瀝青混合料改性添加劑 MPE 應(yīng)用技術(shù)研究

摘要：瀝青路面的使用不僅要考慮高低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，還要考慮實(shí)際應(yīng)用的一些特殊要求。該項(xiàng)目研發(fā)的“MPE”是一種“直投式”顆粒狀的瀝青混合料改性劑，主要由回收塑料制成，無(wú)需工廠改性，直接在瀝青混合料拌和時(shí)添加即可完成對(duì)瀝青及其混合料的改性，提高和改善普通瀝青混合料的性能。在項(xiàng)目研究中，基于MPE的應(yīng)用提出了粒徑、密度、熔點(diǎn)、熔融指數(shù)、吸水率、聚合物含量、改性瀝青軟化點(diǎn)等技術(shù)控制指標(biāo)，提出了MPE合理地應(yīng)用摻量及其確定方法、MPE瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法及其性能驗(yàn)證方法，明確了MPE在瀝青混合料拌和中的添加、最佳拌和，MPE瀝青混合料運(yùn)輸、攤鋪及碾壓等工藝，保證MPE在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的性能。關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面；道路材料；改性劑；MPE；節(jié)能減排1.技術(shù)概況傳統(tǒng)的改性瀝青一般是在瀝青加工廠通過膠體磨等進(jìn)行高溫剪切，將有機(jī)高分子改性劑分散到瀝青基體中，使其被瀝青中的輕質(zhì)組分所溶脹，如SBS、SBR、EVA、PE等改性瀝青。這類改性瀝青的缺點(diǎn)主要有：設(shè)備和加工條件復(fù)雜、需要特殊的加熱存儲(chǔ)系統(tǒng)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性不好、耗費(fèi)大量的能源、生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在環(huán)境污染等。本文中的MPE改性添加劑是對(duì)常規(guī)RPE的改性，為固體顆粒、圓柱狀，采取直投式改性，不需在瀝青加工廠對(duì)瀝青改性，只要在瀝青混合料拌和過程中加入，方便易行，既節(jié)約了大量的能源，減少二氧化碳排放，又降低了改性成本，同時(shí)改善了瀝青改性后存儲(chǔ)的穩(wěn)定性問題，以及穩(wěn)定問題帶來的環(huán)境污染。此外，MPE瀝青混合料改性劑采用回收的塑料（以及回收輪胎粉復(fù)合）進(jìn)行生產(chǎn)，不僅降低制造成本，還能減少白色污染，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。通過不同摻量和不同拌和工藝條件下室內(nèi)的馬歇爾穩(wěn)定度、凍融劈裂、車轍等試驗(yàn)，經(jīng)MPE改性添加劑改性的瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，特別適合在南方高溫多雨地區(qū)的高速公路中應(yīng)用。2.技術(shù)原理該項(xiàng)目研發(fā)的“MPE”是一種“直投式”顆粒狀的瀝青混合料改性劑，主要由回收塑料制成（質(zhì)量占70%~80%），無(wú)需工廠改性，直接在瀝青混合料拌和時(shí)添加，完成對(duì)瀝青及其混合料的改性，其使用較方便，質(zhì)量有保證，性能較常規(guī)改性瀝青優(yōu)越，同時(shí)可以節(jié)省大量的電力燃油，降低CO2

