沥青混合料改性添加剂 MPE 应用技术研究

摘要：沥青路面的使用不仅要考虑高低温性能、水稳定性和疲劳性能，还要考虑实际应用的一些特殊要求。该项目研发的“MPE”是一种“直投式”颗粒状的沥青混合料改性剂，主要由回收塑料制成，无需工厂改性，直接在沥青混合料拌和时添加即可完成对沥青及其混合料的改性，提高和改善普通沥青混合料的性能。在项目研究中，基于MPE的应用提出了粒径、密度、熔点、熔融指数、吸水率、聚合物含量、改性沥青软化点等技术控制指标，提出了MPE合理地应用掺量及其确定方法、MPE沥青混合料的配合比设计方法及其性能验证方法，明确了MPE在沥青混合料拌和中的添加、最佳拌和，MPE沥青混合料运输、摊铺及碾压等工艺，保证MPE在实际应用中具有良好的性能。关键词：道路工程；沥青路面；道路材料；改性剂；MPE；节能减排1.技术概况传统的改性沥青一般是在沥青加工厂通过胶体磨等进行高温剪切，将有机高分子改性剂分散到沥青基体中，使其被沥青中的轻质组分所溶胀，如SBS、SBR、EVA、PE等改性沥青。这类改性沥青的缺点主要有：设备和加工条件复杂、需要特殊的加热存储系统、储存稳定性不好、耗费大量的能源、生产环节存在环境污染等。本文中的MPE改性添加剂是对常规RPE的改性，为固体颗粒、圆柱状，采取直投式改性，不需在沥青加工厂对沥青改性，只要在沥青混合料拌和过程中加入，方便易行，既节约了大量的能源，减少二氧化碳排放，又降低了改性成本，同时改善了沥青改性后存储的稳定性问题，以及稳定问题带来的环境污染。此外，MPE沥青混合料改性剂采用回收的塑料（以及回收轮胎粉复合）进行生产，不仅降低制造成本，还能减少白色污染，既经济又环保。通过不同掺量和不同拌和工艺条件下室内的马歇尔稳定度、冻融劈裂、车辙等试验，经MPE改性添加剂改性的沥青混合料具有良好的高温稳定性和水稳定性，特别适合在南方高温多雨地区的高速公路中应用。2.技术原理该项目研发的“MPE”是一种“直投式”颗粒状的沥青混合料改性剂，主要由回收塑料制成（质量占70%~80%），无需工厂改性，直接在沥青混合料拌和时添加，完成对沥青及其混合料的改性，其使用较方便，质量有保证，性能较常规改性沥青优越，同时可以节省大量的电力燃油，降低CO2

的排放，并且可以回收利用废旧塑料，减少白色污染。MPE呈灰色、绿色或黑色，密度为0.92~0.98kg/m3，颗粒大小为4~6mm，熔点为120℃~160℃。使用MPE，无需改性沥青，只要在沥青拌和楼里拌和沥青混合料时将MPE投入，即可达到沥青混合料改性的效果，省去强剪切制备改性沥青及改性沥青稳定化过程，减少了改性沥青在加工过程中的老化。一般沥青混合料的拌和温度在170℃~180℃，MPE能否在此温度下熔融并与沥青发生作用，是应用MPE的关键。GB/T3682—2000《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》规定的试验中最接近沥青混合料拌和温度的试验点温度是190℃，因此，通过室内试验测定不同组成的MPE在190℃下的熔融指数，并通过沥青混合料的拌和性能试验，验证MPE的分散性和对沥青混合料所起的改性作用。试验表明，当MPE熔融指数大于2时，沥青混合料的性能有显著的改善，即MPE的改性效果充分发挥。观察分析表明在常规的拌和工艺下，MPE可良好地分散于沥青和沥青混合料中。为判定MPE在实际应用中与沥青的相容性及直观表征其在沥青中的分布状态，判断MPE在实际混合料拌和过程中的分散性，进行MPE沥青胶泥的显微观测。从掺有MPE的热拌沥青混合料中提取沥青胶泥，制成玻片，在显微镜下观测。结果表明，沥青胶泥中的MPE颗粒大小、分散较均匀，无沥青胶浆中MPE相互粘连的现象。且经拌和楼拌和的胶泥中MPE细度更小，均匀性更好。主要原因是在混合料拌和过程中，MPE被大量的石料反复剪切摩擦细化，阻碍了MPE自身的粘连，因此，MPE在沥青中的分布颗粒粒径更小，呈现星罗棋布的情形。主要结论有：（1）常规拌和楼0~5s的集料添加时间用于MPE材料的干拌熔融，加上喷沥青的8~10s与30s的湿拌时间，足够把MPE材料（熔融指数>2）分散均匀于沥青与混合料中，达到改性目的。（2）在MPE材料施工现场控制时，可以便捷地应用取样胶泥进行显微镜观测法，判定MPE材料的分散效果，从而达到控制施工工艺与施工质量的目的。