排水性能優化下的高彈改性瀝青應用研究

李雪娟

摘要 通過在基質瀝青中添加橡膠粉和SBS改性劑，成功制備了高黏高彈改性瀝青，克服了其在排水瀝青混合料中的高溫穩定性差、水穩定性不足及使用壽命短的問題。性能評價表明，添加SBS和橡膠粉后，瀝青的針入度降低、軟化點和黏度增加，高溫性能顯著提升、疲勞壽命增加；橡膠粉的加入增強了混合料的水穩定性，稍微降低了滲水系數，但保持了充分排水能力。綜合分析建議的最佳橡膠粉摻量為20%。

關鍵詞 高黏高彈改性瀝青；排水瀝青混合料；SBS改性劑；疲勞性能；橡膠粉

中圖分類號 U416.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0124-03

0 引言

高黏高彈改性瀝青以其卓越的性能在多個領域得到了廣泛應用。在空港、高速公路和其他高負荷交通區域的道路工程中，高黏高彈改性瀝青展現了出色的高溫穩定性和疲勞抗性，其在防水層、摩擦層等不同層次的應用，為提高道路性能和使用壽命提供了有效手段[1]。高黏高彈改性瀝青在瀝青混合料中的應用引起了廣泛關注。研究表明，其引入后能夠顯著提高混合料的耐疲勞性、抗變形性和抗龜裂性。因此，高黏高彈改性瀝青的應用使得瀝青混合料在高負荷和高溫條件下的表現更為卓越，為提高道路耐久性提供了有效手段。

1 試驗材料與方案

1.1 基質瀝青

為了深入探討高黏高彈改性瀝青在排水瀝青混合料中的應用，該研究選用A級基質瀝青作為研究對象，其性能指標按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）的要求進行測試[2]，以確保測試的準確性和可比性，見表1所示：

1.2 改性劑

高黏高彈改性瀝青的制備過程涉及使用多種改性劑，以提升其性能，使其更適用于特殊的工程需求。其中，聚合物改性劑是常見的一類，如丁苯橡膠（SBR）、聚合苯乙烯（SBS）、聚氨酯等。這些聚合物能夠顯著提高瀝青的彈性和黏度，改善其在高溫條件下的性能，使其更具耐久性。橡膠改性劑也是常用的改性劑之一，包括再生橡膠、細粉橡膠和乳膠橡膠等，其技術指標如表2所示。這些橡膠顆粒的引入能夠增加瀝青的韌性和耐久性，提高其抗交通負荷和抗氣候變化的能力。另一種重要的改性劑是聚合物改性橡膠（PMB），其常見成分包括SBS、SBR和EVA等；PMB能夠顯著提高瀝青的抗疲勞性、彈性模量和耐老化性能，使其在高溫高負荷的環境下表現出色[3]。

1.3 高性能改性瀝青的定制制備探究

高黏高彈改性瀝青的制備過程包括幾個關鍵步驟。首先，選擇高黏度的基礎瀝青作為起點，這通常是通過石油提煉得到的原瀝青。基礎瀝青的選擇對于最終產品的性能至關重要，因為其初始性質將在改性的過程中被調整和增強。其次，通過添加改性劑改良瀝青的性能。這些改性劑的選擇取決于所需的最終性能，可能包括聚合物、橡膠或聚合物改性橡膠等。這些改性劑有助于提高瀝青的黏度、彈性模量和耐老化性能，從而使其更適合特殊的工程需求[4]。隨后，混合和加熱是關鍵的制備步驟。將基礎瀝青和改性劑進行混合，并在適當的溫度下進行加熱，確保改性劑均勻地分散在瀝青中。這個過程有助于形成均勻的混合物，提高最終產品的一致性[4]。

2 排水性能優化下的高彈改性瀝青應用研究

在該研究中，采用玄武巖作為排水瀝青混凝土的集料，并根據技術指標進行了詳細的選擇，其具體參數如表3所示。在配合設計中，參照PAC-13級配進行設計，通過調整排水瀝青混凝土的級配曲線[5]，確保其符合設計要求。為了提高排水瀝青的混凝土性能，特別是在改性瀝青的使用下，對級配進行了合理的調整。

3 試驗流程

在該研究中，為了解決高黏高彈改性瀝青在排水瀝青混合料中存在的高溫穩定性差、水穩定性不足及使用壽命短的問題，采用了在基質瀝青中添加橡膠粉和SBS改性劑的方法[6]。首先，進行了材料的準備，選擇了符合要求的A級基質瀝青、SBS改性劑和40目的橡膠粉。隨后，通過高速剪切儀濕法制備了橡膠改性瀝青，控制溫度、剪切速率和時間，以確保制備的橡膠改性瀝青質量。接著，將不同摻量的橡膠改性瀝青與SBS改性劑進行混合，加入工業硫磺，最終得到高黏高彈的改性瀝青。在瀝青混合料的設計中，選擇了玄武巖作為集料，通過集料篩選試驗確定了合適的粒徑分布，并進行了馬歇爾試驗以優化瀝青含量。

隨后，對瀝青及混合料進行了一系列的性能評價試驗，包括針入度、軟化點、黏度、多重應力蠕變和線性振幅等。通過這些試驗，系統地評估了瀝青的工程性能和混合料的實際路用性能。結果顯示，橡膠粉和SBS改性劑的添加顯著提高了高黏高彈改性瀝青的高溫穩定性和水穩定性。特別是在車轍抗性方面，改性瀝青表現出更強的抗變形能力。此外，對凍融劈裂、漢堡車轍和滲水等性能進行了評價，驗證了改性瀝青在實際路用中的可行性。

