沥青改性剂在混凝土路面加固施工中的应用

杜凤

摘 要：为提升沥青混凝土路面施工质量，研究沥青改性剂在混凝土路面加固施工中的应用。以某高速公路为例，选取70#基质沥青为原料，添加不同掺量的Sasobit和SBS沥青改性剂，制作改性沥青和改性沥青混合料。选取针入度、延度、软化点、高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性为测试指标，验证不同Sasobit和SBS沥青改性剂掺量下改性沥青的性能。实验结果表明：掺入Sasobit和SBS改性剂后，改性沥青在15℃、25℃、30℃温度范围内的硬度增加，抗变形能力变强;温度敏感性降低;高温抗变形能力增强;改性沥青混合料强度、极限应变和变形能力增强;抗车辙能力、低温抗裂性、水稳定性提升。Sasobit沥青改性剂在针入度降低方面和马歇尔稳定度提升方面优势显著;SBS沥青改性剂在改善延度、提升路面高温性能、动稳定度和低温抗裂性方面优势显著。

关键词：沥青;改性剂;混凝土;路面加固施工;改性沥青

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0187-06

Application of Asphalt Modifier in Concrete Pavement Reinforcement Construction

Du Feng

（Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu 611130， China）

Abstract：In order to improve the construction quality of asphalt concrete pavement， the application of asphalt modifier in concrete pavement reinforcement construction is studied. Taking an expressway as an example， 70# base asphalt was selected as raw material， and Sasobit and SBS asphalt modifier with different contents were added to produce modified asphalt and modified asphalt mixture. Penetration， ductility， softening point， high temperature stability， low temperature cracking resistance and water stability were selected as test indexes to verify the performance of modified asphalt with different Sasobit and SBS modifier contents. The experimental results show that： with the addition of Sasobit and SBS modifier， the hardness of modified asphalt in the temperature range of 15℃， 25℃ and 30℃ increases， and the deformation resistance increases; the temperature sensitivity decreases; the high temperature deformation resistance increases; the strength， ultimate strain and deformation energy of the modified asphalt mixture are enhanced; the rutting resistance， low temperature crack resistance and water stability are improved. Sasobit asphalt modifier has significant advantages in penetration reduction and Marshall stability improvement; SBS asphalt modifier has significant advantages in improving ductility， improving pavement high temperature performance， dynamic stability and low temperature crack resistance.

Key words：Asphalt; Modifier; Concrete; Pavement reinforcement construction; Modified asphalt

0 引言

瀝青混凝土路面出现重载、超载现象越发的明显[1]，加上受气候因素的影响，沥青混凝土路面的车辙、开裂状况不断发生，汽车行驶在这种路面情况较差的沥青混凝土公路上，会出现颠簸现象，导致车内人员的舒适度降低;严重时甚至会出现交通事故，造成生命危机[2，3]。因此，提升沥青混凝土路面施工质量是保障人们行驶过程中舒适度和安全性的前提。

目前在沥青混凝土路面加固工程中，一般采用添加沥青改性剂提高沥青混凝土路面的使用寿命和行车质量[4]，结合国内外研究结果，添加改性剂后的改性沥青可使沥青混凝土路面的高温稳定性和低温抗裂性得到相应提升，但由于沥青和改性剂种类繁多，并且各地区施工条件、对路面的行驶要求及气温变化等因素不同[5]，为此，将本地实际条件与《沥青路面施工技术规范》相结合进行改性沥青混凝土路面施工研究。Sasobit（沙索必德）改性剂作为一种新型聚烯烃类沥青改性剂，具有易搅拌、难离析等特点。SBS（Styrene-Butadiene-Styrene）改性剂属于苯乙烯类热塑性弹性体，具备耐高温、抗低温能力强、抗车辙能力强、弹性及韧性佳等优势。本文通过将Sasobit改性剂、SBS改性剂添加到某高速公路混凝土路面加固工程中，验证沥青改性剂在混凝土路面加固中的作用。经试验验证发现沥青改性剂的添加提高了改性沥青的各项基本性能及抗车辙能力，使沥青混凝土路面的加固得到显著效果。

1 材料方法

1.1 研究区概况

以某高速公路为例，其公路全长为43.2km，沿线共有7座大桥、5座中桥、10座小桥、3座高架桥、4处隧道，计划投入资金12.46亿元人民币。现对该高速公路路面实施混凝土路面加固工程，按照该工程提出的工期计划，结合考虑基层、底层施工验收进度、现场施工天气影响及工程队施工技术力量、配置机械设备等情况，计划130d完成该高速公路路面混凝土路面加固。

1.2 试验方案

目前我国现行规范一般基于沥青的物理性能对沥青分类，通过测量沥青针入度、延度、软化点等评价沥青性能[6，7]，采用电动马歇尔成型仪，对Sasobit改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料及基质沥青混合料进行马歇尔对比试验，测试3种混合沥青的稳定度及抗车辙能力。采用冻融劈裂试验验证改性沥青混合料的水稳定性能。

