不同改性沥青及纤维对大空隙率沥青路面性能影响的研究

张波

（大连市市政设计研究院有限责任公司设计三所，辽宁 大连 116028）

0 引言

近年来，随着城市的快速发展，大量高架快速路应运而生，高架快速路对于缓解城市交通拥堵发挥着重要的缓解作用。高架快速路由于车速快且邻近居民区，行车时会产生大量噪声，为降低交通噪声对沿线居民生活的影响，目前常采用大空隙沥青路面。大空隙沥青路面不仅可以降低行车噪声，同时具有排水性好、抗滑能力强、行车安全高等优点，是城市重要路段路面的首选方案[1-2]。

目前我国多个城市采用大空隙率沥青路面，比如大连东联路。东联路为贯穿南北的主干路，全长11.3 km，路面宽度24 m，双向六车道，由于城市用地紧张，东联路沿线紧邻城市居民住宅，为降低行车噪声对周围居民的影响，东联路全线铺设大空隙率沥青路面，实际运营效果显示，大空隙率沥青路面确实有效降低了行车噪声。

与普通沥青路面相比，大空隙沥青路面对改性沥青及集料有更高的要求。本文选用SBS、橡胶粉、SBS与橡胶粉复合作为改性剂对沥青进行改性，以日本TPS改性沥青作为参照对比。主要研究SBS、橡胶粉、SBS与橡胶粉复合三种改性剂与日本TPS改性沥青混合料性能的对比；研究长纤维、短切纤维、纤维棉三种不同纤维型式对改性沥青混合料性能的影响；大空隙率沥青路面建议采用玄武岩作为集料，但国内并不是所有城市都有购买玄武岩的财政能力，本文采用石灰岩、玄武岩作为集料，研究其对沥青混合料性能的影响。

1 原材料

1.1 沥青

沥青采用普通90#沥青，具体性能指标见表1。

表1 沥青基本性能

1.2 改性剂

（1）橡胶粉改性剂。

（2）SBS改性剂。SBS改性剂既具有橡胶的性质，又有树脂热塑性质，外观呈现线状形状，多孔罩粒。

（3）TPS改性剂。用于大空隙率沥青路面的日本进口改性剂。

1.3 集料

集料采用石灰岩和玄武岩，石灰岩与沥青黏结性能优于玄武岩，但石灰岩的耐磨性能劣于玄武岩。

2 不同改性沥青对大空隙率沥青混合料性能的影响

2.1 改性沥青混合料的高温性能

目前沥青混合料高温性能的评价主要采用的方法是马歇尔稳定度试验法。

2.1.1 马歇尔试验法

马歇尔试验设备简单、操作方便，目前被世界上许多国家采用，是我国评价高温性能的主要试验之一。马歇尔要测定的指标有稳定度和流值，马歇尔稳定度是在规定的加载速率条件下，试件破坏前所能承受的最大荷载；流值是达到最大荷载时试件的垂直变形。

马歇尔试验需要的仪器主要有马歇尔击实仪和马歇尔试验仪[3-4]。

按照马歇尔试件在水槽中保温时间的不同，马歇尔试验分为马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度，马歇尔稳定度是在水中保温30 min，而浸水马歇尔稳定度是48 h。

为研究90#沥青、不同改性沥青对沥青混合料性能的影响，选用工程中常用的改性剂掺量，SBS掺量5%、橡胶粉掺量16%、SBS5%与11%橡胶粉复合、TPS掺量4%，集料采用石灰岩，马歇尔稳定度和流值结果见表2。

表2 不同沥青混合料马歇尔稳定度和流值的平均值

从图1a分析可知，四种改性沥青的马歇尔稳定度均大于大空隙沥青混合料马歇尔稳定度3.5 kN的规定，说明经过改性的沥青混合料均有良好的高温稳定性。在四种改性沥青混合料中，TPS改性沥青混合料的马歇尔稳定度最大，复合改性沥青次之，SBS其次，橡胶粉最小。

未经改性90#沥青的浸水马歇尔稳定度降低幅度最大，小于3.5 kN，其他四种改性沥青则大于3.5 kN，TPS最大，复合改性沥青次之，SBS其次，橡胶粉最小。复合改性沥青的浸水马歇尔稳定度大于SBS改性沥青，说明经过复合改性沥青的高温性能优于SBS改性沥青。

图1 稳定度和流值

从图1b分析可知，未经改性90#沥青的流值超过规范的40 mm，不满足规范要求。四种改性沥青混合料的流值均在规范的20～40 mm，其中橡胶粉改性沥青最大，复合改性沥青其次，SBS次之，TPS最小。复合改性沥青的流值与SBS改性沥青混合料相比，流值稍有所增加。复合改性沥青的浸水流值稍大于SBS改性沥青，这是因为复合改性沥青中加入了橡胶粉，由于橡胶粉本身是一种弹性很大的材料，增加了复合改性沥青混合料的弹性，导致流值增加。