的排放，并且可以回收利用廢舊塑料，減少白色污染。MPE呈灰色、綠色或黑色，密度為0.92~0.98kg/m3，顆粒大小為4~6mm，熔點(diǎn)為120℃~160℃。使用MPE，無(wú)需改性瀝青，只要在瀝青拌和樓里拌和瀝青混合料時(shí)將MPE投入，即可達(dá)到瀝青混合料改性的效果，省去強(qiáng)剪切制備改性瀝青及改性瀝青穩(wěn)定化過程，減少了改性瀝青在加工過程中的老化。一般瀝青混合料的拌和溫度在170℃~180℃，MPE能否在此溫度下熔融并與瀝青發(fā)生作用，是應(yīng)用MPE的關(guān)鍵。GB/T3682—2000《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率和熔體體積流動(dòng)速率的測(cè)定》規(guī)定的試驗(yàn)中最接近瀝青混合料拌和溫度的試驗(yàn)點(diǎn)溫度是190℃，因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定不同組成的MPE在190℃下的熔融指數(shù)，并通過瀝青混合料的拌和性能試驗(yàn)，驗(yàn)證MPE的分散性和對(duì)瀝青混合料所起的改性作用。試驗(yàn)表明，當(dāng)MPE熔融指數(shù)大于2時(shí)，瀝青混合料的性能有顯著的改善，即MPE的改性效果充分發(fā)揮。觀察分析表明在常規(guī)的拌和工藝下，MPE可良好地分散于瀝青和瀝青混合料中。為判定MPE在實(shí)際應(yīng)用中與瀝青的相容性及直觀表征其在瀝青中的分布狀態(tài)，判斷MPE在實(shí)際混合料拌和過程中的分散性，進(jìn)行MPE瀝青膠泥的顯微觀測(cè)。從摻有MPE的熱拌瀝青混合料中提取瀝青膠泥，制成玻片，在顯微鏡下觀測(cè)。結(jié)果表明，瀝青膠泥中的MPE顆粒大小、分散較均勻，無(wú)瀝青膠漿中MPE相互粘連的現(xiàn)象。且經(jīng)拌和樓拌和的膠泥中MPE細(xì)度更小，均勻性更好。主要原因是在混合料拌和過程中，MPE被大量的石料反復(fù)剪切摩擦細(xì)化，阻礙了MPE自身的粘連，因此，MPE在瀝青中的分布顆粒粒徑更小，呈現(xiàn)星羅棋布的情形。主要結(jié)論有：（1）常規(guī)拌和樓0~5s的集料添加時(shí)間用于MPE材料的干拌熔融，加上噴瀝青的8~10s與30s的濕拌時(shí)間，足夠把MPE材料（熔融指數(shù)>2）分散均勻于瀝青與混合料中，達(dá)到改性目的。（2）在MPE材料施工現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，可以便捷地應(yīng)用取樣膠泥進(jìn)行顯微鏡觀測(cè)法，判定MPE材料的分散效果，從而達(dá)到控制施工工藝與施工質(zhì)量的目的。瀝青路面的使用不僅要考慮高低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，還要考慮實(shí)際應(yīng)用的一些特殊要求，比如事故車輛引起的燃油滴漏以及油罐車事故導(dǎo)致的汽油、柴油泄露，所以課題組設(shè)計(jì)了MPE瀝青混合料的耐柴油浸泡試驗(yàn)并進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，MPE瀝青混凝土具有良好的抗油蝕性，強(qiáng)于普通瀝青和SBS改性瀝青，浸泡24h后試件外觀完整，質(zhì)量損失少，且殘留強(qiáng)度高。3.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)瀝青改性的方法很多，在眾多的瀝青改性方法中，以20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的通過膠體磨應(yīng)用高速剪切原理加工生產(chǎn)聚合物改性瀝青的技術(shù)最為典型、實(shí)用與有效，至今世界各國(guó)仍在應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。目前的SBS改性或是其他聚合物改性的生產(chǎn)加工工藝是一樣的，即膠體磨應(yīng)用高速剪切原理加工生產(chǎn)聚合物改性瀝青，這種技術(shù)與工藝的共同特點(diǎn)是高溫、高速、高剪切。這條工藝鏈的突出問題是高能耗（消耗電力、柴油、導(dǎo)熱油）以及高排放（瀝青自身多重組成氣體排放以及能耗換算的CO2排放）。此外為了能生產(chǎn)出可以存放的SBS等成品改性瀝青，必須加入穩(wěn)定劑，那么就不可避免使用“S-硫磺”，所以對(duì)土地、大氣以及人體與設(shè)備也是一種危害。