干法SBS 改性技术在沿海高速中的应用研究

2023-11-10张晗孟春麟赵明方卢传忠吉国旗

中外公路 2023年4期

张晗，孟春麟，赵明方，卢传忠，吉国旗

（江苏东部高速公路管理有限公司，江苏盐城 224000）

0 引言

由于SBS 改性沥青高温时具有较大劲度、低温下具有较小劲度、有水存在时抗剥离效果好，因此其成为高等级公路建设首选的建筑材料［1-6］。从改性工艺角度分类，SBS 改性沥青技术可以分为湿法和干法两种［7-10］。如图1 所示。

湿法工艺先后采用溶胀、剪切过磨、发育等过程生产SBS 改性沥青，随后运输到施工现场使用。由于SBS 改性剂与基质沥青的物性存在差异，SBS改性沥青在储存时可能会出现改性剂与基质沥青的离析分层或性能衰减现象，给路面质量造成不良影响［11-14］。

干法改性技术省略了成品SBS 改性沥青的生产过程，可以将基质沥青、改性剂以及集料一起拌和使用，从根源上避免了成品SBS 改性沥青的加工、储存、运输过程中性能衰减问题，降低了改性沥青路面质量管理难度，还能有效降低沥青改性成本，提高施工灵活性，具有一定的推广价值［15-18］。

为了对干法SBS 在江苏地区应用可行性进行系统分析，本文依托沿海高速公路项目，以江苏地区常用原材料为试验材料，对其与干法SBS 技术配伍性展开研究，分析不同SBS 改性剂掺量对沥青路面性能的影响，并结合实体工程对实际应用效果进行评价，为江苏地区应用干法SBS 技术提供参考。

1 原料选择

改性剂选用SBS-T，基质沥青选用70#基质沥青，其主要指标见表1。

表1 70#沥青的主要性能指标

粗集料选用石灰岩，矿粉选用石灰矿粉，来源均为沿海高速公路中修项目。

2 室内研究

2.1 干法改性剂与基质沥青的配伍性研究

为了考察SBS-T 改性剂对基质沥青性能的影响，参考中国公路学会标准《公路干法SBS 改性沥青路面技术指南》（T/CHTS 20003—2018）附录C 的要求［19］，在试验室以70#基质沥青、不同掺量的SBS-T为原料模拟湿法工艺制备得到不同改性剂含量的SBS 改性沥青，对针入度、软化点、延度、弹性恢复等主要指标进行表征［20］，其中SBS-T 掺量分别为5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%。

除7.5%掺量的SBS 改性沥青在加工过程中因改性剂掺量过高而凝胶外，其余各样品性能指标随改性剂掺量变化情况见图2～5［21］。

图2 干法改性剂掺量对针入度的影响

图3 干法改性剂掺量对延度的影响

图4 干法改性剂掺量对软化点的影响

图5 干法改性剂掺量对弹性恢复的影响

由图2～5 可以看到：随着SBS-T 掺量的增加，针入度先减小后增加，延度呈现上下波动，软化点呈现持续增加的趋势，弹性恢复变化较为平缓。总体来看，除7.0%掺量下的针入度超过上限要求外，其余均能符合技术要求。

就反映混合料高温稳定性的软化点来看，当SBS-T 掺量为5%～6%时指标增速较快，超过此范围后，增速趋缓。从反映低温性能的5 ℃延度看，5.5%、6.0%掺量下也总体优于5.0%，且当掺量超过6.0%时，增加改性剂掺量对延度影响并不显著。经分析，其原因可能是当SBS-T 掺量达到6.0%时改性沥青中的改性剂达到相转化浓度，SBS-T 中预溶胀的SBS 溶于沥青后发生交联反应形成了三维网络结构，使得沥青的高低温性能得到了大幅提升，此后继续增加改性剂掺量对沥青体系性能并无显著影响。

因此，综合胶结料性能及经济性，建议SBS-T 掺量为基质沥青质量的6.0%左右。

2.2 改性沥青混合料路用性能验证

参照马歇尔法及依托项目实际情况，以在室内通过模拟制备的SBS 改性沥青为胶结料确定最佳油石比为5.8%，级配采用SMA-13，目标配合比级配见表2。

表2 SMA-13 沥青混合料目标配合比级配

以此为基础，结合前期研究情况，分别以干法改性剂掺量为5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%拌和制备干法改性沥青混合料，方法参照《公路干法SBS 改性沥青路面技术指南》（T/CHTS 20003—2018）要求，拌和温度如表3 所示。