沥青路面的使用不仅要考虑高低温性能、水稳定性和疲劳性能，还要考虑实际应用的一些特殊要求，比如事故车辆引起的燃油滴漏以及油罐车事故导致的汽油、柴油泄露，所以课题组设计了MPE沥青混合料的耐柴油浸泡试验并进行分析研究。结果表明，MPE沥青混凝土具有良好的抗油蚀性，强于普通沥青和SBS改性沥青，浸泡24h后试件外观完整，质量损失少，且残留强度高。3.技术创新点沥青改性的方法很多，在众多的沥青改性方法中，以20世纪70年代出现的通过胶体磨应用高速剪切原理加工生产聚合物改性沥青的技术最为典型、实用与有效，至今世界各国仍在应用这项技术。目前的SBS改性或是其他聚合物改性的生产加工工艺是一样的，即胶体磨应用高速剪切原理加工生产聚合物改性沥青，这种技术与工艺的共同特点是高温、高速、高剪切。这条工艺链的突出问题是高能耗（消耗电力、柴油、导热油）以及高排放（沥青自身多重组成气体排放以及能耗换算的CO2排放）。此外为了能生产出可以存放的SBS等成品改性沥青，必须加入稳定剂，那么就不可避免使用“S-硫磺”，所以对土地、大气以及人体与设备也是一种危害。MPE作为一种“直投式”沥青混合料改性剂，打破了传统改性沥青繁杂的改性加工生产过程，在现代化工厂里利用回收塑料加工生产而得，然后袋装运输到沥青拌和楼，在应用时直接开袋取出需求数量，将其直接投放进沥青拌和锅拌制成改性的沥青混合料。MPE具有如下优点：（1）使用方便由于这种改性方式是直接投入沥青混合料的拌和设备中，无需经过复杂的沥青改性加工生产过程，所以彻底打破了改性沥青的传统，使改性技术步入了“傻瓜”式的便捷时代。（2）质量保证沥青混合料改性剂直接投入沥青拌和楼的混合料拌和锅中，不存在沥青改性过程改性剂与沥青两种原材料的质量损失，完全没有了改性后存放过程的质量稳定与衰减问题，同时也不存在混合料高温拌和中改性沥青的质量衰减隐患，所以是达到混合料改性与路面高质量的有力保证。（3）控制简单常规的SBS等改性沥青产品的质量控制程序非常繁杂，为了保证并控制常规SBS等改性沥青的质量，用户需派专人每天对改性沥青进行质量抽检，由于改性沥青指标一般用交通行业规范的常规指标与美国SHRP的PG等级双标准进行控制，所以一方面试验量大，另一方面需要添加昂贵的PG测试进口设备。而实际生产中许多单位无法承受昂贵的PG等级设备，往往即使在产品标准中规定PG性能要求，在生产中根本没有能力检测与控制，所以传统的改性沥青在施工应用中存在着质量控制方面人力、物力的投入巨大，但质量又难以控制的问题。沥青混合料改性剂的应用，完全避免了复杂的前期改性沥青检测工作，只需按普通的沥青混合料的控制方法进行混合料的性能检测与控制，质量控制简单而有效。（4）低价经济性常规改性沥青的价格组成为沥青+SBS等改性剂成本+加工费用。沥青混合料改性剂的价格组成为沥青+沥青混合料改性剂成本。由于使用沥青混合料改性剂进行改性，减少了改性加工费用与加工供应商的利润，所以整体成本优于传统的改性沥青。目前传统的SBS改性沥青随着世界原油价格的上涨，SBS材料价格也随之不断上扬，改性的成本迅速提高。所以在国家资源紧张、建设资金不足的情况下，沥青混合料改性剂存在着巨大的经济效益。（5）社会效益良好PE系列的沥青混合料改性剂可以采用回收的塑料生产制造，不仅可以降低成本，而且具有良好的环境效益。这样社会不会因为担心塑料的白色污染而放弃使用廉价的塑料包装，改用纸包装与昂贵的环保材料包装，只要把塑料包装材料回收用于我国庞大的公路建设中，既可以节约大量的国家森林资源，又可以降低公路建设与包装业多个领域的成本，体现了环保又经济的社会效益。（6）节约能源当前SBS等改性沥青产品都要经过特殊加工生产设备在高达180℃以上的温度下经过长时间的剪切碾磨与存储发育而形成最后的改性沥青产品，之后产品要运输到施工现场，在现场存放与应用，每个环节都要依靠电力、柴油、导热油等能源。以改性沥青加工生产环节为例，根据目前SBS改性沥青加工生产工艺来计算，每加工一吨SBS改性沥青，需要消耗电能18~20千瓦时，柴油10~12升，还有一定量的导热油，约合人民币100元。若国家每年加工400万吨的改性沥青，用MPE代替后，可节省能源费用4亿元。4.