高性能直投式改性沥青混合料性能研究

崔培强，郑松松，屈庆余

（葛洲坝集团交通投资有限公司，湖北 武汉 430200）

1 引言

SBS 改性沥青是目前世界上使用最普遍的一种聚合物改性沥青，其研究也相对广泛、深入，大多数研究者认为SBS改性沥青对路用性能改善作用最好，可以同时改善沥青的高温、低温性能，还可以起到抗疲劳和耐水损害作用，所以这种沥青在公路工程建设中使用比例也最大。然而，随着石油化工等产品价格的不断上涨，SBS 的价格也不断提高。有研究指出，在气候条件因素（光照、降水等）的影响下，SBS 改性剂会发生一定程度的老化，从而影响其原有性能的发挥。基于SBS应用中遇到的现实问题，很多道路工作者开始将目光转向价格低廉、数量充足甚至是废品的塑料PE材料。

随着我国经济的迅速发展，产生的废旧农膜及废品包装袋、食品袋等塑料制品逐年递增，这些废弃塑料制品大多都是聚乙烯材料组成的，在自然界中难以降解，对环境造成了严重的污染。而直投式PE 改性剂就是利用不可发生降解并循环利用的塑料制品为原材料，应用材料复合、流变技术原理，以PE为载体，把不同类高分子聚合物材料进行物理复配，颗粒状的PE 改性剂在沥青中分散均匀后，表面吸附沥青使沥青性能和胶体结构发生改变，其高温性能得以改善。而且PE 改性剂与热沥青混融后，PE 分子中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，又将裹覆着的沥青折叠交联在一起，从而扩大了沥青粘弹区域。这种网络间强烈的相互作用约束了沥青的转移，限制着沥青胶体的流动性，增强了抵抗外力的能力，从而提高了沥青的粘弹性和抗高温变形能力。使用直投式PE改性添加剂可以缓解废弃塑料污染环境的问题，具有环保节能的优点[1，2]。而且直投式PE改性剂是通过外掺的方式直接投入沥青混合料中，可以克服改性沥青离析、质量不稳定等缺点，解决了SBS 改性沥青加工、储存、运输及拌合楼储存过程中的能耗、污染、排放等问题[3]。

本文根据室内试验，对比分析了SBS改性沥青混合料和直投式PE改性沥青混合料高温性能、低温性能、耐久性等各项性能，并通过铺设试验段及工程应用，全面分析了PE改性沥青路面的各项路用性能。

2 直投式PE改性沥青混合料性能

直投式PE 改性剂是结合沥青路面路用性能的需求，通过材料复合技术、流变技术原理，把不同种类的高分子聚合物、高分子纳米材料、高纤维材料、添加剂、PE等材料共混形成具有优越性能的高分子聚合物新材料，该新的聚合物中各高分子的优势特性得到发挥及组合优化，同时改善了不利性能。该高分子改性剂具有较高的熔融速率，在高温状态下拌和5s～8s便可融化，在外力作用下迅速扩散，均匀地与沥青相融合，并包裹在集料表面，从而将矿料与沥青有机地胶结在一起，形成良好的胶结作用，提高沥青与骨料的粘附性。

2.1 混合料配合比设计

根据沥青路面结构设计，按照马歇尔配合比设计方法，进行普通热拌沥青混合料配合比设计工作，并在此基础上，确定级配及沥青最佳用量。根据现场的实际需求，改性沥青混合料采用SMA-13型配合比进行试验，试验选取的SMA-13级配见表1。

表1 SMA-13目标配合比合成级配曲线

在确定的目标级配和油石比的条件下，结合性价比确定直投式PE 改性剂的掺量（改性剂的掺量一般按照混合料质量0.25%～0.35%掺入），然后开展沥青混合料改性后的性能指标试验，确定沥青混合料的最终配比方案。

根据所提供的集料、矿粉、沥青等原材料，按照上述级配曲线分别进行SBS、PE 室内混合料配合比设计。在最佳油石比条件下进行混合料性能验证试验，具体试验结果见表2。

表2 最佳油石比条件下两种混合料性能

2.2 混合料性能分析

2.2.1 水稳定性能试验

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价PE、SBS改性沥青混合料的抗水损害能力，结果见表3。

