采用SBS+巖瀝青復(fù)合改性的高性能瀝青混合料研究

陸 敏 ，江 越 ，陳 娟

（1.太倉市交通局，江蘇 太倉 215400；2.蘇州同尚工程設(shè)計咨詢有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 問題的提出

車轍病害是目前江蘇省高等級公路最常見的瀝青路面損壞現(xiàn)象。近幾年，太倉港的發(fā)展出現(xiàn)大提速，新制定的太倉港發(fā)展總體規(guī)劃中，泊位數(shù)從原先規(guī)劃的114個調(diào)整到172個，港口設(shè)計吞吐能力從1億t調(diào)整到2.82億t，集裝箱吞吐能力從565萬標箱調(diào)整到2210萬標箱。224省道太倉港至沿江高速段是連接太倉港與338省道、沿江高速公路等多條國省干線公路的重要疏港交通干線，在投入使用十年后，現(xiàn)需要進行“白改黑”路面改造。沿線經(jīng)太倉港區(qū)和金浪、沙溪兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，路段全長約13.7 km。作為港口主要運輸通道的港區(qū)道路，將面臨著交通量大、軸載大、氣溫高的嚴峻行車條件。港區(qū)重載道路的路面抗車轍性能將成為制約路面使用壽命、服務(wù)壽命以及今后養(yǎng)護維修費用的關(guān)鍵因素，因此，針對港區(qū)道路的行車條件，以高抗車轍性能為設(shè)計目標的瀝青混合料設(shè)計的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

道路原來采用的是水泥混凝土的路面結(jié)構(gòu)，新的道路是在對原有水泥混凝土路面進行灌漿、貼縫處理以后加鋪和拓寬而成，因此總體的路面剛度是比較高的。為了抵抗港區(qū)重載交通的影響，應(yīng)該著重提高瀝青面層混合料自身的抗車轍性能。因此，需要從混合料的設(shè)計方法、控制標準、材料性能的改善等多方面研究瀝青面層混合料，不僅研究上面層瀝青混合料，同時也需要對下面層瀝青混合料展開研究，這對于提高瀝青路面的抗車轍性能，提高瀝青路面對港區(qū)重載的適應(yīng)性具有極為重要的現(xiàn)實意義。但本文主要針對上面層SBS+巖瀝青復(fù)合改性后的瀝青混合料性能的研究總結(jié)，考慮資金、推廣性等原因，對下面層仍采用常規(guī)瀝青及改性方式，因此對下面層的試驗研究，本文不再表述。

2 確定研究方案

改性瀝青是指“摻加橡膠、樹脂、高分子聚合物、磨細的橡膠粉或其他填料等外摻劑(改性劑)，或采用對瀝青輕度氧化加工等措施，使瀝青或瀝青混合料的性能得以改善而制成的瀝青結(jié)合料。”改性劑是指“在瀝青或瀝青混合料中加入天然的或人工的有機或無機材料，可熔融、分散在瀝青中，改善或提高瀝青路面性能(與瀝青發(fā)生反應(yīng)或裹覆在集料表面上)的材料。”

關(guān)于改性瀝青的分類，國際上并沒有統(tǒng)一的分類標準。從廣義劃分，根據(jù)不同目的所采取的改性瀝青及改性瀝青混合料技術(shù)匯總見圖1。

從狹義上來講，現(xiàn)在所指道路改性瀝青一般是指聚合物改性瀝青，簡稱PMA、PMB或PmB，用于改性的聚合物種類也很多，按照改性劑的不同，一般將其分為三類：（1）熱塑性橡膠類；（2）橡膠類；（3）樹脂類。

不同的改性劑對瀝青性能的影響是不一樣的。試驗結(jié)果表明，SBS對瀝青的高、低溫性能、彈性恢復(fù)性能、感溫性等指標都有明顯的改善。PE僅在高溫穩(wěn)定性方面顯示出一定的效果。而EVA的高溫穩(wěn)定性不如PE，但低溫抗裂性比PE要稍好些，但均不如SBS。試驗結(jié)果也說明SBS改性劑各方面都有明顯效果，而PE主要表現(xiàn)在改進高溫穩(wěn)定性方面。

