排水性能优化下的高弹改性沥青应用研究

李雪娟

摘要 通过在基质沥青中添加橡胶粉和SBS改性剂，成功制备了高黏高弹改性沥青，克服了其在排水沥青混合料中的高温稳定性差、水稳定性不足及使用寿命短的问题。性能评价表明，添加SBS和橡胶粉后，沥青的针入度降低、软化点和黏度增加，高温性能显著提升、疲劳寿命增加；橡胶粉的加入增强了混合料的水稳定性，稍微降低了渗水系数，但保持了充分排水能力。综合分析建议的最佳橡胶粉掺量为20%。

关键词 高黏高弹改性沥青；排水沥青混合料；SBS改性剂；疲劳性能；橡胶粉

中图分类号 U416.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0124-03

0 引言

高黏高弹改性沥青以其卓越的性能在多个领域得到了广泛应用。在空港、高速公路和其他高负荷交通区域的道路工程中，高黏高弹改性沥青展现了出色的高温稳定性和疲劳抗性，其在防水层、摩擦层等不同层次的应用，为提高道路性能和使用寿命提供了有效手段[1]。高黏高弹改性沥青在沥青混合料中的应用引起了广泛关注。研究表明，其引入后能够显著提高混合料的耐疲劳性、抗变形性和抗龟裂性。因此，高黏高弹改性沥青的应用使得沥青混合料在高负荷和高温条件下的表现更为卓越，为提高道路耐久性提供了有效手段。

1 试验材料与方案

1.1 基质沥青

为了深入探讨高黏高弹改性沥青在排水沥青混合料中的应用，该研究选用A级基质沥青作为研究对象，其性能指标按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）的要求进行测试[2]，以确保测试的准确性和可比性，见表1所示：

1.2 改性剂

高黏高弹改性沥青的制备过程涉及使用多种改性剂，以提升其性能，使其更适用于特殊的工程需求。其中，聚合物改性剂是常见的一类，如丁苯橡胶（SBR）、聚合苯乙烯（SBS）、聚氨酯等。这些聚合物能够显著提高沥青的弹性和黏度，改善其在高温条件下的性能，使其更具耐久性。橡胶改性剂也是常用的改性剂之一，包括再生橡胶、细粉橡胶和乳胶橡胶等，其技术指标如表2所示。这些橡胶颗粒的引入能够增加沥青的韧性和耐久性，提高其抗交通负荷和抗气候变化的能力。另一种重要的改性剂是聚合物改性橡胶（PMB），其常见成分包括SBS、SBR和EVA等；PMB能够显著提高沥青的抗疲劳性、弹性模量和耐老化性能，使其在高温高负荷的环境下表现出色[3]。

1.3 高性能改性沥青的定制制备探究

高黏高弹改性沥青的制备过程包括几个关键步骤。首先，选择高黏度的基础沥青作为起点，这通常是通过石油提炼得到的原沥青。基础沥青的选择对于最终产品的性能至关重要，因为其初始性质将在改性的过程中被调整和增强。其次，通过添加改性剂改良沥青的性能。这些改性剂的选择取决于所需的最终性能，可能包括聚合物、橡胶或聚合物改性橡胶等。这些改性剂有助于提高沥青的黏度、弹性模量和耐老化性能，从而使其更适合特殊的工程需求[4]。随后，混合和加热是关键的制备步骤。将基础沥青和改性剂进行混合，并在适当的温度下进行加热，确保改性剂均匀地分散在沥青中。这个过程有助于形成均匀的混合物，提高最终产品的一致性[4]。

2 排水性能优化下的高弹改性沥青应用研究

在该研究中，采用玄武岩作为排水沥青混凝土的集料，并根据技术指标进行了详细的选择，其具体参数如表3所示。在配合设计中，参照PAC-13级配进行设计，通过调整排水沥青混凝土的级配曲线[5]，确保其符合设计要求。为了提高排水沥青的混凝土性能，特别是在改性沥青的使用下，对级配进行了合理的调整。

3 试验流程

在该研究中，为了解决高黏高弹改性沥青在排水沥青混合料中存在的高温稳定性差、水稳定性不足及使用寿命短的问题，采用了在基质沥青中添加橡胶粉和SBS改性剂的方法[6]。首先，进行了材料的准备，选择了符合要求的A级基质沥青、SBS改性剂和40目的橡胶粉。随后，通过高速剪切仪湿法制备了橡胶改性沥青，控制温度、剪切速率和时间，以确保制备的橡胶改性沥青质量。接着，将不同掺量的橡胶改性沥青与SBS改性剂进行混合，加入工业硫磺，最终得到高黏高弹的改性沥青。在沥青混合料的设计中，选择了玄武岩作为集料，通过集料筛选试验确定了合适的粒径分布，并进行了马歇尔试验以优化沥青含量。

随后，对沥青及混合料进行了一系列的性能评价试验，包括针入度、软化点、黏度、多重应力蠕变和线性振幅等。通过这些试验，系统地评估了沥青的工程性能和混合料的实际路用性能。结果显示，橡胶粉和SBS改性剂的添加显著提高了高黏高弹改性沥青的高温稳定性和水稳定性。特别是在车辙抗性方面，改性沥青表现出更强的抗变形能力。此外，对冻融劈裂、汉堡车辙和渗水等性能进行了评价，验证了改性沥青在实际路用中的可行性。

4 试验结果分析

4.1 针入度

在进行针入度测试时，首先应确保样品的代表性和稳定性，因此通常从施工现场采集样品。这些样品在室温下存放，并在测试前进行必要的预处理。测试过程中应使用符合标准要求的沥青针入度仪，该仪器能够垂直压入预热的沥青样品表面。测试过程中应保持温度的稳定性和测试环境的一致性，确保得到准确可靠的数据。测试完成后，记录每次测试的针入度数值，并计算其平均值。这些数据将提供有关沥青黏度和流动性的信息，对于道路施工中的材料选择和工程质量控制至关重要。测定的针入度值，如图1所示。通过分析针入度试验结果，可以得知高黏高弹改性沥青在规定温度下的流动性和黏度表现。

