不同改性劑對瀝青混合料的路用性能影響研究

陳 智 周永浪

(1.長沙市軌道交通集團有限公司，長沙 410000；2.中地海外中揚建設工程有限公司，長沙 410000)

1 引言

國內外市政道路路面施工經驗表明， 熱帶地區市政道路面層瀝青混凝土需具備高強、高韌特性，高品質的改性瀝青材料作為關鍵因素，需重點考慮。本研究圍繞某市政道路工程項目， 對熱帶地區市政道路瀝青混凝土進行研究。 由于該市政道路常年處于高溫氣候區域，地面溫度最高可達到60℃，因此，改性瀝青材料需適應不同服役環境， 需具備較好的路面高溫抗車轍能力和集料的裹附性[1-2]。 然而，在每年的6-8 月雨水季節，大量路表雨水的灌入和沖刷會對瀝青路面結構產生水損傷影響，瀝青路面材料的使用需具備較好的水穩定性， 即在雨水沖刷作用下，瀝青混凝土不發生開裂、松散問題[3]。 與此同時，車輛超載嚴重，車輛起步、制動和轉彎，都會對地表產生較大的摩擦阻力，易會對路面產生開裂問題，為確保道面結構強度的不劣化， 需采用黏度性較好的高性能瀝青混凝土[4-5]。 相關研究表明：熱帶地區市政道路瀝青混合料需具備高粘彈性組分， 既要有較好的抵抗受壓變形的能力，又要具備較好的彈性恢復效果[6-7]。 本文在比選PE 改性瀝青、橡膠改性瀝青和SBS 改性瀝青的基礎上，分別制備了不同類型的瀝青混合料進行路用性能測試， 探究高品質、高性能的瀝青路面材料。

2 改性瀝青材料特性研究

為全面提升瀝青路面質量和服役水平， 需對瀝青材料進行嚴格把控， 研究對3 種不同類型的改性瀝青材料進行性能試驗研究，主要包括針入度、軟化點、黏度等測試指標。 相關測試結果見表1。

表1 3 種改性瀝青性能技術指標

由表1 可以看出，3 種改性瀝青的性能技術狀況存在一定差異特性，其中SBS 改性瀝青的針入度、軟化點和黏度值均最小。 相較于SBS 改性瀝青，PE 改性瀝青和橡膠改性瀝青的針入度分別提升7.52%和15.79%， 軟化點分別提升3.85%和7.69%， 黏度分別提升15.24%和54.29%。由于3 種改性瀝青使用的改性劑不同，其改性機理和形成的技術性能也均不同。 SBS 改性瀝青采用的改性劑為SBS(苯乙烯類熱塑性彈性體)，與瀝青的融合會形成內部物理結構鉸鏈，形成空間網絡結構，可促進瀝青材料的高溫性能和耐久性； 將廢舊橡膠材料經特殊工藝加工得到不同目數的橡膠粉材料， 橡膠粉材料與瀝青融合過程中吸收瀝青種樹脂， 烴類組分， 橡膠粉不斷濕潤膨脹，使得材料在物理和化學共同作用下黏度增大，提升整體材料的抵抗彈性變形作用。 PE 的有效組分為聚乙烯，具有強度高、耐久性好等特點，聚乙烯以低于0.03 mm 的細度分散在瀝青中， 經一定試件的融合養生，PE 會不斷溶脹形成空間立體網絡結構， 可提升瀝青材料的延展性和黏度， 制備的瀝青混合料可抵抗高溫環境下車轍作用影響。從改性瀝青性能測試角度來看，橡膠瀝青的黏度更大，其內部的橡膠粘彈組分是關鍵因素，但對于瀝青混合料性能的影響仍需進一步探究分析。

3 改性瀝青混合料性能研究

3.1 配合比設計

根據研究需要， 需對改性瀝青混合料的路用性能尤其是高溫性能和水穩定性進行研究。在此之前，需根據路面設計結構與材料說明進行配合比設計。 研究選用的改性瀝青即上述3 種改性瀝青， 粗細集料均為項目附近的花崗巖石料，填料為普通石灰石礦粉。蒙杜市政道路的面層均采用5 cm 厚0/14 級配改性瀝青混凝土， 其目標配合比如圖1 所示，油石比及馬歇爾物理指標見表2。

圖1 AC-13 配合比設計

表2 3 種不同改性瀝青混合料馬歇爾試驗測試結果

對3 種不同改性瀝青混合料的穩定度與流值進行繪圖分析，如圖2 所示。

圖2 改性瀝青混合料穩定度與流值

由以上圖表可知， 瀝青路面選用0/14 密實型級配，主要考慮了瀝青混合料在嵌擠作用下內部結構材料更加密實，可在一定程度上抵抗重車在起步、制動和轉彎時對路表的沖擊作用。 從3 種不同改性瀝青的最佳油石比和馬歇爾試驗物理指標來看，SBS 改性瀝青的油石比為4.9，PE 改性瀝青和橡膠改性瀝青的油石比為5.0 和5.2。產生這種現象的主要原因是改性瀝青與集料的粘附性有關，橡膠改性瀝青中的橡膠粉熔融在瀝青中，黏度較大，流動性較差，不利于與集料的均勻裹附。從穩定度和流值測試結果來看，PE 改性瀝青混合料的穩定度和流值結果最小，處于比較穩定的結構狀態，不易發生受復雜多變的服役環境的影響而產生結構失穩。