1.3 试验材料

（1）粗集料：选取坚韧、粗糙有棱角的石料[8]，本工程粗集料采用施工现场地区石场的砂岩碎石制作，破碎机为锥式碎石机。

（2）细集料和填充料：干净、无风化、颗粒级符合施工要求的机制砂为细集料[9]，矿粉采用施工现场地区生产的干燥、干净的袋装矿粉。

（3）选用符合《公路沥青路面施工技术规范》 [10] 70#沥青作为基质沥青;沥青改性剂选取SBS改性剂、Sasobit改性剂，均采购于上海彩瑄建材科技有限公司;胶溶剂型号为MBA-3，采购于佛山市万化科技有限公司。基质沥青性能指标测试结果如表1所示。

1.4 物料制备方法

为准确地评价不同掺入量的Sasobit和SBS改性沥青对混凝土路面施工加固性能的提升[11]，分别按3%、4%、5%、6%的掺入比例对Sasobit和SBS改性沥青进行配制（掺入百分比按Sasobit和SBS改性剂质量和基质沥青质量的百分比计算）。

1.4.1 改性沥青制备

将基质沥青升温至140℃，将不同比例的Sasobit改性剂依次投进基质沥青，经过30min简单机械搅拌，使Sasobit改性剂在基质沥青中均匀分布[12，13]，得出Sasobit改性沥青。

取胶溶剂和SBS改性剂，经加热搅拌后得出SBS胶浆母液，基质沥青应升温至200～300℃，将SBS胶浆母液加入基质沥青中搅拌至二者发生化学反应，得出SBS改性沥青。

1.4.2 改性沥青混合料制备

基质沥青混合料的制备方法按照《公路沥青路面施工技术规范》规定进行配制。

采用“干法”拌和，将不同比例的Sasobit改性剂依次投入基质沥青，拌和60s，加入预定量的沥青[14，15]，拌和90s，然后加入矿粉，继续拌和60s，得出Sasobit改性沥青混合料。

结合Sasobit改性沥青混合料的制备方法，在混凝土路面施工中考虑上面层集料吸水率偏高，将SBS改性沥青混合料总拌和时间增至270s。

2 试验

2.1 针入度

随着工程建设的快速发展，经过多次实际操作研究发现评价沥青性能的最重要指标是沥青的感温性，沥青针入度作为沥青感温性最具代表性的指标，其指标的高低对沥青路面的高温稳定性和低温抗裂性有很重要的影响。试验取不同比例掺量的Sasobit改性沥青、SBS改性沥青与基质沥青分别在15℃、25℃、30℃温度下进行针入度测试，不同SBS掺量下沥青针入度测试结果如图1所示。

不同Sasobit掺量下沥青针入度测试结果如图2所示。

由图1、图2可知，3种不同温度下，掺入Sasobit和SBS改性剂后的改性沥青针入度都低于基质沥青针入度，且随着Sasobit和SBS改性剂的掺入比例增加，针入度下降。以30℃为例进行分析，当SBS改性剂掺量为3%、4%、5%、6%时，SBS改性沥青针入度分别是基质沥青的83%、68%、65%、56%;当Sasobit改性剂掺量为3%，4%，5%，6%时，Sasobit改性沥青针入度分别是基质沥青的68%，56%，50%，45%，两种改性沥青的针入度比基质沥青针入度均有明显下降，同时Sasobit改性沥青的针入度降低情况优于SBS改性沥青针入度。结果表明掺入Sasobit和SBS改性剂后的改性沥青在15℃、25℃、30℃温度范围内的硬度增加，抗变形能力变强，路用性能得到提高，且Sasobit改性沥青优于SBS改性沥青。

不同Sasobit和SBS掺量下沥青针入度指数测试结果如图3所示。

由图3可知，Sasobit改性沥青和SBS改性沥青的针入度指数PI均大于基质沥青，未掺入改性剂的基质沥青针入度指数一直在负数值-0.7左右，随着Sasobit和SBS掺入量增加，PI值一直向正数值方向逐渐升高，结果表明掺入Sasobit和SBS改性剂后使沥青的温度敏感性降低，沥青的感温性得到改善，且Sasobit改性沥青的沥青感温性改善效果好于SBS改性沥青。

2.2 延度

有研究表明混凝土路面的使用性能与沥青的延度有关，由此沥青延度作为评价沥青低温性能的重要指标，延度越高，沥青韧度越高。分别在5℃和15℃两个温度下，以5cm/min的速度将Sasobit和SBS改性沥青、基质沥青拉伸至断裂，测量3种沥青的延度（mm）。不同Sasobit和SBS掺量下沥青延度测试结果如图4所示。

从图4可知，在5℃试验温度下，掺入Sasobit改性剂后，沥青延度先增加后下降，在15℃试验温度下， Sasobit改性剂用量增加时沥青延度下降，说明Sasobit改性剂应该根据实际情况合理配比使用;在5℃和15℃试验温度下，随着SBS改性剂用量越大沥青延度越高，并在掺量为2%时，延度就高于基质沥青延度，表明SBS改性沥青的韧度比基質沥青高。SBS改性剂对沥青延度的改善优于Sasobit改性剂。

