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.交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

多聚磷酸（Polyphosphoric Acid，簡稱PPA），在常溫下呈黏稠狀，無色透明，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，美國召開了PPA 改性瀝青全國研討會，會議提出，PPA能以單獨或復配聚合物的方式用于瀝青改性[2]。PPA能與瀝青組分發(fā)生化學反應，在存儲穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，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，利用PPA 與某些聚合物材料相復合，彌補PPA 對低溫性能的影響[7]。早在二十世紀七十年代，美國就已對PPA 改性瀝青技術(shù)展開了豐富研究，并逐漸應用到實際工程中[2]。而我國對該技術(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一期工程（黃花溝至烏魯木齊段）第一合同段PPA 復合橡塑材料試驗路試驗段位于新疆阿勒泰福?？h，起點樁號為K128+660，終點樁號為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 復合橡塑材料改性瀝青混凝土上面層由中鐵一局集團有限責任公司承建。PPA 復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 目標配合比組成設計

2.1 原材料檢測

本工程選用克拉瑪依90#瀝青，生產(chǎn)廠家為HW-1 標瀝青站。所用集料分別為：10～20mm 碎石、5～10mm 碎石、3～5mm 碎石和0～3mm 機制砂，生產(chǎn)廠家為福海縣解鎮(zhèn)千山采石場。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)格檢測結(jié)果

表2 粗集料規(guī)格檢測結(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 礦料級配組成設計

礦料級配選擇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，在工程設計級配范圍內(nèi)調(diào)試選出三組級配，命名為1#、2#、3#，分別位于工程設計級配范圍的下方、中值、上方。1#級配礦料比例為：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶礦粉=38∶28∶0∶30∶4；2#級配礦料比例為：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶礦粉=32∶30∶5∶30∶3；3#級配礦料比例為：10mm～20mm∶5mm～10mm∶3mm～5mm∶0～3mm∶礦粉=28∶28∶5∶35∶4。依據(jù)篩分結(jié)果進行合成級配計算。

2.3 合成級配確定

2.3.1 馬歇爾試驗制作溫度

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)的實踐經(jīng)驗選擇4.5%的油石比，分別制作三組合成級配的馬歇爾試件，制作溫度見表3。

表3 瀝青混合料試件的制作溫度

2.3.2 合成級配馬歇爾試驗結(jié)果

擬選用油石比4.5%，分別制作三組級配的試樣，采用真空法實測理論最大相對密度，另外分別制作三組級配的馬歇爾試件，測定相關數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果匯總詳見表4。

依據(jù)表4 馬歇爾試驗結(jié)果，本次目標配合比設計選擇1#級配為設計級配。

表4 3組級配馬歇爾試驗結(jié)果匯總表

2.4 目標配合比最佳瀝青用量

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

表5 5個油石比馬歇爾試驗結(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、目標空隙率及瀝青飽和度中值所對應的油石比分別為a1=5.50%、a2=4.70%、a3=4.70%、a4=4.30%，OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4=4.80%，在選擇試驗瀝青用量范圍時，當密度或穩(wěn)定度沒有出現(xiàn)峰值時，可直接以目標空隙率所對應的瀝青用量a3作為OAC1=4.70%，但OAC1必須介于OACmin～OACmax的范圍內(nèi)，當各項指標均符合標準（不含VMA） 時，根據(jù)OACmin(4.20%)、 OACmax(4.70%)， OAC2= (OACmin+OACmax)/2=4.45%。取OAC1和OAC2的中值作為計算的最佳油石比OAC=(OAC1+OAC2)/2=4.58%，根據(jù)設計經(jīng)驗和項目地區(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 目標配合比設計檢驗

對選定的最佳油石比和礦料級配進行瀝青混合料目標配合比性能檢驗，各檢測結(jié)果分別見表6、7、8、9所示，均符合技術(shù)要求。

表6 瀝青混合料動穩(wěn)定度

表7 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

表8 凍融劈裂試驗結(jié)果

表9 低溫彎曲試驗破壞應變

3 生產(chǎn)配合比設計

目標配合比是一種理想狀態(tài)，而生產(chǎn)配合比則是在目標配合比的基礎上，根據(jù)施工現(xiàn)場情況，利用施工單位的實驗設備完成相關試驗，指導實際施工。經(jīng)過原材料檢測、礦料級配組成設計、最佳油石比確定以及生產(chǎn)配合比檢測試驗，最終確定的生產(chǎn)配合比如下：

礦料級配：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參考拌和站每鍋礦料的實際重量），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℃；

拌和時間：干拌10s，濕拌45s。

4.3 運輸

存儲時，應覆蓋塑料布，盡量與空氣隔絕。遠距離運輸時，運料車宜覆蓋篷布。

4.4 攤鋪

PPA 復合橡塑材料改性瀝青混合料攤鋪的松鋪系數(shù)設計為1.2（實際為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一期工程（黃花溝至烏魯木齊段）PPA 復合橡塑材料改性瀝青路面（上面層）攤鋪現(xiàn)場。

圖3 現(xiàn)場施工圖

4.5 碾壓

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

復壓：30t 以上膠輪壓路機揉搓碾壓4～6 遍（實際現(xiàn)場碾壓9遍），要求配備兩臺重膠輪壓路機（現(xiàn)場實際配備3臺重膠輪）；

終壓：雙鋼輪壓路機靜壓1～2遍，至終壓后無明顯輪跡為止。

碾壓速度：壓路機初壓速度2～3km/h，復壓速度3～5km/h，終壓速度3～6km/h。

5 多聚磷酸復合橡塑材料改性瀝青混合料上面層質(zhì)量檢測與評價

限于施工現(xiàn)場的試驗條件，課題組對幾個關鍵技術(shù)指標進行了抽檢，主要有礦料級配、油石比、壓實度、摩擦系數(shù)，路面厚度等相關指標，見表10～14。其中測得油石比為4.7%。

表10 AC-16礦料級配（燃燒法）

6 結(jié)論

當前，PPA 改性瀝青技術(shù)在公路建養(yǎng)中的應用尚處在推廣使用的階段，此項技術(shù)為提升我國高溫重載交通環(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度

表12 AC-16改性瀝青上面層構(gòu)造深度檢測結(jié)果

表13 AC-16改性瀝青上面層路面厚度檢測結(jié)果

表14 AC-16改性瀝青上面層摩擦系數(shù)

（1）PPA 復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，為沙漠公路筑路新材料的研究提供示范。

（2）本次試驗段通過室內(nèi)試驗，礦料級配滿足骨架密實型級配要求，有效提高了PPA 復合橡塑材料改性瀝青路面的高溫穩(wěn)定性；現(xiàn)場試驗檢測數(shù)據(jù)反映出，本次試驗段理論上能夠延長瀝青路面的使用壽命，節(jié)約養(yǎng)護資金。

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