適應(yīng)潮濕炎熱氣候的SBS改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價

丁永燦

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

瀝青混凝土路面是經(jīng)人工選配具有一定級配組成的礦料，包括骨料和填料（碎石或軋碎礫石、石屑或砂、礦粉等）與具備一定性能適合在道路使用的瀝青材料，經(jīng)過配合比計算，依據(jù)適合的配合比，通過加熱，并嚴格控制拌制溫度，拌制成均勻混合料并壓密成型后形成的高等級路面。道路上使用的瀝青大多是石油冶煉的衍生物，原油屬性也制約著瀝青的特性。大交通量需要基質(zhì)瀝青具備更好的技術(shù)性能，而基質(zhì)瀝青卻不能完全滿足瀝青路面使用性能的要求。地處于亞熱帶的廣西，氣候炎熱且空氣潮濕，在高溫和低速加載情況下，若瀝青混合料抵抗剪切破壞的能力降低，瀝青路面多出現(xiàn)車轍、滑移、搓板等一些路面破損現(xiàn)象，其中，車轍是瀝青路面由于高溫而引起的破壞現(xiàn)象，其不但造成汽車駕駛員及車上乘客在汽車行駛過程中舒適感降低，而且影響汽車行駛的安全性。本文選用SBS的摻量為6%的改性瀝青與基質(zhì)瀝青進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗對比，分析瀝青混合料高溫抗車轍性能。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

本次試驗研究采用SK70＃A級道路石油瀝青，其性能見表1。

表1 基質(zhì)瀝青SK70＃A常規(guī)指標試驗結(jié)果表

1.2 苯乙烯—丁二烯—苯乙烯（SBS）

聚合物苯乙烯—丁二烯—苯乙烯SBS性能指標如表2所示。

表2 改性劑SBS主要技術(shù)性能指標表

1.3 粗集料

粗集料選用石灰?guī)r碎石，碎石全部采用單一粒徑備料，用水洗的方法清潔，去除泥質(zhì)備用。粗集料的技術(shù)指標見表3。

表3 粗集料試驗結(jié)果表

1.4 細集料

細集料采用石灰?guī)r機制砂，并采用單一粒徑備料，經(jīng)過水洗烘干后備用。細集料的技術(shù)指標見表4。

表4 細集料試驗結(jié)果表

1.5 填料

填料采用石灰?guī)r磨細礦粉，礦粉只采用＜0.075mm部分。表5所示試驗結(jié)果為填料的主要指標。

2 AC－16瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能分析

本次試驗選用廣西常用AC－16的級配，其級配設(shè)計如表6及圖1所示。

表5 礦粉試驗結(jié)果表

圖1 合成級配通過率示意圖

表6 瀝青混合料礦料AC－16級配設(shè)計表

2.1 最佳的瀝青用量確定

選擇采用馬歇爾試驗設(shè)計方案，4.4%被選定為基質(zhì)瀝青的最優(yōu)油石比例，4.8%被選定為聚合物6%的SBS改性瀝青最優(yōu)油石比例。

2.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗

AC－16試件為圓柱體，尺寸101.6mm×（63.5±1.3）mm試件，基質(zhì)瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料均各做三組試驗作為對比。在最佳油石比例的條件下，在試驗溫度為45℃、60℃和70℃時，瀝青混合料穩(wěn)定度結(jié)果見表7和圖2。

表7 瀝青混合料試樣在不同溫度條件下的馬歇爾穩(wěn)定度對比表（kN）

圖2 瀝青混合料試樣馬歇爾穩(wěn)定度－溫度回歸曲線圖

試驗結(jié)果表明：隨著溫度升高，瀝青混合料穩(wěn)定度下降，但SBS改性瀝青混合料穩(wěn)定度的降低速度低于基質(zhì)瀝青混合料。

2.3 車轍試驗

按最佳的油石比例制備成試驗所需的塊狀試件，試件尺寸：300mm×300mm×50mm，表8和圖3是車轍試驗測試結(jié)果。

表8 不同溫度條件下的瀝青混合料動穩(wěn)定度對比表（次／mm）

圖3 瀝青混合料試樣動穩(wěn)定度－溫度回歸曲線圖

試驗結(jié)果表明：

溫度可影響瀝青混合材料的穩(wěn)定程度，隨著溫度的變化，瀝青混合料的動穩(wěn)定度也發(fā)生變化，它們之間成反比例關(guān)系：溫度越高，動穩(wěn)性越差；而溫度越低，動穩(wěn)性越好。為此，可假設(shè)溫度在恒定的狀況下，動穩(wěn)定度降低與與溫度的降低成正比，那么正好就是它的衰減系數(shù)k，即：

