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

1 問(wèn)題的提出

車轍病害是目前江蘇省高等級(jí)公路最常見(jiàn)的瀝青路面損壞現(xiàn)象。近幾年，太倉(cāng)港的發(fā)展出現(xiàn)大提速，新制定的太倉(cāng)港發(fā)展總體規(guī)劃中，泊位數(shù)從原先規(guī)劃的114個(gè)調(diào)整到172個(gè)，港口設(shè)計(jì)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(wàn)標(biāo)箱調(diào)整到2210萬(wàn)標(biāo)箱。224省道太倉(cāng)港至沿江高速段是連接太倉(cāng)港與338省道、沿江高速公路等多條國(guó)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(jìn)行“白改黑”路面改造。沿線經(jīng)太倉(cāng)港區(qū)和金浪、沙溪兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，路段全長(zhǎng)約13.7 km。作為港口主要運(yùn)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(yán)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(hù)維修費(fèi)用的關(guān)鍵因素，因此，針對(duì)港區(qū)道路的行車條件，以高抗車轍性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的瀝青混合料設(shè)計(jì)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

道路原來(lái)采用的是水泥混凝土的路面結(jié)構(gòu)，新的道路是在對(duì)原有水泥混凝土路面進(jìn)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(jì)方法、控制標(biāo)準(zhǔn)、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(shí)也需要對(duì)下面層瀝青混合料展開(kāi)研究，這對(duì)于提高瀝青路面的抗車轍性能，提高瀝青路面對(duì)港區(qū)重載的適應(yīng)性具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。但本文主要針對(duì)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(duì)下面層仍采用常規(guī)瀝青及改性方式，因此對(duì)下面層的試驗(yàn)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(shù)脂、高分子聚合物、磨細(xì)的橡膠粉或其他填料等外摻劑(改性劑)，或采用對(duì)瀝青輕度氧化加工等措施，使瀝青或?yàn)r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?yàn)r青混合料中加入天然的或人工的有機(jī)或無(wú)機(jī)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(guó)際上并沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。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(jiàn)圖1。

從狹義上來(lái)講，現(xiàn)在所指道路改性瀝青一般是指聚合物改性瀝青，簡(jiǎn)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(shù)脂類。

不同的改性劑對(duì)瀝青性能的影響是不一樣的。試驗(yàn)結(jié)果表明，SBS對(duì)瀝青的高、低溫性能、彈性恢復(fù)性能、感溫性等指標(biāo)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(yàn)結(jié)果也說(shuō)明SBS改性劑各方面都有明顯效果，而PE主要表現(xiàn)在改進(jìn)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(shí)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(wèn)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(yùn)輸和存儲(chǔ)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(wèn)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(duì)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(shí)只需在一定溫度下直接投入拌缸攪拌即可，大大簡(jiǎn)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(chǔ)、運(yùn)輸和使用等方面也很簡(jiǎn)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(guò)工程實(shí)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(shì)，能夠較好地解決目前高等級(jí)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(duì)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(lái)對(duì)其抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(jì)

為了進(jìn)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(lái)作為Sup-13的膠結(jié)料，從而驗(yàn)證增加巖瀝青的改性效果，本試驗(yàn)采用了與Sup-13SBS改性瀝青相同的礦料和級(jí)配組成。巖瀝青改性瀝青的性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 巖瀝青改性瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果（摻量8%）

（1）原料檢驗(yàn)

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(jí)配設(shè)計(jì)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取原材料實(shí)際篩分結(jié)果進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì),級(jí)配范圍沒(méi)有采用控制點(diǎn)和限制區(qū)，而是選用了同濟(jì)大學(xué)對(duì)其優(yōu)化后的上下限來(lái)控制。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

（3）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)確定最佳油石比

按3個(gè)油石比制備試件進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)表6中數(shù)據(jù)可知：在空隙率為4%時(shí)的油石比對(duì)應(yīng)值為4.9%,因此選取設(shè)計(jì)最佳油石比為4.9%。

表2 Sup-13粗集料基本性能測(cè)試

表3 Sup-13粗集料密度測(cè)試

表4 Sup-13細(xì)集料基本性能測(cè)試結(jié)果

表5 Sup-13級(jí)配設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)指標(biāo)要求。

下面將按照4.9%的油石比成型馬歇爾試件來(lái)進(jìn)行相關(guān)性能的檢測(cè)。

圖2 Sup-13級(jí)配設(shè)計(jì)曲線

表6 Sup-13復(fù)合改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)

（4）水穩(wěn)性檢驗(yàn)

按4.9%的油石比進(jìn)行試件的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表7、表8。殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

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

（5）高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)

按4.9%的油石比成型試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表9。動(dòng)穩(wěn)定度要求不小于2 800次/mm，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表9 Sup-13復(fù)合改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

4 性能測(cè)試結(jié)果與結(jié)論

4.1 回彈模量的試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)采用單軸壓縮試驗(yàn)（T0713-2000）來(lái)測(cè)試材料的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量，見(jiàn)表10。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件，尺寸為Φ100mm×100mm。

表10 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4.2 抗疲勞性能的試驗(yàn)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(dá)到疲勞破壞所能承受的荷載次數(shù)。本次試驗(yàn)分別采用劈裂極限強(qiáng)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(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，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(jiàn)表11。

表11 劈裂疲勞試驗(yàn)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(yàn)研究

本次研究主要采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能的研究。本試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)規(guī)程要求，試驗(yàn)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(cè)定其動(dòng)穩(wěn)定度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表13。

表12 車轍板成型方案

表13 車轍試驗(yàn)結(jié)果

4.4 主要結(jié)論

（1）無(wú)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(dāng)出色，已經(jīng)超過(guò)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(qiáng)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(jì)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(xiàng)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(duì)路用性能要求更高的瀝青上面層。

（5）室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)路面成型雙層車轍板，通過(guò)上下面層組合出五種方案，并進(jìn)行車轍試驗(yàn)對(duì)不同瀝青混合料抗車轍性能對(duì)比研究。

研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于上面層，下面層對(duì)車轍的貢獻(xiàn)更大，這說(shuō)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(zhǎng)期觀察

實(shí)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(duì)該路段進(jìn)行了交通量、軸載譜以及車轍調(diào)查。試驗(yàn)路段的樁號(hào)和對(duì)應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)組合見(jiàn)表14。

表14 試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)組合與樁號(hào)

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(méi)有明顯的規(guī)律。

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