采用SBS+岩沥青复合改性的高性能沥青混合料研究

2011-08-08陆敏，江越，陈娟

城市道桥与防洪 2011年12期

陆敏，江越，陈娟

（1.太仓市交通局，江苏太仓 215400；2.苏州同尚工程设计咨询有限公司，江苏苏州 215000）

1 问题的提出

车辙病害是目前江苏省高等级公路最常见的沥青路面损坏现象。近几年，太仓港的发展出现大提速，新制定的太仓港发展总体规划中，泊位数从原先规划的114个调整到172个，港口设计吞吐能力从1亿t调整到2.82亿t，集装箱吞吐能力从565万标箱调整到2210万标箱。224省道太仓港至沿江高速段是连接太仓港与338省道、沿江高速公路等多条国省干线公路的重要疏港交通干线，在投入使用十年后，现需要进行“白改黑”路面改造。沿线经太仓港区和金浪、沙溪两个乡镇，路段全长约13.7 km。作为港口主要运输通道的港区道路，将面临着交通量大、轴载大、气温高的严峻行车条件。港区重载道路的路面抗车辙性能将成为制约路面使用寿命、服务寿命以及今后养护维修费用的关键因素，因此，针对港区道路的行车条件，以高抗车辙性能为设计目标的沥青混合料设计的研究具有重要的现实意义。

道路原来采用的是水泥混凝土的路面结构，新的道路是在对原有水泥混凝土路面进行灌浆、贴缝处理以后加铺和拓宽而成，因此总体的路面刚度是比较高的。为了抵抗港区重载交通的影响，应该着重提高沥青面层混合料自身的抗车辙性能。因此，需要从混合料的设计方法、控制标准、材料性能的改善等多方面研究沥青面层混合料，不仅研究上面层沥青混合料，同时也需要对下面层沥青混合料展开研究，这对于提高沥青路面的抗车辙性能，提高沥青路面对港区重载的适应性具有极为重要的现实意义。但本文主要针对上面层SBS+岩沥青复合改性后的沥青混合料性能的研究总结，考虑资金、推广性等原因，对下面层仍采用常规沥青及改性方式，因此对下面层的试验研究，本文不再表述。

2 确定研究方案

改性沥青是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采用对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。”改性剂是指“在沥青或沥青混合料中加入天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在沥青中，改善或提高沥青路面性能(与沥青发生反应或裹覆在集料表面上)的材料。”

关于改性沥青的分类，国际上并没有统一的分类标准。从广义划分，根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术汇总见图1。

从狭义上来讲，现在所指道路改性沥青一般是指聚合物改性沥青，简称PMA、PMB或PmB，用于改性的聚合物种类也很多，按照改性剂的不同，一般将其分为三类：（1）热塑性橡胶类；（2）橡胶类；（3）树脂类。

不同的改性剂对沥青性能的影响是不一样的。试验结果表明，SBS对沥青的高、低温性能、弹性恢复性能、感温性等指标都有明显的改善。PE仅在高温稳定性方面显示出一定的效果。而EVA的高温稳定性不如PE，但低温抗裂性比PE要稍好些，但均不如SBS。试验结果也说明SBS改性剂各方面都有明显效果，而PE主要表现在改进高温稳定性方面。

然而，由于聚合物改性剂多为非极性，且与沥青比重、分子量相差较大，它们与基质沥青的共混体系具有力学不稳定性，容易离析；同时由于聚合物与沥青中极性组分(胶质、沥青质)界面结合力弱，应力传递效率低，最终产品的力学性能也不理想。由于存在与沥青难以相溶的问题，这一改性方法决定了在生产和工艺设备方面上，要求有较大的投资，如特殊的剪切设备和较高的能源消耗等，以促使改性剂与沥青能够充分溶合。在运输和存储上，则需要加热保温和不间断搅拌，防止改性剂与沥青的分层与离析，用户使用十分不便。从而在一定程度上限制了改性沥青的应用。

