高粘瀝青在多孔排水路面的應用

徐強

摘要：為研究高粘瀝青在多孔排水路面的應用，文章分析了改性劑摻量對兩種改性瀝青性能的影響，確定最佳摻量下的性能較優異的改性劑制備高粘瀝青，并通過車轍試驗、彎曲試驗、凍融劈裂試驗等試驗檢測高粘瀝青混合料力學性能，同時對高粘瀝青混合料的抗滑性能、排水性能等進行實驗分析，發現高粘瀝青混合料能夠滿足排水性瀝青路面施工要求，各項路用性能優勢顯著，具有應用潛力。

關鍵詞：多孔排水路面;改性劑;高粘瀝青;路用性能

0 引言

近年來，我國高速公路的建設取得了快速發展，目前我國高速公路里程達到14.26萬 km，其中國家高速公路里程為10.55萬 km，我國形成了全球最大的高速公路網路，總里程穩居世界第一。雖然高速公路建設發展如此之快，但仍存在一些問題尚未解決，如雨水天氣時路面積水造成路面濕滑，導致交通事故率陡增，大量積水甚至導致城市內澇。隨著道路交通的發展，公路從業者開始致力于追求更加舒適、環保、安全的道路環境。

排水瀝青路面具有良好的排水降溫降噪功能，能夠提高行車舒適性，增強道路的使用品質。排水瀝青路面也稱透水瀝青路面，是通過將粒徑較大的粗集料互相擠嵌形成骨架孔隙結構，經過壓實作用之后將孔隙率保持在20%左右，其內部的空隙可構成排水通道有利于排出路面積水。但排水瀝青混合料中細集料較少，粗集料含量較多，這會造成集料間的瀝青接觸面較小，空隙率較大，其粘聚力遠低于普通密級配混合料[1]，因此混合料的抗飛散性能、水穩定性能、耐久性能不佳是排水瀝青路面發展的一大障礙。

通過匯總國內外研究現狀及大量工程實踐可知，高粘改性瀝青能夠顯著提高排水性瀝青混合料的抗水損壞、抗車轍、抗飛散損壞以及抗裂性能。高粘瀝青與普通改性瀝青相比，具有較高的60 ℃黏度，即使在排水瀝青混合料中也能產生較大的粘結力，同時也能提高排水瀝青混合料的抗老化和抗結構性損害能力。因此本文以期開發一種高粘瀝青改性劑，制備混合料并檢測其性能指標，通過對比規范要求以評價混合料路用性能，為今后我國排水瀝青路面應用提供參考經驗，對提升我國道路交通安全性、舒適性具有參考意義。

1 原材料

1.1 基質瀝青

基質瀝青的技術指標對改性后瀝青的性能有重要影響，因此基質瀝青各項指標必須符合規范要求。本文采用東海牌70#基質瀝青，其主要技術指標見表1。

1.2 改性劑

SBS是排水性路面中應用較為廣泛的高粘改性劑成分之一，多摻配增粘樹脂、增塑劑等組分制備高粘改性劑。研究表明，橡膠類物質可改善瀝青混凝土的低溫性能，但與SBS等改性劑相比，對高溫性能的貢獻不大[2]。根據以往經驗，初步確定使用SBS、40目廢舊輪胎橡膠粉兩種高粘改性劑進行試驗。橡膠粉、SBS改性劑基本性能指標分別如表2、表3所示。

1.3 礦料

因條件限制，本研究采用粗細集料均為石灰巖，礦粉由石灰巖磨細制得。根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）對礦料進行基本性能試驗，技術要求根據施工技術規范中高速公路、一級公路表面層，氣候分區1-3-2確定。試驗結果如表4所示。

2 高粘改性瀝青制備

為優選一種經濟適用的改性劑用于制備高粘瀝青，本文根據經驗采用SBS、橡膠粉兩種改性劑，選擇6%、8%、10%三種摻量水平進行對比試驗，以確定改性劑摻量對兩種改性瀝青性能指標的影響。具體試驗方案如表5所示。

控制相容劑和穩定劑摻量相同，改性劑摻量參照試驗方案，制備6份高粘瀝青試件，依次測定高粘瀝青的針入度、5 ℃延度、軟化點、60 ℃黏度。試驗結果如表6所示。

橡膠粉或SBS均可提高瀝青粘稠度。隨著改性劑摻量的增加，瀝青針入度降低，經14%橡膠粉或SBS改性后，瀝青針入度降低0.1 mm左右。這可能是SBS分散在瀝青中形成的三維網狀結構會阻礙改性瀝青分子間相對運動，提高瀝青黏度，導致針入度下降、瀝青變硬。隨著膠粉摻量的增加，瀝青分子與膠粉中橡膠結構的結合度增加，分散橡膠質與橡膠粒空間網狀結構的結合機率增加，導致針入度下降。

橡膠粉或SBS均可提高瀝青高低溫性能。隨著改性劑摻量的增加，延度和軟化點增大，改性劑摻量為14%時，延度增加至基質瀝青的兩倍左右。這是因為橡膠粒子吸收了瀝青中的輕質組分后發生溶脹，在高溫時發生裂解反應，使瀝青含量相對增加，導致改性后的瀝青變稠，流動性下降，從而提升了高低溫性能。瀝青中摻加SBS改性劑會使瀝青變稠，彈性增加，同時瀝青組分間的粘附性增強，從而對高低溫性能有不同程度的提升[3]。

