多聚磷酸改性沥青混合料施工技术研究

陈致远， 关 阳， 郭云龙， 王锦余

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

沥青路面作为我国高等级公路的主要路面结构形式，具有行车舒适、噪声小、施工周期短、养护维修便捷等优点。随着经济发展，我国各等级公路的交通量逐年上升，且重载超载比例较大、渠化交通现象严重。高负荷之下，部分沥青路面在使用初期即出现严重的车辙、坑槽、裂缝等损害，其主要原因在于路面材料性能与设计体系难以满足实际交通需求，因此采用高性能且成本合理的沥青材料代替低性能的普通沥青，是解决沥青路面早期病害频发的有效方式之一[1, 2]。目前我国道路工程中使用最为广泛的改性沥青是以SBS为典型代表的聚合物改性沥青，SBS、SBR等聚合物改性剂能明显提高沥青的高温抗车辙性能、低温抗裂性能以及抗老化性能等。聚合物改性剂对基质沥青的改性作用属于物理共混，但两者在溶解度、分子量及密度等性质方面差异较大，相容性较差，从而导致聚合物改性沥青普遍存在储存稳定性较差的现象，对改性沥青使用性能与施工性能产生较大的影响，同时聚合物改性剂还存在成本较高、制备工艺较为复杂等缺点[3]。

针对聚合物改性沥青存在的问题，研究人员提出采用化学改性剂进行改性沥青的制备，多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)作为一种酸性化学改性剂，引起研究人员的广泛关注。目前的实践表明,PPA可明显提高沥青及其混合料的高温抗车辙性能、水稳定性与抗老化性能，且原材料成本较低，与基质沥青之间存在良好的相容性。而且，改性沥青制备工艺较简单，因而具有良好的应用前景[4]。我国对于PPA改性沥青的研究大多集中在使用性能与改性机制方面，对PPA改性沥青的实际应用的研究较少。为研究PPA改性沥青混合料施工技术，本文将PPA改性沥青混合料运用在某新建公路沥青路面中，提出PPA改性沥青混合料施工控制技术，并对其实际应用效果进行监测。

1 工程概况

本文依托项目为新建公路工程，主线全长64.27 km，位于山岭至平原的过渡区域，地形由西北向东南倾斜，呈不规则缓坡形，全线位于中温带，为大陆性季风气候，年均降水367.4 mm，降水主要集中在7～8月份。该公路设计速度为80 km/h，双向四车道标准，横断面宽为24.5 m，路面结构为4 cm细粒式沥青混凝土表面层+6 cm中粒式PPA改性沥青混凝土下面层+20 cm水稳碎石基层+20 cm水稳碎石底基层。

2 原材料

2.1 多聚磷酸改性剂

多聚磷酸由正磷酸与聚磷酸共混形成，也称为多磷酸，当磷酸中的H3PO4含量超过105%时被称为多聚磷酸，本文采用H3PO4含量为115%的工业级多聚磷酸，其主要技术性质见表1。

表1 多聚磷酸技术性质

2.2 沥青

本文依托项目所用沥青为镇海90号基质沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对该沥青技术性能进行测试，结果见表2。

表2 基质沥青技术性能

2.3 集料

本文依托项目所用集料由玄武岩破碎得到，矿粉由石灰岩研磨得到，集料干燥洁净、无风化，矿粉干燥洁净无团粒结块，其主要技术指标见表3～表5。

表3 粗集料技术指标

表4 细集料技术指标

表5 矿粉技术指标

3 多聚磷酸改性沥青混合料配合比设计

本文依托公路工程PPA改性沥青混凝土下面层采用中粒式AC-20C型沥青混凝土，按照多级嵌挤密级配理论与最大理论密度曲线对矿料级配进行设计，矿料生产配合比设定为：矿粉∶0～3∶3～5∶5～10∶10～20∶20～40=4∶21∶15∶25∶26∶9，油石比为4.6%，PPA掺量为沥青质量的1.5%，矿料级配组成见表6。

表6 AC-20C矿料级配组成表

为检验PPA改性沥青生产配合比与拌和楼的拌和效果，对拌和楼的热沥青混合料进行取样后，在现场试验室内成型马歇尔试件与车辙板试件，分别对PPA改性沥青混合料进行高温车辙试验、小梁低温弯曲试验与水稳定性试验，结果见表7。

表7 PPA改性沥青混合料性能检验

由表7可知，PPA改性沥青混合料高温车辙试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验与小梁低温弯曲试验结果均满足规范要求，PPA改性沥青混合料表现出良好的高低温性能与水稳定性。

