高粘沥青在多孔排水路面的应用

徐强

摘要：为研究高粘沥青在多孔排水路面的应用，文章分析了改性剂掺量对两种改性沥青性能的影响，确定最佳掺量下的性能较优异的改性剂制备高粘沥青，并通过车辙试验、弯曲试验、冻融劈裂试验等试验检测高粘沥青混合料力学性能，同时对高粘沥青混合料的抗滑性能、排水性能等进行实验分析，发现高粘沥青混合料能够满足排水性沥青路面施工要求，各项路用性能优势显著，具有应用潜力。

关键词：多孔排水路面;改性剂;高粘沥青;路用性能

0 引言

近年来，我国高速公路的建设取得了快速发展，目前我国高速公路里程达到14.26万 km，其中国家高速公路里程为10.55万 km，我国形成了全球最大的高速公路网路，总里程稳居世界第一。虽然高速公路建设发展如此之快，但仍存在一些问题尚未解决，如雨水天气时路面积水造成路面湿滑，导致交通事故率陡增，大量积水甚至导致城市内涝。随着道路交通的发展，公路从业者开始致力于追求更加舒适、环保、安全的道路环境。

排水沥青路面具有良好的排水降温降噪功能，能够提高行车舒适性，增强道路的使用品质。排水沥青路面也称透水沥青路面，是通过将粒径较大的粗集料互相挤嵌形成骨架孔隙结构，经过压实作用之后将孔隙率保持在20%左右，其内部的空隙可构成排水通道有利于排出路面积水。但排水沥青混合料中细集料较少，粗集料含量较多，这会造成集料间的沥青接触面较小，空隙率较大，其粘聚力远低于普通密级配混合料[1]，因此混合料的抗飞散性能、水稳定性能、耐久性能不佳是排水沥青路面发展的一大障碍。

通过汇总国内外研究现状及大量工程实践可知，高粘改性沥青能够显著提高排水性沥青混合料的抗水损坏、抗车辙、抗飞散损坏以及抗裂性能。高粘沥青与普通改性沥青相比，具有较高的60 ℃黏度，即使在排水沥青混合料中也能产生较大的粘结力，同时也能提高排水沥青混合料的抗老化和抗结构性损害能力。因此本文以期开发一种高粘沥青改性剂，制备混合料并检测其性能指标，通过对比规范要求以评价混合料路用性能，为今后我国排水沥青路面应用提供参考经验，对提升我国道路交通安全性、舒适性具有参考意义。

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青的技术指标对改性后沥青的性能有重要影响，因此基质沥青各项指标必须符合规范要求。本文采用东海牌70#基质沥青，其主要技术指标见表1。

1.2 改性剂

SBS是排水性路面中应用较为广泛的高粘改性剂成分之一，多摻配增粘树脂、增塑剂等组分制备高粘改性剂。研究表明，橡胶类物质可改善沥青混凝土的低温性能，但与SBS等改性剂相比，对高温性能的贡献不大[2]。根据以往经验，初步确定使用SBS、40目废旧轮胎橡胶粉两种高粘改性剂进行试验。橡胶粉、SBS改性剂基本性能指标分别如表2、表3所示。

1.3 矿料

因条件限制，本研究采用粗细集料均为石灰岩，矿粉由石灰岩磨细制得。根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）对矿料进行基本性能试验，技术要求根据施工技术规范中高速公路、一级公路表面层，气候分区1-3-2确定。试验结果如表4所示。

2 高粘改性沥青制备

为优选一种经济适用的改性剂用于制备高粘沥青，本文根据经验采用SBS、橡胶粉两种改性剂，选择6%、8%、10%三种掺量水平进行对比试验，以确定改性剂掺量对两种改性沥青性能指标的影响。具体试验方案如表5所示。

控制相容剂和稳定剂掺量相同，改性剂掺量参照试验方案，制备6份高粘沥青试件，依次测定高粘沥青的针入度、5 ℃延度、软化点、60 ℃黏度。试验结果如表6所示。

橡胶粉或SBS均可提高沥青粘稠度。随着改性剂掺量的增加，沥青针入度降低，经14%橡胶粉或SBS改性后，沥青针入度降低0.1 mm左右。这可能是SBS分散在沥青中形成的三维网状结构会阻碍改性沥青分子间相对运动，提高沥青黏度，导致针入度下降、沥青变硬。随着胶粉掺量的增加，沥青分子与胶粉中橡胶结构的结合度增加，分散橡胶质与橡胶粒空间网状结构的结合机率增加，导致针入度下降。

橡胶粉或SBS均可提高沥青高低温性能。随着改性剂掺量的增加，延度和软化点增大，改性剂掺量为14%时，延度增加至基质沥青的两倍左右。这是因为橡胶粒子吸收了沥青中的轻质组分后发生溶胀，在高温时发生裂解反应，使沥青含量相对增加，导致改性后的沥青变稠，流动性下降，从而提升了高低温性能。沥青中掺加SBS改性剂会使沥青变稠，弹性增加，同时沥青组分间的粘附性增强，从而对高低温性能有不同程度的提升[3]。

