寒区道路沥青选用及路用性能评价

李秋实，单朝晖，张海涛，高丹丹

(东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040)

0 引言

黑龙江省作为我国寒区代表性地区。不仅是纬度最高，经度最东的省份，而且受地理位置影响，该地区气温整体偏低。冬季寒冷漫长，多雪，最低气温-32 ℃。夏季温暖湿润，最高气温38 ℃，且雨水较多。而黑龙江省交通运输需求又呈现逐年大幅度增长趋势，导致该地区现有沥青混凝土路面病害现象(裂缝、坑槽、沉陷等)十分普遍。结合以上气候、降水、道路病害等因素，笔者认为选用该地区路面材料时应在保证高温性能前提下，选用偏重低温性能及水稳定性更为优良的道路材料。

目前，黑龙江省选用90#SBS改性沥青作为道路沥青。该沥青的抗车辙能力优异，但低温与冻融造成的开裂等破坏情况较为严重，这也是造成低温环境下沥青路面寿命较低的原因之一[1]。张海涛等[2]认为造成路面低温开裂的原因是该种沥青低温性能不足所致。而Peng Lin等[3-4]研究发现胶粉与SBS的复合改性沥青相较单一SBS改性沥青，不仅具有更为优异的高、低温性能，水稳定性和抗疲劳性能也得到了改善。Weidong Cao等[5-7]研究发现胶粉作为改性剂用于面层密集配时，可缓解沥青混凝土高低温性能的矛盾。胶粉的使用也有利于材料回收再利用。而110#沥青作为偏软的道路沥青，优点是低温延展性、抗裂性能较好，缺点是高温车辙性能较差。因此，本研究通过对90#沥青、110#偏软沥青进行胶粉/SBS复合改性后与SBS改性沥青对比其各项路用性能，探讨寒区使用110#偏软沥青修筑沥青路面的可行性。研究结果对黑龙江省沥青路面的修筑具有一定的理论与实用价值。

1 材料与设计

1.1 材料选用

1) 沥青

试验采用辽宁盘锦90#、110#基质沥青，其技术指标如表1所示。

表1 90#/110#基质沥青性能指标

2) 改性剂

试验用SBS、胶粉改性剂的技术指标如表2、表3所示。

表2 SBS(星型LG501)技术指标

表3 胶粉技术指标

3) 集料

试验选用的集料技术指标如表4所示。

表4 集料技术性质指标

1.2 方案设计

1)复合改性沥青设计

在常用90#SBS道路沥青(SBS掺量为4%)与110#SBS道路沥青(SBS掺量为5%)基础上，本文对90#SBS、110#SBS沥青掺入不同掺量胶粉，并进行技术指标试验检测，试验结果如表5所示。

表5 复合改性沥青技术指标

根据表5结果可知，在针入度、软化点两项指标中，90#、110#SBS/胶粉改性沥青呈现相同变化趋势。沥青的延度也随着胶粉掺量的变化而改变。当90#、110#SBS的胶粉掺量为别15%、17%时，其延度达最佳水平。考虑沥青的高、低温性能，确定复合改性沥青方案如下：① 4%SBS90#改性沥青；② 4%SBS+15%胶粉90#复合改性沥青；③ 5%SBS110#改性沥青；④ 5%SBS+17%胶粉110#复合改性沥青。

2) 沥青混合料配合比设计

试验采用AC-13级配的沥青混合料。按密级配原则设计，集料级配曲线如图1所示。按照Marshall方法进行沥青混合料的配合比设计，确定的最佳沥青掺量如表5所示。

图1 沥青混合料级配曲线

表6 沥青最佳掺量

2 基于低温条件的寒区道路沥青选用

2.1 基于低温延度(5 ℃)指标的寒区道路沥青选用

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》要求，对不同改性沥青进行常规物理性能进行检测，试验结果如表7所示。

