李德高，馬前程，黃迪，朱逢超，李亞非，馬航

（1.云南云天化股份有限公司，云南 昆明 6502228；2.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

多聚磷酸（Polyphosphoric Acid，簡(jiǎn)稱PPA），在常溫下呈黏稠狀，無(wú)色透明，是由正磷酸、聚磷酸、偏磷酸以及聚偏磷酸組成的混合磷酸[1]。2009 年，美國(guó)召開了PPA 改性瀝青全國(guó)研討會(huì)，會(huì)議提出，PPA能以單獨(dú)或復(fù)配聚合物的方式用于瀝青改性[2]。PPA能與瀝青組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在存儲(chǔ)穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，能有效改善基質(zhì)瀝青的高溫性能、抗老化性能和抗疲勞性能[3-5]，但有研究顯示，PPA 可能會(huì)降低基質(zhì)瀝青的低溫性能，限制了PPA 在寒冷地區(qū)的推廣[6]。因此，綜合某些聚合物改性材料在低溫下性能較好的特點(diǎn)，利用PPA 與某些聚合物材料相復(fù)合，彌補(bǔ)PPA 對(duì)低溫性能的影響[7]。早在二十世紀(jì)七十年代，美國(guó)就已對(duì)PPA 改性瀝青技術(shù)展開了豐富研究，并逐漸應(yīng)用到實(shí)際工程中[2]。而我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚。

1 工程概況

S21 阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)一期工程（黃花溝至烏魯木齊段）第一合同段PPA 復(fù)合橡塑材料試驗(yàn)路試驗(yàn)段位于新疆阿勒泰福海縣，起點(diǎn)樁號(hào)為K128+660，終點(diǎn)樁號(hào)為K129+030，路面寬度為11.5m。路面結(jié)構(gòu)分為兩層，AC-16 上面層，厚度5cm，AC-20下面層，厚度7cm，PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青混凝土上面層由中鐵一局集團(tuán)有限責(zé)任公司承建。PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青上面層于2021年8月26攤鋪、碾壓完成后即可開放交通。

2 目標(biāo)配合比組成設(shè)計(jì)

2.1 原材料檢測(cè)

本工程選用克拉瑪依90#瀝青，生產(chǎn)廠家為HW-1 標(biāo)瀝青站。所用集料分別為：10～20mm 碎石、5～10mm 碎石、3～5mm 碎石和0～3mm 機(jī)制砂，生產(chǎn)廠家為福?？h解鎮(zhèn)千山采石場(chǎng)。所用填料為礦粉，礦粉巖性為石灰?guī)r，生產(chǎn)廠家為HW-1 標(biāo)瀝青站。其中集料篩分結(jié)果見表1、表2。

表1 粗集料規(guī)格檢測(cè)結(jié)果

表2 粗集料規(guī)格檢測(cè)結(jié)果

PPA 以及橡塑材料由云南云天化股份有限公司生產(chǎn)，此外依據(jù)施工要求，添加了PA-1 型瀝青抗剝落劑。各材料摻配比例為，PPA∶橡塑材料∶抗剝落劑∶基質(zhì)瀝青=1∶9∶0.3∶100。

2.2 礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配選擇AC-16型，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），根據(jù)集料篩分結(jié)果，在工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍內(nèi)調(diào)試選出三組級(jí)配，命名為1#、2#、3#，分別位于工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的下方、中值、上方。1#級(jí)配礦料比例為：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶礦粉=38∶28∶0∶30∶4；2#級(jí)配礦料比例為：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶礦粉=32∶30∶5∶30∶3；3#級(jí)配礦料比例為：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶礦粉=28∶28∶5∶35∶4。依據(jù)篩分結(jié)果進(jìn)行合成級(jí)配計(jì)算。

2.3 合成級(jí)配確定

2.3.1 馬歇爾試驗(yàn)制作溫度

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）以及阿勒泰地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)選擇4.5%的油石比，分別制作三組合成級(jí)配的馬歇爾試件，制作溫度見表3。