然而，由于聚合物改性劑多為非極性，且與瀝青比重、分子量相差較大，它們與基質(zhì)瀝青的共混體系具有力學(xué)不穩(wěn)定性，容易離析；同時由于聚合物與瀝青中極性組分(膠質(zhì)、瀝青質(zhì))界面結(jié)合力弱，應(yīng)力傳遞效率低，最終產(chǎn)品的力學(xué)性能也不理想。由于存在與瀝青難以相溶的問題，這一改性方法決定了在生產(chǎn)和工藝設(shè)備方面上，要求有較大的投資，如特殊的剪切設(shè)備和較高的能源消耗等，以促使改性劑與瀝青能夠充分溶合。在運輸和存儲上，則需要加熱保溫和不間斷攪拌，防止改性劑與瀝青的分層與離析，用戶使用十分不便。從而在一定程度上限制了改性瀝青的應(yīng)用。

圖1 改性瀝青及混合料技術(shù)分類圖

然而天然瀝青作為改性劑，就可避免這些問題。目前巖瀝青的提取加工工藝已經(jīng)非常成熟，可以大規(guī)模生產(chǎn)。加工成粉末后，本身極易與石油瀝青相溶，屬于瀝青基對瀝青基的摻配，與基質(zhì)瀝青具有優(yōu)良的配伍性。加工改性瀝青時只需在一定溫度下直接投入拌缸攪拌即可，大大簡化了工藝，降低了投資，成品改性瀝青十分穩(wěn)定，在生產(chǎn)、存儲、運輸和使用等方面也很簡便。利用其作為改性劑的改性瀝青體現(xiàn)出良好的路用性能。通過工程實踐中發(fā)現(xiàn)，天然巖瀝青在高溫穩(wěn)定性方面有較大優(yōu)勢，能夠較好地解決目前高等級公路路面由于交通量增大，超載等原因引起的路面車轍，早期病害等現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析，并考慮到高抗車轍性瀝青混合料對其瀝青性能的要求，本文選用目前較常用的SBS改性瀝青和巖瀝青改性瀝青這兩種改性瀝青來對其抗車轍性能進行評價，首次提出采用兩種改性劑復(fù)合改性的方案。

3 Sup-13 SBS+巖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料設(shè)計

為了進行復(fù)合改性瀝青混合料研究，本次研究采用了SBS+巖瀝青復(fù)合改性瀝青來作為Sup-13的膠結(jié)料，從而驗證增加巖瀝青的改性效果，本試驗采用了與Sup-13SBS改性瀝青相同的礦料和級配組成。巖瀝青改性瀝青的性質(zhì)見表1。

表1 巖瀝青改性瀝青技術(shù)指標試驗結(jié)果（摻量8%）

（1）原料檢驗

Sup-13選用的集料采用了兩種類型的石料，其中0～2.36 mm粒徑的為石灰?guī)r，2.36～13.2 mm粒徑的均為玄武巖，材料性能滿足表2～表4要求。

（2）混合料級配設(shè)計

對現(xiàn)場所取原材料實際篩分結(jié)果進行級配設(shè)計,級配范圍沒有采用控制點和限制區(qū)，而是選用了同濟大學(xué)對其優(yōu)化后的上下限來控制。計算結(jié)果見表5，級配曲線見圖2。

（3）旋轉(zhuǎn)壓實確定最佳油石比

按3個油石比制備試件進行測試，試驗結(jié)果見表6。

根據(jù)表6中數(shù)據(jù)可知：在空隙率為4%時的油石比對應(yīng)值為4.9%,因此選取設(shè)計最佳油石比為4.9%。

表2 Sup-13粗集料基本性能測試

表3 Sup-13粗集料密度測試

表4 Sup-13細集料基本性能測試結(jié)果

表5 Sup-13級配設(shè)計計算表

在油石比為4.9%的條件下，礦料間隙率為14.1%，瀝青飽和度為70.7%，均能滿足混合料設(shè)計指標要求。

下面將按照4.9%的油石比成型馬歇爾試件來進行相關(guān)性能的檢測。

圖2 Sup-13級配設(shè)計曲線

表6 Sup-13復(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試驗

（4）水穩(wěn)性檢驗

按4.9%的油石比進行試件的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比測試，結(jié)果見表7、表8。殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比分別符合85%和80%的規(guī)范要求。