4.2 软化点

在软化点测试中，先将经过预处理的高黏高弹改性沥青样品置于一个特定的测试环境中，然后通过逐渐加热的方式观察沥青样品发生软化的温度。软化点即为沥青开始在球形金属探针的压力下产生塑性变形的温度。软化点的试验结果提供了沥青在高温环境下开始变软和流动的温度信息，改性沥青的软化点试验结果如图2所示。较高的软化点通常表示沥青在高温条件下更为稳定，能够保持其黏度和形状，有助于减缓路面龟裂和变形等问题。

4.3 黏度

高黏高弹改性沥青的黏度是一个关键的常规性能指标，用于评估其在不同温度下的流变性和黏性。黏度测试通常通过旋转黏度仪等设备进行，这些测试提供了沥青在实际使用条件下的黏性特性。黏度试验结果如图3所示。在进行黏度测试时，高黏高弹改性沥青样品首先会被预热至特定温度，然后施加一个剪切力以观察其在这一温度下的变形和流动情况。试验结果以黏度值表示，反映了沥青在所选温度下的阻力和流动性。

5 高黏高弹改性沥青流变性能

5.1 多重应力蠕变

高黏高弹改性沥青的流变性能，特别是在多重应力蠕变条件下的表现，是评估其在道路工程中实际应用时的关键性能之一。多重应力蠕变测试通过在不同应力和温度条件下施加剪切力，提供了沥青在变化工况下的变形和流动行为的详细信息。在进行多重应力蠕变测试时，高黏高弹改性沥青样品将在控制的应力水平下受到连续的剪切作用[7]。这种测试能够模拟实际交通负荷和气候条件下沥青材料的应力响应。通过测量应力和应变的关系，可以得到沥青的流变学特性，包括动态剪切模量、相位角等参数。

5.2 线性振幅试验

高黏高弹改性沥青流变性能的线性振幅试验是一种常见的实验方法，用于评估沥青在受到不同振幅剪切应力下的变形和流动行为。这种试验通常通过动态剪切流变仪进行，该仪器能够在不同频率和振幅下施加剪切力，并测量沥青的响应。在进行线性振幅试验时，高黏高弹改性沥青样品被置于试验仪器中，并在一定的温度范围内进行测试[8]。试验过程中，系统将以线性振幅施加剪切应力，然后测量相应的应变。通过在多个振幅和频率条件下执行测试，可以获得沥青在变化条件下的动态剪切模量、相位角等重要参数。

5.3 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是该文中一个关键的实验环节，旨在评估高黏高弹改性沥青及其混合料在冰冻和融化交替的极端寒冷条件下的抗裂性能。首先，通过选用冻融劈裂试验机，确保能够在控制的实验环境下模拟出寒冷气候对沥青路面的挑战[9]。

在试验开始前，精心准备了高黏高弹改性沥青试样以及相应的混合料试样，确保它们符合相应的规范要求，并采用了符合试验标准的尺寸和形状。试验前，对试样进行了适当的室温平衡处理，以确保试样达到试验所需的温度。

在试验中，需加载试样到冻融劈裂试验机中，通过设置试验机的温度范围和冻融循环次数，模拟了道路在寒冷条件下的工作环境。通过观察试样在冻融过程中的变化，记录下试验期间的温度、循环次数，并重点关注试样上可能形成的裂缝。

6 结论

首先，通过采用橡胶粉和SBS改性剂，成功制备了高黏高弹改性沥青。经过一系列全面的性能评价，包括针入度、软化点、黏度、多重应力蠕变、线性振幅等试验，确认了高黏高弹改性沥青在各项性能指标上的显著改进。

在高温性能方面，添加SBS改性剂和橡胶粉使得高黏高弹改性沥青表现出卓越的工程性能。尤其是在高温条件下，疲劳寿命显著延长，这对于减缓车辙和永久变形问题具有积极的意义。橡胶粉的加入在提高沥青混合料的高温性能方面发挥了重要作用，尤其是在优化橡胶粉的掺量为20%时，综合性能得到了最佳的平衡。

另外，该文还对混合料进行了全面的改进，采用玄武岩作为集料，并通过调整级配曲线达到了最优设计。通过马歇尔试验，成功确定了不同改性沥青的最佳掺量，为高黏高弹改性沥青在实际道路工程中的应用提供了可行的技术支持。

最后，通过线性振幅试验对疲劳性能进行了全面评价。结果显示，在不同应变水平下，橡胶粉掺量为15%时的高黏高弹改性沥青表现出最佳的疲劳寿命，有望在实际高速公路建设中减缓疲劳损伤，延长路面的使用寿命。

参考文献

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[3]翁开翔. 高黏高弹超薄罩面在公路沥青路面更新改造中的应用探究[J]. 中国公路， 2023（11）： 170-172.

[4]黄峰， 王振潭， 颜国欣. 低黏高弹改性剂对沥青及沥青混合料性能的影响[J]. 公路与汽运， 2023（3）： 91-93.

[5]徐池， 苟圣. 高黏高弹沥青混凝土在柔性桥面施工中的应用[J]. 四川水力发电， 2022（6）： 40-43+47.

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[8]吴凯. 公路面层沥青材料在低温条件下的性能分析与评价[J]. 交通世界， 2022（22）： 29-31.

[9]张发金. 高黏高弹改性沥青应力吸收层对国省公路改造和维护的影响[J]. 江西建材， 2022（8）： 263-265.