表3 瀝青混合料試件的制作溫度

2.3.2 合成級(jí)配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

擬選用油石比4.5%，分別制作三組級(jí)配的試樣，采用真空法實(shí)測(cè)理論最大相對(duì)密度，另外分別制作三組級(jí)配的馬歇爾試件，測(cè)定相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果匯總詳見表4。

依據(jù)表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，本次目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)選擇1#級(jí)配為設(shè)計(jì)級(jí)配。

表4 3組級(jí)配馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2.4 目標(biāo)配合比最佳瀝青用量

以預(yù)估的油石比4.5%為中值，分別選用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五個(gè)不同油石比。測(cè)定理論最大相對(duì)密度、馬歇爾穩(wěn)定度等六項(xiàng)參數(shù)，確定最佳油石比。

表5 5個(gè)油石比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總表

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，試件毛體積密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標(biāo)空隙率及瀝青飽和度中值所對(duì)應(yīng)的油石比分別為a1=5.50%、a2=4.70%、a3=4.70%、a4=4.30%，OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4=4.80%，在選擇試驗(yàn)瀝青用量范圍時(shí)，當(dāng)密度或穩(wěn)定度沒(méi)有出現(xiàn)峰值時(shí)，可直接以目標(biāo)空隙率所對(duì)應(yīng)的瀝青用量a3作為OAC1=4.70%，但OAC1必須介于OACmin～OACmax的范圍內(nèi)，當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)（不含VMA） 時(shí)，根據(jù)OACmin(4.20%)、 OACmax(4.70%)， OAC2= (OACmin+OACmax)/2=4.45%。取OAC1和OAC2的中值作為計(jì)算的最佳油石比OAC=(OAC1+OAC2)/2=4.58%，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目地區(qū)的氣候條件、交通情況取油石比4.5%為最佳油石比。圖2為油石比選定圖。

圖2 油石比選定圖

2.5 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

對(duì)選定的最佳油石比和礦料級(jí)配進(jìn)行瀝青混合料目標(biāo)配合比性能檢驗(yàn)，各檢測(cè)結(jié)果分別見表6、7、8、9所示，均符合技術(shù)要求。

表6 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

表7 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表9 低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變

3 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

目標(biāo)配合比是一種理想狀態(tài)，而生產(chǎn)配合比則是在目標(biāo)配合比的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，利用施工單位的實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成相關(guān)試驗(yàn)，指導(dǎo)實(shí)際施工。經(jīng)過(guò)原材料檢測(cè)、礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)、最佳油石比確定以及生產(chǎn)配合比檢測(cè)試驗(yàn)，最終確定的生產(chǎn)配合比如下：

礦料級(jí)配：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0mm～3mm∶礦粉=36∶28∶0∶31∶5；

最佳油石比：4.5%。

4 多聚磷酸復(fù)合橡塑材料改性瀝青混合料施工工藝

4.1 改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)加工工藝

將PPA、抗剝落劑與瀝青按照PPA∶抗剝落劑∶瀝青=1∶0.3∶100 混合攪拌均勻，在制備瀝青混合料時(shí)再加入橡塑材料。具體步驟為：首先將瀝青（溫度在140～150℃）從罐車中卸入卸油池內(nèi)，再按比例將PPA 倒入卸油池內(nèi)，使PPA 與瀝青在卸油池內(nèi)初步混勻，再一同抽入瀝青罐內(nèi)，并打開罐內(nèi)的攪拌裝置，循環(huán)攪拌2～4h 以上，以實(shí)現(xiàn)瀝青和PPA的均勻混溶，再加入抗剝落劑攪拌2～4h 混溶均勻（因此次改性瀝青數(shù)量較少，因此從瀝青罐上方觀察口處加入PPA 改性劑，循環(huán)攪拌2～4h 后加入抗剝落劑）。