表3 PE及SBS改性混合料水稳定性结果

由表3试验结果可知，SBS改性沥青混合料和PE改性沥青混合料的水稳定性均能满足规范要求，且两者相比无明显差异[4，5]。

2.2.2 高低温性能试验

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2019），对添加PE 改性沥青混合料、SBS 改性沥青混合料进行车辙试验、低温小梁弯曲试验。结果见图1、图2和表4。

表4 PE及SBS改性沥青混合料高、低温性能结果

图1 SBS改性沥青混合料车辙结果

图2 PE改性沥青混合料车辙结果

由表4数据可以看出，PE改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料的低温性能均能满足要求，且PE 改性混合料的低温性能与SBS 改性沥青混合料无明显差异。温度在60℃时，PE 改性沥青混合料的动稳定度明显大于SBS 改性沥青混合料的动稳定度，说明相对于SBS，PE 改性剂有效提高了沥青混合料的高温性能，性能提升超过50%[6]。

2.2.3 抗疲劳性能验证

运用疲劳寿命次数进行SMA-13 混合料抗疲劳性能比较。选用四点弯曲疲劳试验来测定各组沥青混合料在承受重复弯曲荷载的疲劳寿命，以此为根据完成试验分析。试验温度采用15℃，加载荷载10Hz，拉应力分别为200με、300με、400με、500με、600με，一共采用5 个应力水平。

试验采用恒应变控制的连续偏正弦加载模式，试验试件按照振动碾压成型的方法制作沥青混合料板块试件，利用高精度切割机将板块试件切割成标准的小梁试件，标准小梁试件尺寸为380mm×65mm×50mm，弯曲劲度模量降低到初始弯曲劲度模量50%时，试验终止，记录对应的加载循环次数，5 种情况下的沥青混合料的应变与疲劳寿命次数之间的关系如图3所示。

图3 疲劳试验曲线图

由图3 可以看出，随着应力水平的提高，两种沥青混合料的疲劳寿命次数都在降低，各曲线之间相互交接，说明PE 和SBS 两种沥青混合料的抗疲劳特性区别不大，性能相当。

3 直投式PE改性沥青混合料生产、施工工艺

3.1 供料、拌和

集料按照沥青混合料生产要求进行正常生产，烘干温度不低于185℃～195℃，烘干后的集料进行二次筛分计量后与相应计量的直投式PE改性剂置入拌和锅内进行干拌，干拌时间5s～8s，拌和温度不低于185℃，然后加入矿粉。干拌后喷入基质沥青，沥青的温度150℃～170℃，正常湿拌30s～40s。沥青混合料的出料温度＞175℃。改性剂的添加可以采用人工投放的方式，也可以采用设备自动添加。生产过程中拌和温度较高，人工投放较难控制，可操作性不强，建议采用设备自动添加。

3.2 沥青混合料运输与摊铺

应综合考虑运输距离、生产速度适当的安排运输车。运输过程中应覆盖保温，沥青混合料温度现场检测符合施工要求时，方可使用。

3.3 沥青路面压实

碾压温度应符合表5 的要求。碾压速度和碾压温度应根据试验段确定，碾压段长度初压为10m～20m、复压及终压为20m～50m。一般情况下，压路机数量宜不少于5台。

表5 施工各阶段温度建议范围

3.4 开放交通及其他

施工时应封闭交通，禁止车辆通行，路面温度低于50℃时方可开放交通或进行下一层摊铺。PE 改性沥青路面铺筑完成后应控制交通，不得污染损坏[7，8]。

4 试验段铺筑与测试

在襄荆高速2017 年及2018 年铣刨摊铺养护工程中，铺设了约11km的直投式PE改性沥青路面试验段，试验段中上面层采用直投式PE改性沥青混合料（图4）。

图4 直投式PE改性沥青路面摊铺

2019 年组织第三方检测机构对PE 试验段进行了全面的检测，路面检测情况见表6。

表6 试验段路面检测结果

路检结果表明各试验段路面抗滑性能、渗水系数、车辙均达到100%合格率；少许路段平整度、弯沉合格率为80%～90%（平整度、弯沉指标受道路整体结构的影响，与PE 改性沥青混合料性能无直接关系）。说明PE改性沥青路面具有良好的路面使用性能，用直投式PE改性沥青混合料代替SBS 改性沥青混合料应用于高速公路面层是可行的。