MPE作為一種“直投式”瀝青混合料改性劑，打破了傳統(tǒng)改性瀝青繁雜的改性加工生產(chǎn)過程，在現(xiàn)代化工廠里利用回收塑料加工生產(chǎn)而得，然后袋裝運(yùn)輸?shù)綖r青拌和樓，在應(yīng)用時(shí)直接開袋取出需求數(shù)量，將其直接投放進(jìn)瀝青拌和鍋拌制成改性的瀝青混合料。MPE具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）使用方便由于這種改性方式是直接投入瀝青混合料的拌和設(shè)備中，無(wú)需經(jīng)過復(fù)雜的瀝青改性加工生產(chǎn)過程，所以徹底打破了改性瀝青的傳統(tǒng)，使改性技術(shù)步入了“傻瓜”式的便捷時(shí)代。（2）質(zhì)量保證瀝青混合料改性劑直接投入瀝青拌和樓的混合料拌和鍋中，不存在瀝青改性過程改性劑與瀝青兩種原材料的質(zhì)量損失，完全沒有了改性后存放過程的質(zhì)量穩(wěn)定與衰減問題，同時(shí)也不存在混合料高溫拌和中改性瀝青的質(zhì)量衰減隱患，所以是達(dá)到混合料改性與路面高質(zhì)量的有力保證。（3）控制簡(jiǎn)單常規(guī)的SBS等改性瀝青產(chǎn)品的質(zhì)量控制程序非常繁雜，為了保證并控制常規(guī)SBS等改性瀝青的質(zhì)量，用戶需派專人每天對(duì)改性瀝青進(jìn)行質(zhì)量抽檢，由于改性瀝青指標(biāo)一般用交通行業(yè)規(guī)范的常規(guī)指標(biāo)與美國(guó)SHRP的PG等級(jí)雙標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，所以一方面試驗(yàn)量大，另一方面需要添加昂貴的PG測(cè)試進(jìn)口設(shè)備。而實(shí)際生產(chǎn)中許多單位無(wú)法承受昂貴的PG等級(jí)設(shè)備，往往即使在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定PG性能要求，在生產(chǎn)中根本沒有能力檢測(cè)與控制，所以傳統(tǒng)的改性瀝青在施工應(yīng)用中存在著質(zhì)量控制方面人力、物力的投入巨大，但質(zhì)量又難以控制的問題。瀝青混合料改性劑的應(yīng)用，完全避免了復(fù)雜的前期改性瀝青檢測(cè)工作，只需按普通的瀝青混合料的控制方法進(jìn)行混合料的性能檢測(cè)與控制，質(zhì)量控制簡(jiǎn)單而有效。（4）低價(jià)經(jīng)濟(jì)性常規(guī)改性瀝青的價(jià)格組成為瀝青+SBS等改性劑成本+加工費(fèi)用。瀝青混合料改性劑的價(jià)格組成為瀝青+瀝青混合料改性劑成本。由于使用瀝青混合料改性劑進(jìn)行改性，減少了改性加工費(fèi)用與加工供應(yīng)商的利潤(rùn)，所以整體成本優(yōu)于傳統(tǒng)的改性瀝青。目前傳統(tǒng)的SBS改性瀝青隨著世界原油價(jià)格的上漲，SBS材料價(jià)格也隨之不斷上揚(yáng)，改性的成本迅速提高。所以在國(guó)家資源緊張、建設(shè)資金不足的情況下，瀝青混合料改性劑存在著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。（5）社會(huì)效益良好PE系列的瀝青混合料改性劑可以采用回收的塑料生產(chǎn)制造，不僅可以降低成本，而且具有良好的環(huán)境效益。這樣社會(huì)不會(huì)因?yàn)閾?dān)心塑料的白色污染而放棄使用廉價(jià)的塑料包裝，改用紙包裝與昂貴的環(huán)保材料包裝，只要把塑料包裝材料回收用于我國(guó)龐大的公路建設(shè)中，既可以節(jié)約大量的國(guó)家森林資源，又可以降低公路建設(shè)與包裝業(yè)多個(gè)領(lǐng)域的成本，體現(xiàn)了環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的社會(huì)效益。