表3 干法SBS 改性沥青混合料室内试验拌和温度

2.2.1 干法改性剂对混合料高低温性能的影响

对成型后干法SBS 改性沥青混合料进行车辙、低温弯曲试验，考察SBS-T 对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性的影响。结果如图6 所示。

图6 干法改性剂掺量对动稳定度及破坏应变的影响

由图6 结果可知：在所选取的改性剂掺量（5.5%～7.5%）范围内，所制备的干法SBS 改性沥青混合料的高低温性能均能符合相应技术要求，且有较大安全余量。

随着SBS-T 掺量的增加，高低温性能均呈现一定程度的波动，当SBS-T 掺量达到6%时，动稳定度达到峰值，而后随着掺量的增加逐渐降低，分析这种现象可能是由于：①当掺量过高时改性剂未能在设定的拌和条件下彻底熔融，对其性能的发挥造成了影响；②改性剂对路用性能的改善是其内部所含有的各材料组分的平衡统一后带来的，当掺量低于某个阈值时，发挥主要作用的可能是有利于高温性能的组分，当超过某个阈值时，有利于低温性能的组分开始发挥作用。

在低温抗裂性方面，随着改性剂掺量的增加，破坏应变呈现逐渐增加的趋势，当掺量低于6.0%时，曲线的斜率较大，当掺量超过6.0%时，斜率变小且趋于平缓，最后呈现线性变化。与表征胶结料低温性能的延度对比发现，两者的变化趋势基本一致，均呈现先大幅增加、而后趋于平缓的趋势，这说明与其他类似改性剂仅注重于高温性能的改善不同，干法SBS 改性剂对于低温性能有较为显著的改善，真正发挥了SBS 对沥青性能进行综合改善的作用。

2.2.2 干法改性剂对混合料水稳定性的影响

对成型后干法SBS 改性沥青混合料进行马歇尔、冻融劈裂试验，研究SBS-T 对沥青混合料强度、水稳定性的影响，结果如图7～10 所示。

图7 干法改性剂掺量对马歇尔稳定度的影响

图8 干法改性剂掺量对残留稳定度的影响

图9 干法改性剂掺量对冻融劈裂强度的影响

图10 干法改性剂掺量对RTSR的影响

由试验可以得到：所制备沥青混合料的马歇尔稳定度、残留稳定度及RTSR均符合相关要求，说明混合料具有良好的强度和水稳定性，在有水存在时，仍然能够保持较高的强度，应用于中国东部及南部等潮湿多雨地区时，能够防止唧浆、网裂等路面病害的出现。

2.2.3 干法改性剂对混合料飞散的影响

对成型后干法SBS 改性沥青混合料进行肯塔堡飞散试验，以研究SBS-T 对集料抗脱落性的影响，结果如图11 所示。

图11 干法改性剂掺量对飞散的影响

由图11 可以看出：在改性剂掺量范围（5.5%～7.5%）内，肯塔堡飞散损失平均值均小于上限要求，且均有较大余量，说明表面的集料不易脱落而散失掉粒。随着改性剂掺量的逐渐增加，飞散损失率呈现小幅波动，说明掺量对于飞散试验的影响并不显著。

综上，结合沥青混合料的路用性能及使用经济性，推荐干法SBS-T 的掺量为6.0%，这与沥青胶结料验证所得到的结果一致。

3 试验段修筑

为了更好地对干法SBS 改性效果进行验证，选择沿海高速公路K1087+450～K1087+550 盐城方向第三、四车道修筑试验段。

3.1 干法沥青混合料的生产及运输

在试验段修筑时，干法SBS 改性剂掺量为6.0%，油石比为5.8%，级配为SMA-13，生产配合比与表2 一致［22］。

干法SBS 改性剂采用机械自动输入投料方式，直接投入沥青拌和楼拌缸使用。施工前已对机械投放装备的称重系统和投放时间进行标定，投料质量误差小于设定值±3%，投料时间小于10 s。集料加热温度180～190 ℃，沥青加热温度150～160 ℃。干法SBS 改性剂与木质素纤维同时投入，干拌约10 s后，投入沥青和矿粉进行湿拌，湿拌时间约35 s。从沥青混合料外观看，沥青裹覆较为均匀、无花白料、无结块和离析现象。

沥青混合料装车过程中，运料车装料时采用前、后、中移动分三堆装料，减少粗集料的离析，运输车车厢顶部采用油布覆盖的保温措施，温度基本保持为180 ℃左右。