店一级公路、浙江台临高速公路、太祁高速公路等，并取得良好效果。凡使用了 PR PLAST.S 添加剂，沥青路面稳定性普遍提高，特别是车辙病害得到了有效遏制。
三、 PR PLAST.S 添加剂的 使用剂量和工艺
1. PR PLAST.S 添加剂的使用剂量
PR PLAST.S 添加剂的使用剂量为沥青混合料的 0.3 ～ 0.5 ％，即每吨沥青混合料中掺入 3 ～ 5kg 。若用于道路，使用剂量则为沥青混合料的 0.3 ～ 0.4 ％，即每吨沥青混合料中掺入 3 ～ 4kg 即可。交通量大、重型车辆多的路段使用计量取高限。特殊路段使用剂量可为沥青混合料的 0.6 ％。
2. PR PLAST.S 添加剂的 使用工艺
PR P LAST.S 添加剂的使用工艺简单、方便，在沥青混合料拌和过程中加入其内即可：
A ． 将矿料加热到 175 ～ 185 ℃，即将 PR P LAST.S 添加剂直接投入拌和锅内进行干拌，拌和时间可增加 2 ～ 3 秒（法国拌和楼的标准干拌时间为 5 ～ 10 秒）。
B ．加入热沥青继续搅拌，拌和时间增加 5 ～ 10 秒（法国拌和楼的标准湿拌时间为 10 ～ 20 秒）。
C ．成品沥青混合料的质量控制和储存运输按常规沥青混合料进行。
D ．压实度一定要达到标准，使 PR PLAST.S 添加剂充分发挥作用。
使用 PR PLAST.S 添加剂的沥青混合料与改性沥青混合料相比，其特点见表 8 。
表 8 使用 PR PLAST.S 添加剂的沥青混合料与改性沥青混合料的性能比较
比 较 项 目 |
使用 PR PLAST.S 添加剂的沥青混合料 |
改性沥青混合料 |
改性工艺 |
简单、灵活、方便 |
复杂，需要严格控制温度、时间 |
机械设备 |
不需要专门机械设备 |
需要专门机械设备，费用在 400 ～ 600 万元 |
对沥青的要求 |
没有特殊要求，任意选定不影响改性效果 |
改性剂和沥青要有相容性，有选择 |
对基质沥青性能的
影响 |
不需要单独改性沥青，减少加热环节，对沥青性能没有影响 |
改性过程在高温下对沥青性能有影响。 |
储存期限 |
没有存贮期限，存贮时间对沥青性能没有影响 |
有存贮期，有时会使沥青发生离析，对沥青性能有影响 |
高温性能 |
显著提高，在普通沥青的基础上提高 4.4 倍左右 |
有提高，一般在普通沥青的基础上提高 2.6 倍左右 |
水稳定性 |
显著提高， 残留稳定度和冻融劈裂强度比超过 100 ％ |
与普通沥青基本相同 |
路面的使用寿命 |
可以延长路面的使用寿命 |
影响路面的使用寿命 |
四、小结
直接使用改性剂改善沥青混合料的工艺方法，对提高沥青混合料的高温性能和抗水作用的能力，有显著效果，对解决沥青路面的高温病害、增加稳定性及提高使用质量具有良好作用，比使用改性沥青的方法更为有效，而且方便。这是因为这类添加剂里除了含有能与沥青互溶的聚合物外，还有纤维，在混合料中起到加筋作用，增加沥青混合料的整体性。此外，改性剂中有少量的填充物，增加了沥青混合料的密实程度和水稳性。比之改性沥青，沥青的加热温度低，加热时间短，而且不需要储存装置。加工过程对沥青的技术性能影响小，可延长沥青混合料的使用性能及耐久性。对于使用改性沥青，由于改性和储存时间需要加热，都会对沥青的技术性能产生影响。
另外，要达到改性沥青的性能效果， PR PLAST.S 添加剂需要的剂量约为 0.35%，根据 PR PLAST.S 添加剂目前的售价（包括运输），每吨沥青混合料约增加 75元，较使用改性沥青更为经济（改性沥青约增加90元）。
作者单位：北京市道路工程质量监督站
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