胶结料类型对小粒径SMA-5沥青混合料性能的影响

王强， 姚鸿儒， 李健， 乐海淳， 曹亚东

(1.上海公路桥梁(集团)有限公司， 上海市 201901； 2.华东理工大学 石油加工研究所； 3.上海城建日沥特种沥青有限公司)

热拌沥青混合料薄层罩面相对其他薄层技术，具有稳定性更佳、路用性能更好的特点，逐渐发展为一种高等级公路养护罩面形式。其中，小粒径SMA-5沥青混合料作为一种超薄层罩面类型，从原材料到组成设计、路用性能和力学性能以及施工技术等方面已有许多学者进行了研究。其中，SMA-5所采用的胶结料多为SBS改性沥青及MAC改性沥青进行对比试验研究。随着新型材料的不断出现，如ARSMA-5维他橡胶沥青混合料、新型高黏沥青混合料和化学复合改性橡胶沥青等改性沥青混合料均具有较好的路用性能。将市面上不同的成品沥青胶结料应用于SMA-5，并对不同改性沥青(SMA-5)超薄磨耗层进行路用性能室内研究，以分析胶结料技术指标对SMA-5沥青混合料性能的影响，为定制化设计薄层罩面专用沥青胶结料，为薄层罩面在预防性养护中的推广及应用，提供理论依据和参考。

1 配合比设计

1.1 原材料

4种成品改性沥青：高标准I-D改性沥青、高黏度改性沥青、重载交通专用改性沥青、高弹性改性沥青，均由上海城建日沥特种沥青有限公司提供。其中，高标准I-D改性沥青(以下简称“高标”)比I-D改性沥青更为优异，要求软化点大于75 ℃、5 ℃延度大于30 cm、老化后5 ℃延度大于20 cm；高黏度改性沥青(以下简称“高黏”)用于排水沥青混合料；重载交通专用改性沥青(以下简称“重载”)为重载交通、交叉口、集装箱堆场等重荷载道路用改性沥青；高弹性改性沥青(以下简称“高弹”)主要用于钢桥面铺装。4种改性沥青均为SBS改性沥青，改性剂的含量为高弹>高黏≈重载>高标。随着改性沥青中SBS含量的增加，改性沥青发生相转变，由富沥青质相为连续相、富SBS相为分散相转变为富沥青质相为分散相、富SBS相为连续相。但SBS与沥青之间的相容性有限，随着SBS含量的增大，SBS在沥青中分散所需时间增长，储存和运输过程中改性沥青可能会发生离析，改性沥青熔融黏度大影响施工和易性。因此需加入富含芳香分的小分子来增大SBS与沥青之间的相容性；并通过此类小分子的含量、种类和比例调节改性沥青的针入度，以应对不同的使用场合。一般来讲，针入度大的沥青具有较好的抗疲劳和抗开裂性能，针入度小的沥青具有较好的抗车辙和抗扭转性能。采用70#基质沥青作对比，5种沥青胶结料的基本指标见表1。所用粗集料、细集料和矿粉的密度见表2；聚酯纤维掺量为混合料质量的0.3%。

表1 沥青结合料技术指标

表2 集料密度及吸水率

1.2 级配设计

对集料进行筛分，参考美国SMA-5级配范围，调整各种矿料比例，设计3组不同的初试矿料级配。3种混合料级配的矿料合成通过率(参考美国SMA-5级配范围)见表3。

表3 集料及SMA-5混合料设计级配范围

1.3 初试级配

采用高标(I-D)改性沥青进行合成级配A、B、C的初步试验，结合以往经验及参考相关文献，经综合考虑确定采用油石比为6.5%，进行混合料马歇尔试验，结果见表4。

表4 马歇尔试验及相关体积指标

由表4可知：级配B和C 的马歇尔体积指标均满足要求，但考虑到实际生产混合料的浮动以及施工等问题，初步考虑选择级配B或C作为目标合成级配。

1.4 级配检验

为了进一步验证级配B和C 适用范围，将高黏、高弹、重载沥青和70#沥青按照级配B和C继续进行试验，检验不同级配组成对5种沥青的适应性(表5)。通过研究和分析，综合考虑选择级配C和油石比6.5%作为5种沥青的目标级配。

表5 不同改性沥青的马歇尔试验及相关体积指标

2 路用性能验证

按照选定的级配C和油石比6.5%成型5种沥青混合料试件，分别进行析漏、肯塔堡飞散、冻融劈裂、车辙、抗滑性能和渗水试验等。

2.1 水稳定性

抗水损害性能主要取决于混合料的密实度和沥青与集料的黏附性。采用冻融劈裂抗拉强度比来评价沥青混合料的水稳定性(表6)。由表6可知：4种改性沥青混合料均具有较好的水稳定性能。综合考虑其改善混合料水稳定性的顺序为：高弹>高黏>重载>高标>70#沥青。