4 多聚磷酸改性沥青混合料施工技术

4.1 施工准备

PPA改性沥青混凝土施工前应严格控制水稳基层与路基的施工质量，确保各项技术指标满足设计与施工要求。原材料进场前进行质量检验，检验合格后方可进场，并确保原材料储备量充足和PPA改性沥青混合料施工连续性。正式施工前做好拌和、运输、摊铺等相关设备的保养与调试工作，确保所生产的PPA改性沥青混合料满足设计与施工要求。

4.2 多聚磷酸改性沥青混合料的生产

考虑到PPA改性剂与基质沥青之间良好的相容性，为简化施工工序，多聚磷酸改性沥青混合料的生产工艺为：在拌和楼的拌和锅对热料干拌完成后，沿拌和锅的外掺级投料口加入PPA改性剂(掺量为沥青质量的1.5%)，将PPA、沥青与石料一同拌制，即得到PPA改性沥青混合料。

4.3 多聚磷酸改性沥青混合料的拌和

PPA改性沥青混合料的拌和工艺为：使用间歇式强制搅拌机进行拌和，生产过程中严格按照生产配合比控制冷料仓、热料仓的进料比例，严禁由于溢料而随意调整各料仓比例；石料干拌时间为5～10 s，PPA、沥青与石料的湿拌时间应在普通拌和工艺的基础上延长5～10 s，确保PPA与沥青充分混溶，湿拌总时间应大于50 s；石料加热温度控制在170～180 ℃，基质沥青加热温度为155～160 ℃，PPA改性沥青混合料出厂温度为155～160 ℃，当混合料温度超过190 ℃时，应予以废弃。

4.4 多聚磷酸改性沥青混合料的运输与摊铺

运料车在使用前应将车厢清洗洁净，在车厢内侧面与底板涂抹薄层隔离剂防止混合料粘底。运料车装料过程中，应呈“品”字型进行装料，装料完成后及时覆盖篷布，避免混合料温度损失过大。运料车进场时，PPA改性沥青混合料温度不得低于150 ℃，检验合格后方可进场。连续摊铺过程中，运料车应根据专员指挥，停靠在摊铺机前15～30 cm，挂空挡依靠摊铺机推动前进。

摊铺施工前应提前预热熨平板至100℃以上。PPA改性沥青混合料摊铺施工应匀速、缓慢、不间断地进行，摊铺速度控制1.5～2.0 m/min。摊铺过程中应安排专员随时检测摊铺厚度、宽度、路拱等，并及时进行调整修正。当摊铺机受料斗内的混合料尚未摊铺完时，及时补充新料卸至受料斗内。

4.5 多聚磷酸改性沥青混合料的碾压

PPA改性沥青混合料摊铺完成后，应及时进行碾压作业，确保在较高温度水平下对混合料进行碾压，不得在混合料冷却后反复碾压，避免压碎石料或磨平石料棱角，破坏混合料嵌挤骨架。PPA改性沥青混合料的碾压方案为：初压使用双钢轮压路机以2.0 m/min的速度静压1遍；复压使用双钢轮压路机以3.0 m/min的速度振压2遍，胶轮压路机以3.0 m/min的速度静压2遍；终压使用双钢轮压路机以4.0 m/min的速度静压2遍。碾压完成后应封闭交通，待PPA改性沥青混凝土温度下降至50 ℃以下方可通车。

4.6 多聚磷酸改性沥青路面性能检测

为检验PPA改性沥青路面性能，对PPA改性沥青路面进行钻芯取样，并测试其压实度、构造深度、渗水系数与平整度，结果见表8。

表8 PPA改性沥青路面性能检验结果

由表8可知，各路段PPA改性沥青路面的压实度、平整度、渗水系数、构造深度等指标均满足规范要求，施工质量良好，PPA改性沥青路面平整密实、抗滑性能良好，同时具备良好的高温抗车辙性能。各路段芯样的马歇尔稳定度处于12～15 kN，差异较小，表明在此拌和工艺参数水平下，PPA能较为均匀地分散至沥青中，改性剂离析较小，碾压成型的PPA改性沥青路面具有良好的高温稳定性。

5 结束语

本文总结了PPA改性沥青混合料施工技术要点与控制措施，将其运用在新建一级公路中粒式沥青混凝土下面层施工中，并对PPA改性沥青混合料配合比与路面性能进行检验。结果表明：生产配合比满足规范与设计要求，PPA改性沥青混合料具有良好的高低温性能与水稳定性；PPA改性沥青混合料生产工艺能满足施工需求，PPA改性剂能较好地分散在沥青混合料中；所铺筑成型的PPA改性沥青路面平整密实，具有良好的高温抗车辙能力。