4.2 改性瀝青混合料生產(chǎn)

PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝與普通熱拌改性瀝青混合料大致相同，不同之處在于拌和樓拌和時(shí)在礦料放入拌和鍋后，加入提前稱好的橡塑材料（橡塑材料的具體重量應(yīng)參考拌和站每鍋礦料的實(shí)際重量），改性瀝青按照正常量加入即可。本工程常溫瀝青混合料的生產(chǎn)工藝參數(shù)匯總?cè)缦拢?/p>

礦料加熱溫度：170～180℃；

瀝青加熱溫度：160～170℃；

出料溫度：160～170℃；

廢棄溫度：大于200℃；

拌和時(shí)間：干拌10s，濕拌45s。

4.3 運(yùn)輸

存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)覆蓋塑料布，盡量與空氣隔絕。遠(yuǎn)距離運(yùn)輸時(shí)，運(yùn)料車宜覆蓋篷布。

4.4 攤鋪

PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青混合料攤鋪的松鋪系數(shù)設(shè)計(jì)為1.2（實(shí)際為1.16），攤鋪速度為2～4m/min。圖3 為S21 阿勒泰至烏魯木齊公路建設(shè)一期工程（黃花溝至烏魯木齊段）PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青路面（上面層）攤鋪現(xiàn)場(chǎng)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

4.5 碾壓

初壓：12t 以上雙鋼輪壓路機(jī)碾壓1～2 遍，前靜后振，遵循緊跟、慢壓、高頻、低幅的方式；

復(fù)壓：30t 以上膠輪壓路機(jī)揉搓碾壓4～6 遍（實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)碾壓9遍），要求配備兩臺(tái)重膠輪壓路機(jī)（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際配備3臺(tái)重膠輪）；

終壓：雙鋼輪壓路機(jī)靜壓1～2遍，至終壓后無(wú)明顯輪跡為止。

碾壓速度：壓路機(jī)初壓速度2～3km/h，復(fù)壓速度3～5km/h，終壓速度3～6km/h。

5 多聚磷酸復(fù)合橡塑材料改性瀝青混合料上面層質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)

限于施工現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件，課題組對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了抽檢，主要有礦料級(jí)配、油石比、壓實(shí)度、摩擦系數(shù)，路面厚度等相關(guān)指標(biāo)，見表10～14。其中測(cè)得油石比為4.7%。

表10 AC-16礦料級(jí)配（燃燒法）

6 結(jié)論

當(dāng)前，PPA 改性瀝青技術(shù)在公路建養(yǎng)中的應(yīng)用尚處在推廣使用的階段，此項(xiàng)技術(shù)為提升我國(guó)高溫重載交通環(huán)境下的瀝青路面質(zhì)量提供了一種有效手段。

表11 AC-16改性瀝青路面取芯壓實(shí)度

表12 AC-16改性瀝青上面層構(gòu)造深度檢測(cè)結(jié)果

表13 AC-16改性瀝青上面層路面厚度檢測(cè)結(jié)果

表14 AC-16改性瀝青上面層摩擦系數(shù)

（1）PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青混合料滿足沙漠地區(qū)高低溫環(huán)境特點(diǎn)，為沙漠公路筑路新材料的研究提供示范。

（2）本次試驗(yàn)段通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，礦料級(jí)配滿足骨架密實(shí)型級(jí)配要求，有效提高了PPA 復(fù)合橡塑材料改性瀝青路面的高溫穩(wěn)定性；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)反映出，本次試驗(yàn)段理論上能夠延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，節(jié)約養(yǎng)護(hù)資金。

（3）本次試驗(yàn)段施工，從PPA 改性瀝青的現(xiàn)場(chǎng)制作到拌和樓拌和、現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、碾壓，均在正常條件下進(jìn)行，減少了瀝青用量，有效降低了碳排放，達(dá)到了國(guó)家低碳環(huán)保的要求。