SBS改性沥青各项性能指标均高于橡胶改性沥青，这是因为高分子聚合物的弹性比胶粉粒子要好，且SBS改性剂可以与基质沥青相互交联成稳定的网状结构，但橡胶改性剂无法达到这种功效，同时在低温下胶粉粒子刚性较强，在集中应力作用下极易断裂[3]。

60 ℃黏度作为高粘沥青性能的重要考虑指标，其数值越大则高温条件下对集料的粘附性越好，两种改性剂在掺量相同时，SBS改性剂的60 ℃黏度更高，且满足《排水沥青路面设计与施工技术细则》中高粘沥青60 ℃动力黏度≥50 000 Pa·s。若在选取改性剂时综合考虑经济性和技术指标，应选用SBS改性剂，掺量为14%制备高粘沥青。

3 高粘沥青混合料路用性能研究

3.1 混合料配合比设计

路面的排水功能主要依靠内部孔隙形成排水通道，但孔隙率较大时又会造成耐久性能不佳，因此在兼顾耐久性和排水功能性时，空隙率是关键的技术指标。18%～25%是国内外比较普遍使用的空隙率，以20%最为常见，因此本文目标空隙率设定为20%。

依据推荐的级配范围，进行级配设计，根据已经确定的目标空隙率进行适当调整，得出最终设计级配如表7所示。

排水路面沥青混合料中的大粒径碎石粗集料比较多，若油石比过小会发生集料松散剥落的现象，若油石比过大则会导致析漏。因此为保证排水路面沥青混合料的性能，确定最佳油石比尤为重要。选取油石比为3.7%～5.7%，以0.5%间隔变化成型马歇尔试件，进行马歇尔性能试验。试验结果如下页表8所示。

由表8可知，当油石比为4.7%时，沥青混合料马歇尔试件的空隙率在20%左右，稳定度为最大值，且其余各项指标均满足规范要求，因此选取最佳油石比为4.7%。

3.2 高粘沥青混合料力学性能研究

本文以车辙试验、弯曲试验和冻融劈裂试验评价SBS改性沥青混合料的高低温性能及水稳定性。SBS改性沥青混合料与基质沥青混合料试验结果如表9所示。

高粘排水沥青混合料的动稳定度>6 000 次/mm，[JP2]约为基质沥青混合料的3倍，弯曲破坏应变和冻融劈裂强度比也均高于后者，表现出良好的高低温性能和水稳定性。

4 高粘沥青应用效果分析

4.1 抗滑性能

按照《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）中的试验方法，本文采用英国ELE-6000型便携式摆式仪测量高粘沥青混合料成型的车辙试件的摆值[4]，以检验其抗滑性能，试验结果如表10所示。

由表10可知，三次测得的高粘沥青混合料BPN值均>60，满足《公路路面验收规范》中规定的高速公路的沥青路面摆值应>45 BPN的要求。说明高粘沥青混合料具有比较好的微观纹理，满足路面的抗滑性能。

4.2 排水性能

根据《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）中的试验方法，将高粘沥青混合料碾压成型后，利用路面渗水仪来测定其渗水系数，测定五次取平均值，以检验该混合料的排水性能[4]。试验结果如表11所示。

根据表11可以发现，高粘沥青混合料渗水系数为4 428.3 ml/min，远超过技术标准≥3 600 ml/min的要求;渗水时间为5.3 s，远低于技术标准≤6.7 s的要求，表明其具有很强的排水能力。

因此，将高粘沥青应用于排水性路面时，雨水能够迅速渗入面层，有效减少水溅、水雾等问题，同时其抗滑性能良好，能够提高行车的安全性，表明高粘沥青应用在排水路面中效果良好，可以推广应用。

5 結语

在目前建设“海绵城市”的理念下，本文对高粘沥青在多孔排水路面的应用进行研究，发现改性沥青的掺量对制备的改性沥青性能有影响，随着掺量的升高，各项性能逐渐变好。通过车辙试验、弯曲试验和冻融劈裂试验发现高粘沥青用于排水沥青混合料中，表现出良好的高、低温稳定性和水稳定性;通过高粘沥青混合料排水性能和抗滑性能测试发现各项性能指标远超过规范要求，路用性能良好。高粘沥青排水路面是一种具有高端使用功能和环保品质的路面类型，为建设更为舒适、环保、安全的道路交通提供了一种选择，在国内应用前景广阔，建议推广应用。[JP2]

参考文献：

[1]刘东美，叶庆凡，于晓霞，等.排水路面高黏沥青及其混合料性能试验研究[J].山东建筑大学学报，2019，34（2）：17-21.

[2]宋乐春，宁爱民，李志军，等.排水性沥青路面用高黏改性剂研究进展[J].中国胶粘剂，2017，26（12）：55-58.

[3]卢 杰.透水沥青路面专用高粘度改性沥青性能研究[D].天津：河北工业大学，2018.

[4]张 严.排水性环氧沥青混合料性能研究[D].南京：东南大学，2018.