技术应用情况MPE等沥青混合料改性剂主要应用特点是直接将其加入拌制的沥青混合料中，通过MPE的材料特点，提高和改善普通沥青混合料的性能。在试验室内进行MPE沥青混合料的制样、试验等过程、方法与普通沥青混合料基本一样。该技术是目前常规（PE/SBS等）聚合物改性沥青的一种全新替代，目前已进行了成熟应用，在福建多地共铺筑了7个路段，涉及4种福建地区常用路面结构，铺筑长度总计约8公里。其应用除具有明显的技术特点外，还具有一定的经济优势与巨大的社会效益。目前该技术行业内应用比例约10%。以龙长高速和福宁高速为例。（1）龙长高速试验段龙长高速于2007年12月建成通车，主线路面结构为4cmAC-13C上面层、6cmAC-20C中面层、16cmATB-25柔性基层。在长汀收费站匝道入口段铺筑了500m试验段，其中，MPE的SMA-13结构150m，MPE的AC-13C结构350m。试验段铺筑时试验检测的情况如下。其中，AC-13C生产配合比的马歇尔试验等室内试验结果如表1所示。SMA-13混合料的生产配合比设计沥青用量与混合料性能如表2所示。从表1、表2可以看出，掺加MPE后，沥青混合料的动稳定度提高较大，均超出对改性沥青要求的100%。2010年3月17日，课题组对该试验段进行了路面检测。发现路面总体上无明显病害，路面平整，构造清晰，整体使用质量保持良好，如图1所示。表1AC-13C生产配合比设计沥青用量与混合料性能表2SMA-13生产配合比设计沥青用量与混合料特性

图1龙长高速MPE试验段检测在三个不同结构的路段（SMA-13+MPE、AC13C+MPE、AC-13C+SBS）进行渗水和构造深度试验，试验结果如表3所示。表3龙长高速试验段检测结果从表3可以看出，SMA段的构造深度最大，通车三年后，仍能保持1.0mm以上，其行车道构造深度小于停车道，主要原因在于SMA属于高骨架比例的骨架密实型结构，表面构造粗糙，在行车的作用下，发生自然压密，而停车道基本没有车辆碾压，基本保持了路面竣工时的构造；渗水系数方面，SMA段基本不发生渗水，综合性能是三个路段中最好的。普通沥青混合料结构AC-13C的构造深度则要较SMA小0.2~0.3mm，但是其行车道与停车道的构造深度大小却与SMA相反，究其原因，是行车道表面细料被车轮带走。对比MPE的AC-13C和SBS的AC-13C，二者在构造深度和渗水方面并无太大区别，使用情况均较好。（2）福宁高速试验段福宁高速为沈海高速的一部分，交通流量大、重车多、车速慢，路面“负荷”重。2009年福宁高速路面中修工程在BK1940+533~BK1940+037区间铺筑了约500m的MPE试验段。做法是先将旧路面的上中面层铣刨共10cm，然后喷洒黏层油，在其上铺筑单层AC-16C型MPE沥青混合料，一次摊铺碾压成型。混合料的检测结果见表4。表4MPE沥青混合料测试结果从测试结果看，MPE沥青混合料的性能较好，尤其是高温性能方面，70℃时车辙动稳定度还能大于3000次/mm。经过一年的运行使用，对其进行跟踪观测，检测项目包括构造深度、渗水系数和路面病害，并选取约500m的改性沥青路段进行使用状况对比。由于中修为间断修补，连续段落一般不长，所以选取三个改性沥青路段，总长约500m。其中，在MPE路段轮迹带上选取六个试验点，在三个改性沥青路段上每段的轮迹带各选两个试验点。检测详细结果见表5。表5福宁试验路检测结果路面病害方面，两种路段情况均较好。MPE路段路面较平整，但有四条横向反射裂缝，轻度和重度各两条，可能是在修补时基层的反射裂缝未处理好。改性沥青路段，表面压密现象较为明显，尤其是轮迹带位置，有轻微辙槽，但小于1cm。经过一年多车辆的碾压，使用MPE的构造深度保持较好，但渗水系数较改性沥青路段略大。主要原因有：一是MPE沥青混合料在施工时需要更高的温度，造成压实功方面可能会略低于改性沥青混合料；二是由于MPE的高温改性效果明显，在抗车辙方面性能较好，车辆引起的自然压密也就比改性沥青段较轻，因此，整体构造深度衰减较慢。5.节能降碳效益测算评价5.1节能低碳效益用MPE代替一般改性沥青建设沥青路面，省去的生产加工储存改性沥青环节将节约大量的电力和柴油。因此，每公里沥青路面将减排CO2

大约7吨。标准4车道高速公路面层每公里的改性沥青用量约100吨，改性沥青生产过程中消耗电力5300千瓦时，