我們發(fā)現(xiàn)在45℃～60℃的時候，基質(zhì)石油瀝青和聚合物SBS改性瀝青混合料的k值分別為：

在60℃～70℃的時候，基質(zhì)石油瀝青和聚合物SBS改性瀝青混合料的k值分別為：

從而得知：

瀝青混合料的動穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度平均值較為接近，測定60min車轍深度RD，從而得到RD與溫度的關(guān)系，進一步探究瀝青混合料永久變形受溫度的影響程度。試驗結(jié)果如表9和圖4所示。

圖4 瀝青混合料車轍深度RD與溫度關(guān)系曲線圖

從圖4可知，車轍深度RD和溫度變化兩者主要存在非線性的關(guān)系。車轍深度RD與溫度的關(guān)系基本表現(xiàn)為二次或三次多項式的關(guān)系。在＜60℃時，基質(zhì)石油瀝青和聚合物SBS改性瀝青混合料車轍深度相差并不大，然而，在＞60℃以后，我們發(fā)現(xiàn)基質(zhì)石油瀝青摻合料車轍深度增加幅度大。而相比之下，聚合物SBS改性瀝青混合料車轍深度增加幅度小，由此可以說明聚合物SBS改性瀝青混合料高溫抗車轍效果良好。

表9 瀝青混合料車轍深度RD試驗結(jié)果表（mm）

動穩(wěn)定度高的車轍板，實際的車轍深度卻并不一定小。根據(jù)動穩(wěn)定度的計算公式觀察到動穩(wěn)定度僅僅是描述了車轍試驗在45～60min時間段內(nèi)的車轍深度變化的大小，為了全面反映高溫車轍變形，有必要選用可以表述高溫變形的發(fā)展和變形總量大小的指標。

分析車轍試驗變形曲線，車轍進展快的情況發(fā)生在車轍試驗早期和中期，而到了后期，車轍趨近于平穩(wěn)，車轍變形關(guān)系曲線和坐標軸之間所構(gòu)成的面積會大一些。以車轍變形關(guān)系曲線和坐標軸之間所形成的面積為觀察指標進行分析，目的是排除早中期車轍大，但是45min后車轍的增加量小的情況，稱為“車轍變形的時間累計”。用A來表示。

式中：A——車轍變形的時間累計，mm·min；

ξ——車轍變形，mm；

a、b、……、e——多項式常數(shù)。

在試驗中，基質(zhì)石油瀝青和聚合物SBS改性瀝青混合料這兩種瀝青混合料以60℃溫度條件下的車轍曲線為依據(jù)，經(jīng)過多項式回歸，如圖5所示。按上文（式1）求出得到“車轍變形的時間累計”A，然后對比分析在同樣的試驗條件下與動穩(wěn)定度DS和車轍深度RD的關(guān)系。試驗結(jié)果如表10所示。

圖5 瀝青混合料車轍曲線圖

表10 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果表

試驗分析結(jié)果：在試驗條件相同的情況下，當瀝青混合料試樣動穩(wěn)定度DS不斷增加時，車轍深度RD和車轍變形的時間累計A表現(xiàn)為不斷縮小。與此同時，很好的線性相關(guān)性出現(xiàn)在動穩(wěn)定度DS與車轍變形的時間累計A之間，獲得的線性相關(guān)系數(shù)接近于1，得到大約為0.95的車轍深度RD與車轍變形的時間累計A的時間累計線性相關(guān)系數(shù)。由此認為，用車轍的動穩(wěn)定度評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能具有合理性（如圖6）。

圖6 瀝青混合料高溫性能評價指標關(guān)系示意圖

3 結(jié)語

當45℃、60℃和70℃試驗溫度條件下，改性聚合物SBS瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高107.8%、150.5%和287%。與基質(zhì)石油瀝青混合料相比，SBS改性瀝青混合料車轍深度也降低明顯。聚合物SBS改性瀝青混合料的高溫性能更適于廣西夏季炎熱而冬季溫暖多雨的氣候。