图1 改性沥青及混合料技术分类图

然而天然沥青作为改性剂，就可避免这些问题。目前岩沥青的提取加工工艺已经非常成熟，可以大规模生产。加工成粉末后，本身极易与石油沥青相溶，属于沥青基对沥青基的掺配，与基质沥青具有优良的配伍性。加工改性沥青时只需在一定温度下直接投入拌缸搅拌即可，大大简化了工艺，降低了投资，成品改性沥青十分稳定，在生产、存储、运输和使用等方面也很简便。利用其作为改性剂的改性沥青体现出良好的路用性能。通过工程实践中发现，天然岩沥青在高温稳定性方面有较大优势，能够较好地解决目前高等级公路路面由于交通量增大，超载等原因引起的路面车辙，早期病害等现象。

根据以上分析，并考虑到高抗车辙性沥青混合料对其沥青性能的要求，本文选用目前较常用的SBS改性沥青和岩沥青改性沥青这两种改性沥青来对其抗车辙性能进行评价，首次提出采用两种改性剂复合改性的方案。

3 Sup-13 SBS+岩沥青复合改性沥青混合料设计

为了进行复合改性沥青混合料研究，本次研究采用了SBS+岩沥青复合改性沥青来作为Sup-13的胶结料，从而验证增加岩沥青的改性效果，本试验采用了与Sup-13SBS改性沥青相同的矿料和级配组成。岩沥青改性沥青的性质见表1。

表1 岩沥青改性沥青技术指标试验结果（掺量8%）

（1）原料检验

Sup-13选用的集料采用了两种类型的石料，其中0～2.36 mm粒径的为石灰岩，2.36～13.2 mm粒径的均为玄武岩，材料性能满足表2～表4要求。

（2）混合料级配设计

对现场所取原材料实际筛分结果进行级配设计,级配范围没有采用控制点和限制区，而是选用了同济大学对其优化后的上下限来控制。计算结果见表5，级配曲线见图2。

（3）旋转压实确定最佳油石比

按3个油石比制备试件进行测试，试验结果见表6。

根据表6中数据可知：在空隙率为4%时的油石比对应值为4.9%,因此选取设计最佳油石比为4.9%。

表2 Sup-13粗集料基本性能测试

表3 Sup-13粗集料密度测试

表4 Sup-13细集料基本性能测试结果

表5 Sup-13级配设计计算表

在油石比为4.9%的条件下，矿料间隙率为14.1%，沥青饱和度为70.7%，均能满足混合料设计指标要求。

下面将按照4.9%的油石比成型马歇尔试件来进行相关性能的检测。

图2 Sup-13级配设计曲线

表6 Sup-13复合改性沥青混合料马歇尔试验

（4）水稳性检验

按4.9%的油石比进行试件的残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比测试，结果见表7、表8。残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比分别符合85%和80%的规范要求。

表7 Sup-13复合改性沥青混合料残留稳定度试验结果

表8 Sup-13复合改性沥青混合料试件冻融劈裂强度试验结果

（5）高温稳定性检验

按4.9%的油石比成型试件进行车辙试验，结果见表9。动稳定度要求不小于2 800次/mm，试验结果满足要求。

表9 Sup-13复合改性沥青混合料动稳定度试验结果

4 性能测试结果与结论

4.1 回弹模量的试验研究

本次试验采用单轴压缩试验（T0713-2000）来测试材料的抗压强度和抗压回弹模量，见表10。采用旋转压实法成型试件，尺寸为Φ100mm×100mm。

表10 无侧限抗压强度试验结果

4.2 抗疲劳性能的试验研究

沥青混合料的劈裂疲劳性能是指其在一定间接拉伸应力反复作用下达到疲劳破坏所能承受的荷载次数。本次试验分别采用劈裂极限强度的0.3、0.5、0.7倍的极限破坏应力这三种应力水平，在MTS机上进行疲劳试验，取得试件在该应力水平下的疲劳寿命。最后绘制应力-寿命关系曲线，确定疲劳方程和疲劳参数，见表11。

表11 劈裂疲劳试验结果

可以看出混合料疲劳寿命的大小关系为：Sup-13（复合改性）>Sup-13（SBS改性）。

4.3 抗车辙能力的试验研究

本次研究主要采用车辙试验进行高温稳定性能的研究。本试验结合现场使用情况，按表12三种方案成型双层车辙板，其中下面层厚度30 mm，上面层厚度20 mm。按试验规程要求，试验温度60℃，轮压为0.7 MPa，试件采用T0703-1993轮碾法制作300 mm×300 mm×50 mm试件，测定其动稳定度，测试结果见表13。