表7 Sup-13復(fù)合改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗結(jié)果

表8 Sup-13復(fù)合改性瀝青混合料試件凍融劈裂強度試驗結(jié)果

（5）高溫穩(wěn)定性檢驗

按4.9%的油石比成型試件進行車轍試驗，結(jié)果見表9。動穩(wěn)定度要求不小于2 800次/mm，試驗結(jié)果滿足要求。

表9 Sup-13復(fù)合改性瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

4 性能測試結(jié)果與結(jié)論

4.1 回彈模量的試驗研究

本次試驗采用單軸壓縮試驗（T0713-2000）來測試材料的抗壓強度和抗壓回彈模量，見表10。采用旋轉(zhuǎn)壓實法成型試件，尺寸為Φ100mm×100mm。

表10 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

4.2 抗疲勞性能的試驗研究

瀝青混合料的劈裂疲勞性能是指其在一定間接拉伸應(yīng)力反復(fù)作用下達到疲勞破壞所能承受的荷載次數(shù)。本次試驗分別采用劈裂極限強度的0.3、0.5、0.7倍的極限破壞應(yīng)力這三種應(yīng)力水平，在MTS機上進行疲勞試驗，取得試件在該應(yīng)力水平下的疲勞壽命。最后繪制應(yīng)力-壽命關(guān)系曲線，確定疲勞方程和疲勞參數(shù)，見表11。

表11 劈裂疲勞試驗結(jié)果

可以看出混合料疲勞壽命的大小關(guān)系為：Sup-13（復(fù)合改性）>Sup-13（SBS改性）。

4.3 抗車轍能力的試驗研究

本次研究主要采用車轍試驗進行高溫穩(wěn)定性能的研究。本試驗結(jié)合現(xiàn)場使用情況，按表12三種方案成型雙層車轍板，其中下面層厚度30 mm，上面層厚度20 mm。按試驗規(guī)程要求，試驗溫度60℃，輪壓為0.7 MPa，試件采用T0703-1993輪碾法制作300 mm×300 mm×50 mm試件，測定其動穩(wěn)定度，測試結(jié)果見表13。

表12 車轍板成型方案

表13 車轍試驗結(jié)果

4.4 主要結(jié)論

（1）無論采用SBS改性還是巖瀝青改性，都能使原有瀝青混合料的性能得到改善。

（2）巖瀝青改性瀝青混合料的抗車轍性能、抗變形能力能力相當出色，已經(jīng)超過了SBS改性瀝青混合料的性能。但在水穩(wěn)定性和抗疲勞性能方面不如SBS改性瀝青。

（3）SBS+巖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料在強度、抗疲勞性能和高溫穩(wěn)定性、抗車轍能力等方面均為最優(yōu)。

（4）在經(jīng)濟方面，復(fù)合改性瀝青較普通SBS改性瀝青略貴，但考慮復(fù)合改性瀝青混合料的各項優(yōu)良性能，仍不失為具有推廣性的高性能瀝青混合料，特別是對路用性能要求更高的瀝青上面層。

（5）室內(nèi)模擬現(xiàn)場路面成型雙層車轍板，通過上下面層組合出五種方案，并進行車轍試驗對不同瀝青混合料抗車轍性能對比研究。

研究發(fā)現(xiàn)，相對于上面層，下面層對車轍的貢獻更大，這說明車轍在兩層路面中主要產(chǎn)生在下面層。要提高路面的整體抗車轍能力，就要首先提高下面層瀝青混合料的抗車轍性能。

5 路面使用長期觀察

實體工程在2009年6月完成通車，在經(jīng)歷了夏季高溫以后，于2009年10月中旬、2011年夏天對該路段進行了交通量、軸載譜以及車轍調(diào)查。試驗路段的樁號和對應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)組合見表14。

表14 試驗段路面結(jié)構(gòu)組合與樁號

投入使用后，公路交通量逐年增加，車轍病害控制較理想，但車轍的發(fā)展深度沒有明顯的規(guī)律。

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