SBS改性瀝青各項性能指標均高于橡膠改性瀝青，這是因為高分子聚合物的彈性比膠粉粒子要好，且SBS改性劑可以與基質瀝青相互交聯成穩定的網狀結構，但橡膠改性劑無法達到這種功效，同時在低溫下膠粉粒子剛性較強，在集中應力作用下極易斷裂[3]。

60 ℃黏度作為高粘瀝青性能的重要考慮指標，其數值越大則高溫條件下對集料的粘附性越好，兩種改性劑在摻量相同時，SBS改性劑的60 ℃黏度更高，且滿足《排水瀝青路面設計與施工技術細則》中高粘瀝青60 ℃動力黏度≥50 000 Pa·s。若在選取改性劑時綜合考慮經濟性和技術指標，應選用SBS改性劑，摻量為14%制備高粘瀝青。

3 高粘瀝青混合料路用性能研究

3.1 混合料配合比設計

路面的排水功能主要依靠內部孔隙形成排水通道，但孔隙率較大時又會造成耐久性能不佳，因此在兼顧耐久性和排水功能性時，空隙率是關鍵的技術指標。18%～25%是國內外比較普遍使用的空隙率，以20%最為常見，因此本文目標空隙率設定為20%。

依據推薦的級配范圍，進行級配設計，根據已經確定的目標空隙率進行適當調整，得出最終設計級配如表7所示。

排水路面瀝青混合料中的大粒徑碎石粗集料比較多，若油石比過小會發生集料松散剝落的現象，若油石比過大則會導致析漏。因此為保證排水路面瀝青混合料的性能，確定最佳油石比尤為重要。選取油石比為3.7%～5.7%，以0.5%間隔變化成型馬歇爾試件，進行馬歇爾性能試驗。試驗結果如下頁表8所示。

由表8可知，當油石比為4.7%時，瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率在20%左右，穩定度為最大值，且其余各項指標均滿足規范要求，因此選取最佳油石比為4.7%。

3.2 高粘瀝青混合料力學性能研究

本文以車轍試驗、彎曲試驗和凍融劈裂試驗評價SBS改性瀝青混合料的高低溫性能及水穩定性。SBS改性瀝青混合料與基質瀝青混合料試驗結果如表9所示。

高粘排水瀝青混合料的動穩定度>6 000 次/mm，[JP2]約為基質瀝青混合料的3倍，彎曲破壞應變和凍融劈裂強度比也均高于后者，表現出良好的高低溫性能和水穩定性。

4 高粘瀝青應用效果分析

4.1 抗滑性能

按照《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）中的試驗方法，本文采用英國ELE-6000型便攜式擺式儀測量高粘瀝青混合料成型的車轍試件的擺值[4]，以檢驗其抗滑性能，試驗結果如表10所示。

由表10可知，三次測得的高粘瀝青混合料BPN值均>60，滿足《公路路面驗收規范》中規定的高速公路的瀝青路面擺值應>45 BPN的要求。說明高粘瀝青混合料具有比較好的微觀紋理，滿足路面的抗滑性能。

4.2 排水性能

根據《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60-2008）中的試驗方法，將高粘瀝青混合料碾壓成型后，利用路面滲水儀來測定其滲水系數，測定五次取平均值，以檢驗該混合料的排水性能[4]。試驗結果如表11所示。

根據表11可以發現，高粘瀝青混合料滲水系數為4 428.3 ml/min，遠超過技術標準≥3 600 ml/min的要求;滲水時間為5.3 s，遠低于技術標準≤6.7 s的要求，表明其具有很強的排水能力。

因此，將高粘瀝青應用于排水性路面時，雨水能夠迅速滲入面層，有效減少水濺、水霧等問題，同時其抗滑性能良好，能夠提高行車的安全性，表明高粘瀝青應用在排水路面中效果良好，可以推廣應用。

5 結語

在目前建設“海綿城市”的理念下，本文對高粘瀝青在多孔排水路面的應用進行研究，發現改性瀝青的摻量對制備的改性瀝青性能有影響，隨著摻量的升高，各項性能逐漸變好。通過車轍試驗、彎曲試驗和凍融劈裂試驗發現高粘瀝青用于排水瀝青混合料中，表現出良好的高、低溫穩定性和水穩定性;通過高粘瀝青混合料排水性能和抗滑性能測試發現各項性能指標遠超過規范要求，路用性能良好。高粘瀝青排水路面是一種具有高端使用功能和環保品質的路面類型，為建設更為舒適、環保、安全的道路交通提供了一種選擇，在國內應用前景廣闊，建議推廣應用。[JP2]

參考文獻：

[1]劉東美，葉慶凡，于曉霞，等.排水路面高黏瀝青及其混合料性能試驗研究[J].山東建筑大學學報，2019，34（2）：17-21.

[2]宋樂春，寧愛民，李志軍，等.排水性瀝青路面用高黏改性劑研究進展[J].中國膠粘劑，2017，26（12）：55-58.

[3]盧 杰.透水瀝青路面專用高粘度改性瀝青性能研究[D].天津：河北工業大學，2018.

[4]張 嚴.排水性環氧瀝青混合料性能研究[D].南京：東南大學，2018.