不同改性瀝青及纖維對大空隙率瀝青路面性能影響的研究

張波

（大連市市政設計研究院有限責任公司設計三所，遼寧 大連 116028）

0 引言

近年來，隨著城市的快速發展，大量高架快速路應運而生，高架快速路對于緩解城市交通擁堵發揮著重要的緩解作用。高架快速路由于車速快且鄰近居民區，行車時會產生大量噪聲，為降低交通噪聲對沿線居民生活的影響，目前常采用大空隙瀝青路面。大空隙瀝青路面不僅可以降低行車噪聲，同時具有排水性好、抗滑能力強、行車安全高等優點，是城市重要路段路面的首選方案[1-2]。

目前我國多個城市采用大空隙率瀝青路面，比如大連東聯路。東聯路為貫穿南北的主干路，全長11.3 km，路面寬度24 m，雙向六車道，由于城市用地緊張，東聯路沿線緊鄰城市居民住宅，為降低行車噪聲對周圍居民的影響，東聯路全線鋪設大空隙率瀝青路面，實際運營效果顯示，大空隙率瀝青路面確實有效降低了行車噪聲。

與普通瀝青路面相比，大空隙瀝青路面對改性瀝青及集料有更高的要求。本文選用SBS、橡膠粉、SBS與橡膠粉復合作為改性劑對瀝青進行改性，以日本TPS改性瀝青作為參照對比。主要研究SBS、橡膠粉、SBS與橡膠粉復合三種改性劑與日本TPS改性瀝青混合料性能的對比；研究長纖維、短切纖維、纖維棉三種不同纖維型式對改性瀝青混合料性能的影響；大空隙率瀝青路面建議采用玄武巖作為集料，但國內并不是所有城市都有購買玄武巖的財政能力，本文采用石灰巖、玄武巖作為集料，研究其對瀝青混合料性能的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

瀝青采用普通90#瀝青，具體性能指標見表1。

表1 瀝青基本性能

1.2 改性劑

（1）橡膠粉改性劑。

（2）SBS改性劑。SBS改性劑既具有橡膠的性質，又有樹脂熱塑性質，外觀呈現線狀形狀，多孔罩粒。

（3）TPS改性劑。用于大空隙率瀝青路面的日本進口改性劑。

1.3 集料

集料采用石灰巖和玄武巖，石灰巖與瀝青黏結性能優于玄武巖，但石灰巖的耐磨性能劣于玄武巖。

2 不同改性瀝青對大空隙率瀝青混合料性能的影響

2.1 改性瀝青混合料的高溫性能

目前瀝青混合料高溫性能的評價主要采用的方法是馬歇爾穩定度試驗法。

2.1.1 馬歇爾試驗法

馬歇爾試驗設備簡單、操作方便，目前被世界上許多國家采用，是我國評價高溫性能的主要試驗之一。馬歇爾要測定的指標有穩定度和流值，馬歇爾穩定度是在規定的加載速率條件下，試件破壞前所能承受的最大荷載；流值是達到最大荷載時試件的垂直變形。

馬歇爾試驗需要的儀器主要有馬歇爾擊實儀和馬歇爾試驗儀[3-4]。

按照馬歇爾試件在水槽中保溫時間的不同，馬歇爾試驗分為馬歇爾穩定度和浸水馬歇爾穩定度，馬歇爾穩定度是在水中保溫30 min，而浸水馬歇爾穩定度是48 h。

為研究90#瀝青、不同改性瀝青對瀝青混合料性能的影響，選用工程中常用的改性劑摻量，SBS摻量5%、橡膠粉摻量16%、SBS5%與11%橡膠粉復合、TPS摻量4%，集料采用石灰巖，馬歇爾穩定度和流值結果見表2。

表2 不同瀝青混合料馬歇爾穩定度和流值的平均值

從圖1a分析可知，四種改性瀝青的馬歇爾穩定度均大于大空隙瀝青混合料馬歇爾穩定度3.5 kN的規定，說明經過改性的瀝青混合料均有良好的高溫穩定性。在四種改性瀝青混合料中，TPS改性瀝青混合料的馬歇爾穩定度最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。

未經改性90#瀝青的浸水馬歇爾穩定度降低幅度最大，小于3.5 kN，其他四種改性瀝青則大于3.5 kN，TPS最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。復合改性瀝青的浸水馬歇爾穩定度大于SBS改性瀝青，說明經過復合改性瀝青的高溫性能優于SBS改性瀝青。

圖1 穩定度和流值

從圖1b分析可知，未經改性90#瀝青的流值超過規范的40 mm，不滿足規范要求。四種改性瀝青混合料的流值均在規范的20～40 mm，其中橡膠粉改性瀝青最大，復合改性瀝青其次，SBS次之，TPS最小。復合改性瀝青的流值與SBS改性瀝青混合料相比，流值稍有所增加。復合改性瀝青的浸水流值稍大于SBS改性瀝青，這是因為復合改性瀝青中加入了橡膠粉，由于橡膠粉本身是一種彈性很大的材料，增加了復合改性瀝青混合料的彈性，導致流值增加。