2.2 大空隙沥青混合料的水稳定性

残留稳定度是指48 h浸水马歇尔稳定度与30 min马歇尔稳定度的比值。计算公式见式（1）。

式中：MS0为试件的浸水残留稳定度，%；MS1为试件浸水48 h后的稳定度，kN；MS为试件浸水30 min后的稳定度，kN。

残留稳定度见表3。

从图2分析可知，改性沥青混合料的残留稳定度均符合我国规范沥青混合料残留稳定度不得低于75%的规定，TPS改性沥青混合料的残留稳定最大，复合改性沥青次之，大于SBS，橡胶粉的残留稳定度最小，说明复合改性沥青混合料高于SBS的水稳性。四种改性沥青中，橡胶粉改性沥青混合料的水稳性最差。不同纤维TPS改性沥青混合料的残留稳定度见表4。

表3 残留稳定度平均值

图2 不同改性沥青混合料残留稳定度

表4 不同纤维TPS改性沥青混合料残留稳定度平均值

从图3a分析可知，长纤维掺量为0.3%时，与TPS沥青混合料的残留稳定度相比，无纤维的TPS沥青混合料的残留稳定度稍有下降，短切纤维和纤维棉掺量0.3%时，TPS沥青混合料的残留稳定度稍有提高，掺加不同纤维类型对大空隙沥青混合料的残留稳定度有一定程度影响，但不明显。

从图3b分析可知，集料采用石灰岩的TPS改性沥青混合料的残留稳定度与玄武岩相差不大。

图3 不同纤维TPS改性沥青混合料残留稳定度

2.3 改性沥青混合料的力学性能

大空隙沥青路面作为路面的表面层，主要作用是将车辆荷载传递到中面层，所以大空隙沥青混合料不仅要有良好的高温稳定性和水稳性，还需具有良好的力学性能[5]。

2.3.1 抗压强度

抗压强度是沥青混合料抵抗外力荷载的强度。具体实验方法是将马歇尔试件在15℃的条件下静置24 h，用卡尺在试件上下两个断面的垂直方向上正确量取试件的直径，取平均值。然后放在万能材料压力机上加载。计算公式见式（2）。

式中：Rc为试件的抗压强度，MPa；P为试件破坏时的最大荷载，N；d为试件直径，mm。

从表5分析可知，经过改性的沥青混合料的抗压强度均高于未经改性90#沥青的抗压强度，TPS改性沥青混合料的抗压强度最大，复合改性沥青次之，SBS其次，橡胶粉最小。

采用石灰岩和玄武岩的抗压强度相差无几，而纤维对改性沥青混合料的抗压强度提高作用并不明显。

2.3.2 劈裂强度

冬季气温低，沥青路面会因为温度的急剧下降加上持续的车辆荷载作用导致路面产生开裂现象，对路面的路用性能影响极大，同时水会从开裂处大量侵蚀沥青混合料，从而导致水稳性能急剧下降。

表5 不同改性沥青混合料的抗压强度 MPa

试验步骤：测定马歇尔试件的直径及高度，准确至0.1 mm。将试件放入到15℃的恒温水槽中，不少于1.5 h。当为恒温空气浴时不少于6 h，直至试件内部温度达到要求的温度为止，保温时注意试件之间的距离不少于10 mm。从恒温水槽中取出试件，放到万能材料试验机上加载。计算公式见式（3）。

式中：RT为劈裂抗拉强度，MPa；PT为试验荷载最大值，N；h为试件高度，mm。

从表6分析可知，经过改性沥青混合料的劈裂强度均高于未经改性90#沥青混合料的劈裂强度，TPS改性沥青混合料的劈裂强度最大，复合改性沥青次之，SBS其次，橡胶粉最小。

采用石灰岩和玄武岩的劈裂强度相差无几，而纤维对改性沥青混合料的劈裂强度稍有提高，加载时试件首先产生许多微小的裂缝，在混合料中掺加纤维后，纤维能够延缓微小裂缝的继续增大，提高了混合料的劈裂强度。

表6 劈裂试验强度 MPa

3 结语

（1）通过试验得知，SBS和橡胶粉复合材料综合性能相对最接近于TPS改性剂，SBS性能其次，橡胶粉最差。

（2）长纤维、短切纤维、纤维棉三种不同纤维型式对大空隙沥青路面性能影响不同，纤维棉最好，短切纤维其次，长纤维最差。纤维对大空隙沥青路面性能稍有提高，但作用不明显。

（3）玄武岩作为集料的大空隙沥青路面性能稍优于以石灰岩作为集料的大空隙沥青路面，玄武岩耐磨性能要优于石灰岩，在铺设大空隙率沥青路面工程中，要依据当地石料，选择合适的石料。

[1]沈金安.开级配多空隙排水型沥青路面[J].中外公路,1994(6):15-20.

[2]曹卫东,陈旭,吕伟民.简述国内外低噪声沥青路面研究状况[J].石油沥青,2005,19(1):50-54.

[3]伍石生.低噪声沥青路面设计与施工养护[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4]赵晶,王抒音.SBS改性沥青技术与效果评价[J].中国公路学报,1997(4):18-24.

[5]杨军.聚合物改性沥青[M].北京:化学工业出版社，2007.