5 社会环保效益

5.1 节能效益

5.1.1 上面层应用节能效益

以在100km 长、22.5m 宽双向四车道、0.06m 厚的高速公路沥青路面上面层应用直投式PE沥青混合料改性剂为条件，计算节能效益情况。

假设上面层油石比5.1%，根据经验估算出沥青混合料数量约23 万t。根据大量的拌合楼应用得出：生产1t沥青混合料可节省1kg标准煤。因此，预估每100km、双向四车道的高速公路沥青路面上面层需23 万t 沥青混合料，大约可节省2.3×105kg标准煤。

根据标准煤与电能换算系数，1kg 标准煤相当于29.27 MJ 热能[9]，在上面层应用即可节省29.27×2.3×105=6.7×106MJ 热能，相当于6.7×105度电（拟1 元/度电），可节约能耗费用约67万元。

因此，在双向四车道的上面层铺设100km 的直投式PE改性沥青路面，可节约能耗约67万元。

5.1.2 中面层应用节能效益

现以在100km 长、22.5m 宽双向四车道、0.06m 厚的高速公路沥青路面中面层上应用直投式PE沥青混合料改性剂为条件，计算节能效益情况。

假设中面层油石比4.76%，根据经验估算出沥青混合料数量约33 万t。因此，预估每100km、双向四车道的高速公路沥青路面中面层需33万t沥青混合料，大约可节省3.3×105kg标准煤。

根据通用的换算标准，在中面层应用即可节省29.27×3.3×105=9.6×106MJ，相当于9.6×105度电（拟1元/度电），可节约能耗费用约96万元。

因此，在双向四车道的中面层铺设100km 的直投式PE改性沥青路面，可节约能耗约96万元。

5.2 环保效益分析

5.2.1 减少排放

根据标准煤与排放的换算系数，每100km 双向四车道的高速公路中面层及上面层，采用直投式PE 沥青混合料取代传统的SBS 改性沥青混合料，大约可节约标准煤440t。一吨标准煤大约排放2.6t～2.7t 的CO2，8.5kg 的SO2，7.4kg 的NOX[10]。因此铺设100km 的PE 改性沥青路面中上面层可以减少CO2排放1144t、减少N、S 氧化物排放6.9t（不含路面寿命延长后，节省养护次数，降低了因养护造成的交通拥堵而产生的碳排放）。

5.2.2 回收农膜

沥青混凝土成套高新改性剂载体材料部分采用回收农膜，解决了“白色、黑色”污染，实现了资源循环利用。100 km 长、22.5m 宽、0.06m 厚的高速公路中面层使用直投式改性沥青1050t，若30%来自回收地膜，可解决大约1874 万m2（约等于2.8 万亩）的地膜污染问题（按1t 农膜=59500m2计算，计算方法：平方米数乘以0.0015＝亩数）。

在100 km 长、22.5m 宽、0.06m 厚的高速公路上面层使用直投式改性沥青750t，若30%来自回收地膜，可解决大约1388万m2（约等于2万亩）的地膜污染问题。

因此，在四车道的高速公路上摊铺100km 的直投式PE 改性沥青路面中上面层，可大约解决3262 万m2（约4.8万亩）的地膜污染问题。

6 结语

本文根据相关试验，对比分析了SBS改性沥青混合料和直投式PE改性沥青混合料高温性能、低温性能、耐久性等各项性能。结果表明，PE 改性剂沥青混合料各项性能指标均满足规范要求，与SBS改性沥青混合料相比，PE 改性剂制备的沥青混合料的高温性能有明显改善。通过铺设试验段及工程应用，表明直投式PE 改性沥青路面试验段的路面基本无破损，抗滑性能、渗水系数、车辙均达到100%合格率，总体上满足要求。

直投式PE 改性剂充分利用可再生资源，减少白色污染，有利于环境保护，直投式的改性方式相对于传统的SBS改性沥青可以减少沥青的加热存储的能耗，节省工程建设成本，产生良好的社会效益及经济效益，具有广阔的应用前景。

在本文研究中未对直投式PE改性路面试验段进行长期监测，在后续工作中需要继续对试验段进行跟踪监测，研究直投式PE改性路面的长期路用性能。