表7 复合改性沥青技术指标

在SBS改性沥青中掺入胶粉，减小了沥青的针入度与延度，而软化点与旋转粘度则升高。表明胶粉改善了SBS改性沥青的粘度和硬度，抗变形能力以及高温稳定性。虽然2种SBS/胶粉复合改性沥青的延度均出现了不同程度的减小，但110#SBS/胶粉复合改性沥青由于自身偏软的特性，延度降低幅度较小，说明胶粉对其低温抗裂性影响较小。由此可知，110#SBS/胶粉复合改性沥青在高温稳定性、低温抗裂性、可恢复变形性能上表现优异。表明110#SBS/胶粉复合改性沥青对于寒区有较强适用性。

2.2 基于PG性能指标的寒区道路沥青选用

1) 基于沥青动态剪切流变试验(DSR)的高温性能分析

沥青DSR的复合剪切模量G*和相位角δ的试验结果如图2所示。δ值越小，沥青的粘度越小、弹性越大、抗变形能力越强。由图2可以看出，复合改性沥青具有更好的弹性和更强的抗变形能力。相比单一SBS改性沥青，90#、110#沥青经过SBS/胶粉复合改性后的相位角δ值要小。较小的相位角δ说明掺入SBS/胶粉的复合改性沥青具有良好的弹性，以及更强的抗变形能力。

图2 沥青复合剪切模量、相位角与温度的关系

通过结合沥青的复数剪切模量和相位角，可得到沥青的高温车辙因子(G*/sinδ)和疲劳因子(G*/sinδ)(如图3所示)。G*/sinδ反映了沥青试件的抗变形能力。车辙系数越大，抗变形能力越强。从图3可以看出，90#、110#复合改性沥青的高温车辙系数均大于SBS改性沥青，说明SBS/胶粉改性剂在改善沥青混合料高温稳定性方面具有显著的效果。同时，G*/sinδ的值越小，则沥青混合料的抗疲劳性能越好。从图3可以看出，随着温度的升高，不同改性沥青材料的G*/sinδ值出现不同程度的降低，代表其抗疲劳性能均有所提高。与90#改性沥青相比，110#改性沥青的sinδ相对较小，且抗疲劳性能较好。随着温度的升高，110#SBS/胶粉复合改性沥青的抗疲劳性能逐渐强于90#SBS改性沥青。

图3 沥青高温车辙因子、疲劳系数与温度的关系

2) 基于沥青弯曲梁流变试验(BBR)的低温性能分析

沥青BBR的蠕变劲度S(t)试验结果如图4所示。可以看出，随着时间的变化，改性沥青的蠕变劲度均出现不同程度的降低。SBS改性沥青的下降趋势快于SBS/胶粉改性沥青，说明沥青的蠕变劲度受胶粉影响。而在低温和荷载共同作用下，沥青的位移越小，蠕变劲度越大，沥青变得越硬越脆，越容易开裂变脆。90#、110#SBS改性沥青的蠕变劲度在120 s后均降低，表明在长期荷载作用下，单一改性剂的沥青会根据荷载作用时间的延长发生破坏。在图4中，110#SBS/胶粉复合改性沥青蠕变劲度随时间的变化最大，说明在低温条件下，110#SBS/胶粉复合改性沥青的低温抗拉性优异。沥青低温蠕变劲度的变化速率m代表其低温性能，m值越大，沥青的低温性能越好。由图4可知，110#SBS/橡胶复合改性沥青的m值最大，说明其低温性能最好。而随着加载时间的变化，4种改性沥青的m值均逐渐减小，110#SBS/胶粉复合改性沥青的减缓速度最慢，说明该种改性沥青随加载时间的变化，仍可保持优秀的低温性能。

图4 蠕变劲度与时间的(对数)关系

在黑龙江等寒区，冬季气温一般都在零下10 ℃至零下30 ℃。在此低温环境下，寒区道路沥青的低温抗裂、抗拉性是导致低温开裂的重要因素。通过低温延度(5 ℃)与BBR的低温蠕变劲度试验结果证明，110#SBS/胶粉复合改性沥青能满足寒区对道路沥青的低温性能要求。

