高温干旱地区干法SBS配制高模量沥青混合料配合比设计研究

梁锋，胡新顺

（中交一公局集团有限公司，北京 100024）

随着中资企业承建海外道路项目的市场份额逐渐增多，如何将我国道路建设技术和经验与当地道路设计相结合成为了一个重要研究方向。海外沥青道路项目有较大部分采用的高模量设计体系，采用我国常用的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene tri-block copolymer，SBS）改性沥青技术很难满足15℃、10 Hz的动态模量≥14 000 MPa［1-3］的技术要求。同时，海外道路项目多没有成熟的改性沥青配套产业，尤其是非洲等欠发达地区。如何结合国内沥青改性技术解决海外道路项目所在地沥青改性产业匮乏、进口改性沥青价格昂贵的痛点，对海外道路施工项目的实施十分关键。本文结合吉布提T港口连接线项目，依托干法SBS技术，对海外高温干旱地区的沥青混合料改性技术、沥青面层配合比设计及性能评价进行研究。

1 项目设计指标

1.1 沥青胶结料设计指标

对于路面中间层和基层用的沥青胶结料，项目设计要求为PG76-10，技术指标见表1。

表1 PG76-10技术指标要求Tab.1 PG76-10 Technical specifications requirements

1.2 沥青混合料设计指标

该项目沥青路面结构层共分为厚4 cm的沥青混凝土磨耗层、厚6 cm的高模量沥青混凝土中间层和厚14 cm的高模量沥青碎石基层，各层沥青混合料均采用马歇尔设计方法，中间层和基层均为高模量沥青混合料，要求在15℃、10 Hz条件下，动态模量≥14 000 MPa［1-3］。

2 原材料与改性工艺

磨耗层和中间层均采用60～70#中东Y国沥青作为基质沥青，基层则采用40～50#中东Y国沥青作为基质沥青，干法SBS改性剂的生产厂家为国路高科，集料采用0～3 mm机制砂、0～5 mm细集料、5～20 mm碎石和19～37.5 mm碎石，集料为项目自行加工生产。

3 干法SBS最优掺量确定

该项目采用干法SBS改性工艺，即将SBS改性剂直接投入沥青拌和站的拌缸，对基质沥青及混合料进行改性。本项目初拟了4.5%、5.5%、6.5%和7.5% 4个掺量的SBS改性剂与60～70#基质沥青制备了中间层用SBS改性沥青；初拟了3.0%、4.0%和5.0% 3个掺量的SBS改性剂与40～50#基质沥青制备了基层用SBS改性沥青，并进行了PG分级评价［4-7］，具体试验结果见表2～表3。

表2 不同掺量下SBS改性沥青性能指标（60～70#中东Y国沥青）Tab.2 Performance indexes of SBS modified asphalt with different dosage（Middle East Country Y 60～70# bitumen）

表3 不同掺量下SBS改性沥青性能指标（40～50#中东Y国沥青）Tab.3 Performance indexes of SBS modified asphalt with different dosage（Middle East Country Y 40～50# bitumen）

由试验结果可以得出：①对于60～70#中东Y国沥青，当干法SBS掺量为4.5%和5.5%时，G*/sinδ不满足技术要求；当干法SBS掺量6.5%和7.5%时，技术指标满足PG76-10技术要求。因此，优选6.5%作为中间层最优干法SBS用量。②对于40～50#中东Y国沥青，当SBS改性剂掺量为3.0%时，G*/sinδ不满足 规范要求；当干法SBS掺量4.0%和5.0%时，技术指标满足PG76-10技术要求。因此，优选4.0%作为基层最优干法SBS用量。

4 混合料配合比设计

根据马歇尔设计方法对沥青中间层和基层进行配合比设计，确定级配及最佳油石比，沥青混合料级配采用高模量技术体系要求。

4.1 矿料级配

沥青中间层采用0～20 mm的级配设计，中间层各种矿料级配的比例为（19～37.5 mm）∶（5～20 mm）∶（0～5 mm）∶（0～3 mm）=20：35∶18∶27，级配曲线如图1所示。沥青基层采用0～40 mm的级配设计，各种矿料级配的比例为（19～37.5 mm）∶（5～20 mm）∶（0～5 mm）∶（0～3 mm）=20∶30∶22∶28，级配曲线如图2所示。

图1 0～20 mm矿料级配Fig.1 0～20 mm aggregate grading

图2 0～40 mm矿料级配Fig.2 0～40 mm aggregate grading

4.2 混合料油石比

中间层初拟5个油石比，依次为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，制备沥青混合料的部分物理性能指标见表4。基层初拟5个油石比，分别为3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，以不同油石比制备的沥青混合料的物理性能指标见表5。

表4 不同油石比时中间层沥青混合料的物理性能指标Tab.4 Physical performance index of intermediate layer asphalt mixture with different oil-tostone ratios

表5 不同油石比时基层沥青混合料的物理性能指标Tab.5 Physical performance index of base asphalt mixture with different oil-to-stone ratios

由于中间层要求沥青混合料空隙率介于3%～7%之间，表4中数据显示，当油石比为3.5%和4.0%时，空隙率超出要求的范围。同时，综合考虑油石比和各项物理性能指标，确定中间层用沥青混合料的最佳油石比为4.5%。由于基层要求沥青混合料空隙率介于3%～7%之间，表5中数据显示，当油石比为3.0%和3.5%时，空隙率超出要求的范围。同时，综合考虑油石比和各项物理性能指标，确定基层用沥青混合料的最佳油石比为4.0%。

5 动态模量性能评价

因该项目中间层和基层设计为高模量沥青混凝土路面，要求同时满足动态模量（15℃，10 Hz）≥14 000 MPa。因此，对两层所设计的沥青混合料进行动态模量测试，在15℃条件下，两层沥青混合料10 Hz时的动态模量均高于14 000 MPa，满足高模量沥青混合料对动态模量的要求［8-10］，如图3所示。

图3 中间层与基层沥青混合料的动态模量Fig.3 Dynamic modulus of asphalt mixtures of intermediate and base layers

6 结语

根据东非高温干旱地区及沥青路面的设计特点，采用干法SBS技术进行了中间层、基层的配合比设计及性能评价，主要结论如下：①对于60～70#中东Y国沥青，当干法SBS掺量为6.5%时，可以满足PG76-10技术要求；对于40～50#中东Y国沥青，当干法SBS掺量为4.0%时，可以满足PG76-10技术要求。②在上述干法SBS掺量的前提下，吉布提T港口连接线项目设计的中间层、基层均具有优良的性能，且满足高模量技术体系中动态模量（15℃，10 Hz）≥14 000 MPa的技术要求［11-12］。由本研究可知，在优良的配合比设计及合适的干法SBS掺量下，可以满足PG分级要求和高模量技术体系要求，可以为中资企业在海外道路路面工程设计和施工时提供参考。