3.2 高溫穩定性

瀝青混合料在高溫環境下， 容易使內部瀝青油脂組分發生變形和遷移，使得內部材料結構失穩，造成路面車轍、麻面、泛油等病害現象。 為保障瀝青路面不產生車轍變形等病害，需全面提升瀝青混合料的高溫穩定性能。研究常采用車轍試驗中動穩定度指標來探究混合料高溫性能技術狀況，考慮到服役環境溫度較高，研究采用60℃和70℃兩個溫度水平來研究改性瀝青混合料的動穩定度，相關測試結果見圖3～4。

圖3 改性瀝青混合料抗車轍變形

圖4 改性瀝青混合料動穩定度

由圖3～4 可知， 對于兩種不同溫度環境下的車轍試驗結果而言，PE 改性瀝青混合料的車轍變形深度最小，60℃和70℃時分別達到1.52 mm 和3.07 mm。 而橡膠改性瀝青混合料的車轍深度是三者中最大的，60℃和70℃時分別達到2.24 mm 和4.42 mm。 其主要原因是橡膠瀝青混合料中橡膠粉具有較好的粘彈性，在高溫環境下易產生彈性變形，造成混合料在外部持續作用下產生車轍， 盡管橡膠改性瀝青混合料的高溫穩定性達到路面設計規范要求， 但在高溫環境地區應謹慎使用。 從動穩定數值結果來看，PE 改性瀝青混合料的動穩定度結果最大，60℃和70℃時分別達到3845 次/mm和2418 次/mm。 3 種改性瀝青混合料在70℃時的動穩定數值較60℃時分別下降了37.11%、49.48%和45.11%，說明PE改性瀝青對于高溫環境下溫度敏感性較低， 不易受溫度變化產生直接性能劣化影響。

3.3 水穩定性

瀝青混合料的水穩定性是指混合料在水損傷環境下材料的劣化影響，水損傷既包括了雨水的沖刷浸潤損傷，也包括了在低溫環境下凍融損傷。 考慮到6-8 月熱帶草原氣候環境下易產生大量持續性的雨季， 對瀝青道面抵抗水損傷的要求就更高。 研究對3 種不同改性瀝青混合料的水穩定性進行測試， 采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩定性能，測試結果見圖5～6。

圖5 改性瀝青混合料殘留穩定度

圖6 改性瀝青混合料凍融劈裂強度比

由圖5～6 可知，3 種改性瀝青混合料的殘留穩定度分別為89.5%、87.6%、86.4%， 凍融劈裂強度比分別為87.3%、86.5%、83.2%。說明PE 改性瀝青混合料的水穩定性能是最佳的，橡膠改性瀝青混合料次之，SBS 改性瀝青混合料最差。 其主要原因是PE 改性瀝青中的聚乙烯和瀝青的油脂成分能夠有效融合，形成不飽和狀態，使得瀝青的黏度增大，材料內部結構處于穩定狀態。 在外部水損傷的環境下，改性瀝青和集料裹附性較好，能夠延緩內部損傷、材料破碎。 而SBS 改性瀝青是SBS 改性劑在瀝青中形成網絡結構，在長期的雨水浸潤和沖刷下，內部水分子容易滲透到SBS 改性瀝青中，破壞其內部結構狀態的穩定，在一定程度上會造成內部混凝土的松散、剝落。

3.4 費用成本分析

從高溫穩定性和水穩定性試驗結果來看，PE 改性瀝青具有較好的性能優勢，但考慮到實際生產路面鋪筑的成本，需進一步對其費用組成進行計算對比，3 種改性瀝青的費用組成如表3 所示。

由表3 分析可知， 對于不同改性劑應用到基質瀝青中制備改性瀝青，改性劑的摻量控制要求也是不一樣的。 其中，橡膠粉材料的摻量最多，達到15%。 改性劑成本因為制備工藝及原材料不同，也存在一定的價格差異。其中，SBS 改性劑的費用最高，達到15600 元/t。通過最終的計算分析，PE 改性瀝青的單位成本費用最低， 價格為3070 元/t， 橡膠改性瀝青分費用與其較為接近，達到3125 元/t。 而SBS 改性瀝青則達到3374 元/t，較PE 改性瀝青貴出304 元/t。 若同時考慮3 種不同瀝青混合料油石比，則PE 改性瀝青的單位成本是最低的。 綜合考慮改性瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性及成本，認為PE 改性瀝青具有絕對的優勢， 可應用于熱帶地區市政道路瀝青面層的鋪筑。

表3 不同改性瀝青費用組成分析

4 結語

本研究以某市政道路工程項目為背景， 對PE 改性瀝青、橡膠改性瀝青、SBS 改性瀝青的技術性能及其混合料高溫穩定性、水穩定性進行綜合分析，認為PE 改性瀝青混合料在高溫穩定性和水穩定性方面具有絕對優勢，通過成本的綜合計算分析，PE 改性瀝青的成本為3070元/t。 研究認為PE 改性瀝青混合料具有高強、高黏、高韌等特點，能夠適應高溫環境下路面車轍、水損傷等病害問題，具有較廣的應用前景。