SBS改性沥青混合料低温性能试验研究

2021-02-26范定旺

山西交通科技 2021年6期

范定旺

（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）

0 引言

SBS改性沥青混合料以其优良的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害、抗疲劳性能广泛应用于国内外高等级及重载路面中。据统计，近5年来我国高速公路上面层90%以上使用SBS改性沥青铺筑[1]。我国北方寒冷地区对SBS改性沥青路面低温抗开裂性能要求甚高，众多学者为此进行了大量试验研究。裴军军基于断裂力学J-积分理论，用切口小梁弯曲断裂试验分析了SBS含量及试验温度对沥青混合料低温抗裂性的影响[2]；董文龙等通过小梁弯曲蠕变试验，结合Burgers模型研究了不同老化状态对SBS改性沥青低温性能的影响[3]；杨国明等研究了不同型号SBS对沥青高低温性能的影响，认为线型SBS改性沥青低温性能要优于星型SBS[4]。

然而，工程应用中会发现某些新建高速公路改性沥青路面在设计、材料性能、施工等条件均合格且没有基层反射裂缝的情况下，路面表层依然会出现开裂现象，主要由于沥青材料的温度敏感性，通常在温度较高的季节施工，在严寒冬季前沥青路面已至少经过半年时间的高温炎热和雨水浸湿等自然条件，而目前我国沥青混合料低温性能的设计评价方法是通过新拌和沥青混合料的弯曲破坏弯拉应变来表征，与路面实际服役状态不符，不能准确反映新建SBS改性沥青路面的低温抗裂性能[5]。

因此本文结合实体工程应用，通过实验室高温炎热和降雨等气候条件，开展经过不同气候的新建SBS改性沥青路面的低温性能试验，更好地评价路面实际服役状态，为沥青路面的设计提供参考。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性沥青

根据JTG E20—2011对SBS改性沥青进行常规性能试验，试验结果见表1。结果显示：试验所用SBS改性沥青性能满足JTG F40—2004中聚合物改性沥青（I-C类）的技术要求。

表1 SBS改性沥青试验结果

1.1.2 矿料

粗集料为山西忻州市永宏采石场的辉绿岩碎石；细集料为山西浑源县产机制砂；填料为石灰岩磨细矿粉。各档矿料均满足JTG F40—2004施工技术规范的性能要求。

1.2 配合比设计

1.2.1 级配

根据SBS改性沥青在实体工程中的应用，采用细粒式密级配辉绿岩AC-13沥青混合料，其合成级配曲线见图1。

图1 SBS改性AC-13合成级配曲线

1.2.2 最佳油石比

SBS改性沥青混合料马歇尔试验结果见表2。通过马歇尔体积参数和力学性能，确定SBS改性沥青混合料的最佳油石比为4.9%。

表2 SBS改性沥青混合料马歇尔试验结果

1.3 试验方案

该试验依托山西某高速公路SBS改性沥青路面工程，结合JTG E20—2011规范中有关气候温度和水损害的试验方法，通过实验室模拟高温和雨水气候条件，采用-10℃低温小梁弯曲试验作为评价方法，开展经过高温炎热和降雨气候的SBS改性沥青混合料低温性能试验。不同气候条件实验室内模拟方法见表3。

表3 不同气候条件实验室内模拟方法

2 结果与分析

2.1 夏季高温对SBS改性沥青混合料低温性能的影响

为评价高温炎热气候对新建SBS改性沥青路面低温性能的影响，通过恒温室温度模拟夏季路面实际温度，首先对新制沥青混合料车辙试件在不同温度条件下通风保温处理，然后切割小梁进行弯曲试验，未保温处理的试件为空白组试验，试验结果见表4。保温温度对破坏应变的影响规律见图2。

表4 高温保温后的沥青混合料弯曲试验结果

图2 保温温度对破坏应变的影响图

结果显示：与空白组试验对比，高温保温处理会损害SBS改性沥青混合料低温性能，抗弯拉强度和破坏应变均出现一定程度的降低，且随着保温温度的升高，损害程度出现增大的趋势。其中60℃和70℃保温后SBS改性沥青混合料破坏应变分别下降9.12%和9.99%，已不满足冬寒区不小于2 800 με的要求，表明夏季高温对SBS改性沥青混合料低温性能影响很大。

分析原因主要是沥青混合料经过高温保温，相当于新建SBS改性沥青路面在高温炎热气候下服役，沥青在光、热、氧等综合作用下不可避免发生老化现象，通常胶质成分转化为沥青质，使得沥青表现为变硬、变脆、易裂，沥青路面容易出现脆化和松散等病害。而沥青混合料低温性能现行评价方法均是直接进行新制试件的试验，很难准确反映新建沥青路面服役半年后的实际低温抗裂性能，因此高温保温处理后再进行低温弯曲试验，综合考虑SBS改性沥青混合料的老化现象，更符合路面实际服役条件，能准确评价沥青路面冬季抗开裂性能。

2.2 降雨量对SBS改性沥青混合料低温性能的影响

为评价降雨气候对新建SBS改性沥青路面低温性能的影响，通过恒温水浴中浸泡时间模拟降雨量，首先对新制沥青混合料车辙试件恒温水浴浸泡处理，然后切割小梁进行弯曲试验，未水浴浸泡的试件为空白组试验，试验结果见表5。浸泡时间对破坏应变的影响规律见图3。

表5 恒温水浴浸泡后的沥青混合料弯曲试验结果

图3 浸泡时间对破坏应变的影响图

结果显示：恒温水浴浸泡与高温保温处理出现一致的影响效果，同样会损害SBS改性沥青混合料低温性能。与空白组对比，恒温水浴浸泡后抗弯拉强度和破坏应变均下降，且随着浸泡时间的增加，损害程度出现增大的趋势。其中浸泡时间在24 h以上时，破坏应变不满足冬寒区不小于2 800με的要求；浸泡48 h后破坏应变仅为2 453με，下降17.74%，不满足改性沥青混合料破坏应变不小于2 500με的最低要求，表明降雨量对SBS改性沥青混合料低温性能影响很大。

分析原因主要是SBS改性沥青混合料在恒温水浴中浸泡，由于集料对水分的吸引力大于沥青的吸引力，水分子逐步侵入到集料和沥青表面，导致沥青与集料的黏结力变弱，甚至出现沥青膜剥离的现象，进而造成SBS改性沥青混合料整体抗弯拉强度的降低，削弱低温抗裂性能，同时削弱作用随降雨量的增大而呈现增大的趋势。现行标准对新制试件直接进行低温弯曲试验，很难准确反映SBS改性沥青路面铺筑完毕再经过雨水作用后的实际低温抗裂性能，因此恒温水浴浸泡模拟降雨气候后进行低温弯曲试验更符合路面实际服役条件。