3 沥青混合料路用性能评价

3.1 基于车辙试验的高温性能分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》的沥青混合料车辙试验(T0719—2011)。车辙试验采取恒温60 ℃，轮压为0.7 MPa。车辙试件采用轮碾成型的300 mm×300 mm×50 mm的板块状试件。试验结果如图5所示。

图5 动稳定度对比

根据图5试验结果可知：

1) 不同种改性沥青混合料动稳定度均达到规范标准值。动稳定度值排列如下：90#SBS/胶粉>110#SBS/胶粉>90#SBS>110#SBS。

2) 90#、110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料高温性能均明显优于90、110#SBS改性沥青混合料。相比于SBS改性剂，SBS/胶粉改性剂对沥青混合料的高温性能提升更为明显。

3) 90#SBS/胶粉复合改性沥青混合料高温性能优于110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料。造成高温稳定性差异的主要原因是沥青的标号不同。

3.2 低温性能分析

1) 基于小梁弯曲试验的低温性能分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》的沥青混合料弯曲试验(T0715—2011)，弯曲试验试件采用 250 mm×30 mm×35 mm 的梁状试件，试验温度为-10 ℃。试验结果如图6所示。

图6结果表明，90#、110#SBS改性沥青混合料的最大弯拉应变并未满足规范要求最小值(弯拉应变≥2 800 με)。在施工控制、极端天气等偶然条件干扰下，90#、110#SBS改性沥青混合料的最大弯拉应变极易小于规范值。而90#、110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料的最大弯拉应变均已达到规范要求值的1.6倍以上，且110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料表现略优于90#SBS/胶粉复合改性沥青混合料。

图6 破坏应变对比

2) 基于冻融劈裂试验的低温性能分析

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》的沥青混合料冻融劈裂试验(T0729—2000)，试件采用101.6 mm×63.5 mm的圆柱体马歇尔试件。首先将试件在恒温冰箱中冷冻，温度为(-18±2)℃，保持(16±1)h。在将试件取出后，撤去塑料袋，立即放入(60±0.5)℃的恒温水槽中，且试件间保留一定间隔，并保温24 h。试验温度为25 ℃，加载速率为50 mm/min。试验结果如图7所示。可以看出，各标号SBS/胶粉复合改性沥青混合料的冻融前后强度均小于该标号SBS改性沥青混合料。这是由于温度不断降低后，胶粉改性剂对沥青混合料的低温性能改善逐渐降低。此时沥青混合料的低温性能主要由SBS改性剂主导[8]，由于胶粉的掺入导致复合改性沥青混合料的冻融劈裂后的强度偏低。

图7 水稳定性试验结果

对于年平均降雨量≥500 mm的地区，沥青混合料的TSR需大于80%。2种110#沥青混合料TSR比值均大于80%，2种90#沥青混合料TSR比值均在75%左右，表明2种110#沥青混合料的水稳定性明显优于2种90#沥青混合料。其中，110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料水稳定性略差于110#SBS改性沥青混合料。

4 结论

1) 从沥青的针入度、延度(5 ℃)及PG试验的结果来看，掺加SBS/胶粉改性剂的90#、110#的复合沥青均优于SBS改性沥青，表明SBS/胶粉对90#110#沥青改性效果明显。

2) 沥青混合料试验结果表明，SBS/胶粉复合改性沥青混合料相较于SBS改性沥青混合料具有更优秀的综合性能。其中，90#SBS/胶粉复合改性沥青混合料的高温性能略优于110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料，而110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料的低温性能、水稳定性优于90#复合改性沥青混合料。

3) 结合地理位置、气候条件与沥青混合料各项路用性能指标的综合因素分析，110#SBS/胶粉复合改性沥青混合料适用于黑龙江地区或温度偏低的寒区、低温且严重水害的地区。