（6）節(jié)約能源當(dāng)前SBS等改性瀝青產(chǎn)品都要經(jīng)過特殊加工生產(chǎn)設(shè)備在高達(dá)180℃以上的溫度下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的剪切碾磨與存儲(chǔ)發(fā)育而形成最后的改性瀝青產(chǎn)品，之后產(chǎn)品要運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)存放與應(yīng)用，每個(gè)環(huán)節(jié)都要依靠電力、柴油、導(dǎo)熱油等能源。以改性瀝青加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)為例，根據(jù)目前SBS改性瀝青加工生產(chǎn)工藝來計(jì)算，每加工一噸SBS改性瀝青，需要消耗電能18~20千瓦時(shí)，柴油10~12升，還有一定量的導(dǎo)熱油，約合人民幣100元。若國(guó)家每年加工400萬(wàn)噸的改性瀝青，用MPE代替后，可節(jié)省能源費(fèi)用4億元。4.技術(shù)應(yīng)用情況MPE等瀝青混合料改性劑主要應(yīng)用特點(diǎn)是直接將其加入拌制的瀝青混合料中，通過MPE的材料特點(diǎn)，提高和改善普通瀝青混合料的性能。在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行MPE瀝青混合料的制樣、試驗(yàn)等過程、方法與普通瀝青混合料基本一樣。該技術(shù)是目前常規(guī)（PE/SBS等）聚合物改性瀝青的一種全新替代，目前已進(jìn)行了成熟應(yīng)用，在福建多地共鋪筑了7個(gè)路段，涉及4種福建地區(qū)常用路面結(jié)構(gòu)，鋪筑長(zhǎng)度總計(jì)約8公里。其應(yīng)用除具有明顯的技術(shù)特點(diǎn)外，還具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)與巨大的社會(huì)效益。目前該技術(shù)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用比例約10%。以龍長(zhǎng)高速和福寧高速為例。（1）龍長(zhǎng)高速試驗(yàn)段龍長(zhǎng)高速于2007年12月建成通車，主線路面結(jié)構(gòu)為4cmAC-13C上面層、6cmAC-20C中面層、16cmATB-25柔性基層。在長(zhǎng)汀收費(fèi)站匝道入口段鋪筑了500m試驗(yàn)段，其中，MPE的SMA-13結(jié)構(gòu)150m，MPE的AC-13C結(jié)構(gòu)350m。試驗(yàn)段鋪筑時(shí)試驗(yàn)檢測(cè)的情況如下。其中，AC-13C生產(chǎn)配合比的馬歇爾試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。SMA-13混合料的生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)瀝青用量與混合料性能如表2所示。從表1、表2可以看出，摻加MPE后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高較大，均超出對(duì)改性瀝青要求的100%。2010年3月17日，課題組對(duì)該試驗(yàn)段進(jìn)行了路面檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)路面總體上無(wú)明顯病害，路面平整，構(gòu)造清晰，整體使用質(zhì)量保持良好，如圖1所示。表1AC-13C生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)瀝青用量與混合料性能表2SMA-13生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)瀝青用量與混合料特性