4 試驗結果分析

4.1 針入度

在進行針入度測試時，首先應確保樣品的代表性和穩定性，因此通常從施工現場采集樣品。這些樣品在室溫下存放，并在測試前進行必要的預處理。測試過程中應使用符合標準要求的瀝青針入度儀，該儀器能夠垂直壓入預熱的瀝青樣品表面。測試過程中應保持溫度的穩定性和測試環境的一致性，確保得到準確可靠的數據。測試完成后，記錄每次測試的針入度數值，并計算其平均值。這些數據將提供有關瀝青黏度和流動性的信息，對于道路施工中的材料選擇和工程質量控制至關重要。測定的針入度值，如圖1所示。通過分析針入度試驗結果，可以得知高黏高彈改性瀝青在規定溫度下的流動性和黏度表現。

4.2 軟化點

在軟化點測試中，先將經過預處理的高黏高彈改性瀝青樣品置于一個特定的測試環境中，然后通過逐漸加熱的方式觀察瀝青樣品發生軟化的溫度。軟化點即為瀝青開始在球形金屬探針的壓力下產生塑性變形的溫度。軟化點的試驗結果提供了瀝青在高溫環境下開始變軟和流動的溫度信息，改性瀝青的軟化點試驗結果如圖2所示。較高的軟化點通常表示瀝青在高溫條件下更為穩定，能夠保持其黏度和形狀，有助于減緩路面龜裂和變形等問題。

4.3 黏度

高黏高彈改性瀝青的黏度是一個關鍵的常規性能指標，用于評估其在不同溫度下的流變性和黏性。黏度測試通常通過旋轉黏度儀等設備進行，這些測試提供了瀝青在實際使用條件下的黏性特性。黏度試驗結果如圖3所示。在進行黏度測試時，高黏高彈改性瀝青樣品首先會被預熱至特定溫度，然后施加一個剪切力以觀察其在這一溫度下的變形和流動情況。試驗結果以黏度值表示，反映了瀝青在所選溫度下的阻力和流動性。

5 高黏高彈改性瀝青流變性能

5.1 多重應力蠕變

高黏高彈改性瀝青的流變性能，特別是在多重應力蠕變條件下的表現，是評估其在道路工程中實際應用時的關鍵性能之一。多重應力蠕變測試通過在不同應力和溫度條件下施加剪切力，提供了瀝青在變化工況下的變形和流動行為的詳細信息。在進行多重應力蠕變測試時，高黏高彈改性瀝青樣品將在控制的應力水平下受到連續的剪切作用[7]。這種測試能夠模擬實際交通負荷和氣候條件下瀝青材料的應力響應。通過測量應力和應變的關系，可以得到瀝青的流變學特性，包括動態剪切模量、相位角等參數。

5.2 線性振幅試驗

高黏高彈改性瀝青流變性能的線性振幅試驗是一種常見的實驗方法，用于評估瀝青在受到不同振幅剪切應力下的變形和流動行為。這種試驗通常通過動態剪切流變儀進行，該儀器能夠在不同頻率和振幅下施加剪切力，并測量瀝青的響應。在進行線性振幅試驗時，高黏高彈改性瀝青樣品被置于試驗儀器中，并在一定的溫度范圍內進行測試[8]。試驗過程中，系統將以線性振幅施加剪切應力，然后測量相應的應變。通過在多個振幅和頻率條件下執行測試，可以獲得瀝青在變化條件下的動態剪切模量、相位角等重要參數。

5.3 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗是該文中一個關鍵的實驗環節，旨在評估高黏高彈改性瀝青及其混合料在冰凍和融化交替的極端寒冷條件下的抗裂性能。首先，通過選用凍融劈裂試驗機，確保能夠在控制的實驗環境下模擬出寒冷氣候對瀝青路面的挑戰[9]。

在試驗開始前，精心準備了高黏高彈改性瀝青試樣以及相應的混合料試樣，確保它們符合相應的規范要求，并采用了符合試驗標準的尺寸和形狀。試驗前，對試樣進行了適當的室溫平衡處理，以確保試樣達到試驗所需的溫度。

在試驗中，需加載試樣到凍融劈裂試驗機中，通過設置試驗機的溫度范圍和凍融循環次數，模擬了道路在寒冷條件下的工作環境。通過觀察試樣在凍融過程中的變化，記錄下試驗期間的溫度、循環次數，并重點關注試樣上可能形成的裂縫。

6 結論

首先，通過采用橡膠粉和SBS改性劑，成功制備了高黏高彈改性瀝青。經過一系列全面的性能評價，包括針入度、軟化點、黏度、多重應力蠕變、線性振幅等試驗，確認了高黏高彈改性瀝青在各項性能指標上的顯著改進。

在高溫性能方面，添加SBS改性劑和橡膠粉使得高黏高彈改性瀝青表現出卓越的工程性能。尤其是在高溫條件下，疲勞壽命顯著延長，這對于減緩車轍和永久變形問題具有積極的意義。橡膠粉的加入在提高瀝青混合料的高溫性能方面發揮了重要作用，尤其是在優化橡膠粉的摻量為20%時，綜合性能得到了最佳的平衡。

另外，該文還對混合料進行了全面的改進，采用玄武巖作為集料，并通過調整級配曲線達到了最優設計。通過馬歇爾試驗，成功確定了不同改性瀝青的最佳摻量，為高黏高彈改性瀝青在實際道路工程中的應用提供了可行的技術支持。

最后，通過線性振幅試驗對疲勞性能進行了全面評價。結果顯示，在不同應變水平下，橡膠粉摻量為15%時的高黏高彈改性瀝青表現出最佳的疲勞壽命，有望在實際高速公路建設中減緩疲勞損傷，延長路面的使用壽命。

參考文獻

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