2.2 大空隙瀝青混合料的水穩定性

殘留穩定度是指48 h浸水馬歇爾穩定度與30 min馬歇爾穩定度的比值。計算公式見式（1）。

式中：MS0為試件的浸水殘留穩定度，%；MS1為試件浸水48 h后的穩定度，kN；MS為試件浸水30 min后的穩定度，kN。

殘留穩定度見表3。

從圖2分析可知，改性瀝青混合料的殘留穩定度均符合我國規范瀝青混合料殘留穩定度不得低于75%的規定，TPS改性瀝青混合料的殘留穩定最大，復合改性瀝青次之，大于SBS，橡膠粉的殘留穩定度最小，說明復合改性瀝青混合料高于SBS的水穩性。四種改性瀝青中，橡膠粉改性瀝青混合料的水穩性最差。不同纖維TPS改性瀝青混合料的殘留穩定度見表4。

表3 殘留穩定度平均值

圖2 不同改性瀝青混合料殘留穩定度

表4 不同纖維TPS改性瀝青混合料殘留穩定度平均值

從圖3a分析可知，長纖維摻量為0.3%時，與TPS瀝青混合料的殘留穩定度相比，無纖維的TPS瀝青混合料的殘留穩定度稍有下降，短切纖維和纖維棉摻量0.3%時，TPS瀝青混合料的殘留穩定度稍有提高，摻加不同纖維類型對大空隙瀝青混合料的殘留穩定度有一定程度影響，但不明顯。

從圖3b分析可知，集料采用石灰巖的TPS改性瀝青混合料的殘留穩定度與玄武巖相差不大。

圖3 不同纖維TPS改性瀝青混合料殘留穩定度

2.3 改性瀝青混合料的力學性能

大空隙瀝青路面作為路面的表面層，主要作用是將車輛荷載傳遞到中面層，所以大空隙瀝青混合料不僅要有良好的高溫穩定性和水穩性，還需具有良好的力學性能[5]。

2.3.1 抗壓強度

抗壓強度是瀝青混合料抵抗外力荷載的強度。具體實驗方法是將馬歇爾試件在15℃的條件下靜置24 h，用卡尺在試件上下兩個斷面的垂直方向上正確量取試件的直徑，取平均值。然后放在萬能材料壓力機上加載。計算公式見式（2）。

式中：Rc為試件的抗壓強度，MPa；P為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件直徑，mm。

從表5分析可知，經過改性的瀝青混合料的抗壓強度均高于未經改性90#瀝青的抗壓強度，TPS改性瀝青混合料的抗壓強度最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。

采用石灰巖和玄武巖的抗壓強度相差無幾，而纖維對改性瀝青混合料的抗壓強度提高作用并不明顯。

2.3.2 劈裂強度

冬季氣溫低，瀝青路面會因為溫度的急劇下降加上持續的車輛荷載作用導致路面產生開裂現象，對路面的路用性能影響極大，同時水會從開裂處大量侵蝕瀝青混合料，從而導致水穩性能急劇下降。

表5 不同改性瀝青混合料的抗壓強度 MPa

試驗步驟：測定馬歇爾試件的直徑及高度，準確至0.1 mm。將試件放入到15℃的恒溫水槽中，不少于1.5 h。當為恒溫空氣浴時不少于6 h，直至試件內部溫度達到要求的溫度為止，保溫時注意試件之間的距離不少于10 mm。從恒溫水槽中取出試件，放到萬能材料試驗機上加載。計算公式見式（3）。

式中：RT為劈裂抗拉強度，MPa；PT為試驗荷載最大值，N；h為試件高度，mm。

從表6分析可知，經過改性瀝青混合料的劈裂強度均高于未經改性90#瀝青混合料的劈裂強度，TPS改性瀝青混合料的劈裂強度最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。

采用石灰巖和玄武巖的劈裂強度相差無幾，而纖維對改性瀝青混合料的劈裂強度稍有提高，加載時試件首先產生許多微小的裂縫，在混合料中摻加纖維后，纖維能夠延緩微小裂縫的繼續增大，提高了混合料的劈裂強度。

表6 劈裂試驗強度 MPa

3 結語

（1）通過試驗得知，SBS和橡膠粉復合材料綜合性能相對最接近于TPS改性劑，SBS性能其次，橡膠粉最差。

（2）長纖維、短切纖維、纖維棉三種不同纖維型式對大空隙瀝青路面性能影響不同，纖維棉最好，短切纖維其次，長纖維最差。纖維對大空隙瀝青路面性能稍有提高，但作用不明顯。

（3）玄武巖作為集料的大空隙瀝青路面性能稍優于以石灰巖作為集料的大空隙瀝青路面，玄武巖耐磨性能要優于石灰巖，在鋪設大空隙率瀝青路面工程中，要依據當地石料，選擇合適的石料。

[1]沈金安.開級配多空隙排水型瀝青路面[J].中外公路,1994(6):15-20.

[2]曹衛東,陳旭,呂偉民.簡述國內外低噪聲瀝青路面研究狀況[J].石油瀝青,2005,19(1):50-54.

[3]伍石生.低噪聲瀝青路面設計與施工養護[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4]趙晶,王抒音.SBS改性瀝青技術與效果評價[J].中國公路學報,1997(4):18-24.

[5]楊軍.聚合物改性瀝青[M].北京:化學工業出版社，2007.