圖1龍長(zhǎng)高速M(fèi)PE試驗(yàn)段檢測(cè)在三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的路段（SMA-13+MPE、AC13C+MPE、AC-13C+SBS）進(jìn)行滲水和構(gòu)造深度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3龍長(zhǎng)高速試驗(yàn)段檢測(cè)結(jié)果從表3可以看出，SMA段的構(gòu)造深度最大，通車三年后，仍能保持1.0mm以上，其行車道構(gòu)造深度小于停車道，主要原因在于SMA屬于高骨架比例的骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)，表面構(gòu)造粗糙，在行車的作用下，發(fā)生自然壓密，而停車道基本沒有車輛碾壓，基本保持了路面竣工時(shí)的構(gòu)造；滲水系數(shù)方面，SMA段基本不發(fā)生滲水，綜合性能是三個(gè)路段中最好的。普通瀝青混合料結(jié)構(gòu)AC-13C的構(gòu)造深度則要較SMA小0.2~0.3mm，但是其行車道與停車道的構(gòu)造深度大小卻與SMA相反，究其原因，是行車道表面細(xì)料被車輪帶走。對(duì)比MPE的AC-13C和SBS的AC-13C，二者在構(gòu)造深度和滲水方面并無(wú)太大區(qū)別，使用情況均較好。（2）福寧高速試驗(yàn)段福寧高速為沈海高速的一部分，交通流量大、重車多、車速慢，路面“負(fù)荷”重。2009年福寧高速路面中修工程在BK1940+533~BK1940+037區(qū)間鋪筑了約500m的MPE試驗(yàn)段。做法是先將舊路面的上中面層銑刨共10cm，然后噴灑黏層油，在其上鋪筑單層AC-16C型MPE瀝青混合料，一次攤鋪碾壓成型?；旌狭系臋z測(cè)結(jié)果見表4。表4MPE瀝青混合料測(cè)試結(jié)果從測(cè)試結(jié)果看，MPE瀝青混合料的性能較好，尤其是高溫性能方面，70℃時(shí)車轍動(dòng)穩(wěn)定度還能大于3000次/mm。經(jīng)過一年的運(yùn)行使用，對(duì)其進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括構(gòu)造深度、滲水系數(shù)和路面病害，并選取約500m的改性瀝青路段進(jìn)行使用狀況對(duì)比。由于中修為間斷修補(bǔ)，連續(xù)段落一般不長(zhǎng)，所以選取三個(gè)改性瀝青路段，總長(zhǎng)約500m。其中，在MPE路段輪跡帶上選取六個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，在三個(gè)改性瀝青路段上每段的輪跡帶各選兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。檢測(cè)詳細(xì)結(jié)果見表5。表5福寧試驗(yàn)路檢測(cè)結(jié)果路面病害方面，兩種路段情況均較好。MPE路段路面較平整，但有四條橫向反射裂縫，輕度和重度各兩條，可能是在修補(bǔ)時(shí)基層的反射裂縫未處理好。改性瀝青路段，表面壓密現(xiàn)象較為明顯，尤其是輪跡帶位置，有輕微轍槽，但小于1cm。經(jīng)過一年多車輛的碾壓，使用MPE的構(gòu)造深度保持較好，但滲水系數(shù)較改性瀝青路段略大。主要原因有：一是MPE瀝青混合料在施工時(shí)需要更高的溫度，造成壓實(shí)功方面可能會(huì)略低于改性瀝青混合料；二是由于MPE的高溫改性效果明顯，在抗車轍方面性能較好，車輛引起的自然壓密也就比改性瀝青段較輕，因此，整體構(gòu)造深度衰減較慢。5.節(jié)能降碳效益測(cè)算評(píng)價(jià)5.1節(jié)能低碳效益用MPE代替一般改性瀝青建設(shè)瀝青路面，省去的生產(chǎn)加工儲(chǔ)存改性瀝青環(huán)節(jié)將節(jié)約大量的電力和柴油。因此，每公里瀝青路面將減排CO2

大約7噸。標(biāo)準(zhǔn)4車道高速公路面層每公里的改性瀝青用量約100噸，改性瀝青生產(chǎn)過程中消耗電力5300千瓦時(shí)，