表6 冻融劈裂试验结果

从胶结料角度看影响沥青混合料水稳定性的因素主要有沥青对石料的握裹力和沥青与石料之间的界面结合。随着SBS含量的增大，沥青对石料的握裹力增加；高黏、重载和高弹沥青中都添加了抗剥落剂以提高沥青与石料之间的界面结合，这与冻融劈裂试验的结果一致。

2.2 析漏和飞散试验

采用析漏试验来评价沥青混合料中多余的自由沥青数量，检验混合料不发生流淌时的沥青用量；采用肯塔堡标准飞散试验评价路面集料脱落散失的程度，检测混合料不发生松散时的沥青用量，试验结果如图1、2所示。

图1 多类型沥青混合料析漏损失值

由图1、2可知：4类改性沥青混合料的析漏损失量和飞散损失值均小于70#沥青，且均符合行业标准(JTG F40—2004)的要求。由图2可知：击实75次或50次，各类沥青混合料均具有较好的抗飞散性能，说明其抗水损害能力较强。其改善混合料的抗水损害能力：高弹>重载>高标>高黏>70#沥青。SMA沥青混合料的析漏与飞散损失主要受级配设计影响，与胶结料的性能关系较弱。

图2 不同击实次数下的飞散损失值

2.3 高温稳定性

采用车辙试验评价SMA-5沥青混合料的高温稳定性能。依据行业标准(JTG E20—2011)进行试件成型与测试，通过动稳定度来对其抗车辙能力进行评价，试验结果见表7。

由表7可以看出：4种改性沥青混合料的60 ℃和70 ℃动稳定度及变异系数指标表明其均具有较好的高温稳定性能，不同改性沥青具有不同的高温性能效果。随着温度升高、动稳定度降低，变异系数增大，但仍满足要求。高弹沥青的高分子改性剂含量虽然高，软化点也高，但针入度高，导致动稳定度不如高黏沥青和重载沥青。不同沥青胶结料的高温性能改善效果为：高黏>重载>高标>高弹>70#沥青。

表7 车辙动稳定度结果

2.4 抗滑性能

SMA-5作为直接与汽车荷载接触的抗滑表层材料，应具有较好的抗滑耐久性即构造深度的耐久性，路面的抗滑性能指标主要用路面宏观指标的表面纹理深度及微观指标的摩擦系数来评价。采用人工铺砂法测定构造深度和摆式摩擦仪测定摆值，并进行抗滑性能分析，结果如表8所示。

由表8可以看出：在相同的级配情况下，改性沥青或基质沥青的构造深度和摆值指标均满足指标要求。4种改性沥青混合料的摩擦系数比70#基质沥青降低12.2%～25.2%，分析认为是70#基质沥青的油膜相对较薄所致。且与日本的粗面型SMA-5的构造深度设计指标0.9 mm以上相比，构造深度远不满足实际工程的需要，故需通过调整级配设计方法和成型工艺等参数来获得最佳的构造深度。

表8 抗滑性能检测结果

相关研究及该研究也表明，级配设计方法的选择也会对构造深度造成较大的影响。此外，与70#基质沥青混合料相比，4种改性沥青的SMA-5磨耗层的表面构造深度提高幅度较小且相差不大，说明胶结料类型对混合料的抗滑性能影响较小，并不能有效改善其抗滑性能。

2.5 渗水试验

控制SMA路面质量的关键是确保路面基本不渗水。由渗水试验结果可知：5种沥青混合料的渗水指标均为零，表明其均有较好的防渗水性能。

2.6 低温性能

采用混合料低温弯曲试验评价其低温抗裂性能。由于最大公称粒径较小，即使采用70#石油沥青，最大弯曲应变也很好。不同沥青胶结料的低温性能改善效果为：高弹>高黏>重载>高标>70#沥青(表9)。

表9 混合料低温弯曲试验结果

3 结论

通过室内试验对5种沥青类型的超薄磨耗层SMA-5沥青混合料进行配合比设计和路用性能研究，得到以下结论：

(1) 胶结料类型主要影响SMA-5的高低温性能和水稳定性。析漏、飞散损失、抗滑性能和渗水受胶结料类型影响较小。

(2) 经试验验证，4种改性沥青混合料均具有良好的路用性能，不同的胶结料类型有着不同的路用性能效果。综合各路用性能来看，除车辙性能略有不足外，高弹改性沥青的路用性能最佳。其顺序为：高弹改性沥青>重载改性沥青>高黏改性沥青>高标改性沥青>70#基质沥青。

(3) 在同一级配和沥青用量下，沥青胶结料类型并不能有效改善SMA-5的抗滑性能，可能与所用的集料类型、级配设计方法和成型工艺等有关联。

(4) 超薄磨耗层SMA-5的路用性能评价结果，可为不同道路等级和使用要求的材料选择提供一些参考。可根据实际道路的损害情况、交通荷载和气候条件等因素选择合适的沥青胶结料。高弹改性沥青可适当降低针入度以更好地适用于超薄磨耗层SMA-5。