2.3 软化点试验

混凝土路面沥青高温性能通过测量沥青软化点进行衡量，软化点高的沥青抗高温性能较好。采用环球法测量Sasobit和SBS改性沥青及基质沥青软化点，不同Sasobit和SBS掺量下沥青测试结果如图5所示。

由图5可以看出，随着Sasobit和SBS改性剂掺量增加，改性沥青的软化点也随着增加，并且两种改性沥青的软化点均比基质沥青软化点高，当Sasobit和SBS改性剂掺入量达到5%时，Sasobit改性沥青、SBS改性沥青的软化点分别比基质沥青软化点分别提高了80%、84%，结果表明Sasobit和SBS改性剂的添加使沥青的高温性能得到提升，高温抗变形能力增强，且SBS沥青改性剂的高温性能提升优于Sasobit沥青改性剂。

2.4 沥青高温稳定性测试

沥青混合料的重要指标包含沥青的高温稳定性，混凝土路面在气温较高时抵抗车辙变形能力受沥青高温稳定性影响，沥青高温稳定性越高，抵抗车辙变形能力越强。

2.4.1 马歇尔稳定度测试

采用电动马歇尔成型仪对不同掺入比例的Sasobit改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料及基质沥青混合料进行马歇尔试验，测试3种沥青混合料的稳定度，测试结果如表2所示。

由表2可以看出，Sasobit改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料的马歇尔稳定度均高于基质沥青混合料。随着Sasobit改性剂掺入量增加，Sasobit改性沥青混合料的马歇尔稳定度增加;SBS改性剂按3%和4%的比例掺入时，SBS改性沥青混合料的马歇尔稳定度低于基质沥青混合料，但随着掺入量逐渐增加，SBS改性沥青混合料的马歇尔稳定度逐渐增加。结果表明随着Sasobit改性沥青和SBS改性沥青掺入量增加，混合料的强度逐渐增加，此时混合料的稳定性能高于基质沥青混合料;掺入同等比例的改性剂时，加入Sasobit改性剂的沥青混合料马歇尔稳定度优于SBS改性剂。

2.4.2 高温抗车辙能力

沥青混合料的高温性能采用车辙试验方法测试，此试验方法根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 JTGE20—2013进行，在试验温度为60℃的试验条件下，保温时间超过5h后，测定3种沥青混合料动稳定度，以此评价沥青混合料抗高温变形能力。Sasobit改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料与基质沥青混合料车辙试验结果对比如表3和图6所示。

由表3和图6可以看出，按不同比例掺入Sasobit改性剂和SBS改性剂后，Sasobit改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的动稳定度均高于基质沥青。Sasobit改性沥青混合料的动稳定度呈上升趋势，整体上升态势平稳;SBS改性沥青混合料的动稳定度高于Sasobit改性沥青混合料，当SBS改性剂掺量达到4%时，该改性沥青混合料的动稳定度已接近基质沥青的动稳定度的3倍，说明SBS改性剂可以有效降低沥青混合料的流动变形，且SBS掺量越大，效果越明显。综上，Sasobit改性剂和SBS改性剂的添加，使沥青混合料的高温性能提升，混凝土路面的抗车辙能力提升。

2.5 低温抗裂性

在天气寒冷的季节，受低温影响，沥青混合料的极限强度低于其温度应力，导致沥青混凝土路面容易出现低温开裂现象，沥青混凝土路面是柔性路面，其路面质量受它的刚度影响（也就是抵抗变形的能力—弯拉应变）。采用低温弯曲试验方法，在试验温度为10℃，加载速率为60mm/min时，对Sasobit和SBS改性沥青混合料与基质沥青混合料进行测试，测试结果如表4所示。

由表4可知，随着Sasobit和SBS掺量增加，Sasobit改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变值均高于基质沥青混合料，其中SBS改性沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变值提升效果较好。说明改性剂添加增强了混合沥青的极限应变和变形能力，沥青混凝土路面的低温抗裂性得到提升，SBS改性剂对提升沥青混凝土路面的低温抗裂性具有显著优势。

2.6 水稳定性测试

目前我国有很多地区一到雨季时，该地区沥青混凝土路面的水损坏情况仍然很严重，主要是石料和沥青的粘附性不足，致使沥青混凝土路面松散、剥落现象发生。为此，采用冻融劈裂试验对不同Sasobit和SBS掺量下沥青混合料的冻融劈裂强度进行测试，测试结果如表5所示。

由表5可以看出，Sasobit和SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度高于基质沥青混合料，随着Sasobit和SBS掺量增加，两种改性沥青的冻融劈裂强度继续增加，当改性剂掺量达到5%时，SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比达到99.9%，Sasobit改性沥青混合料的冻融劈裂强度比为98.1%。结果表明两种改性剂的添加使沥青的水稳定性提高，其中SBS改性剂的效果更好。雨水较多地区建议使用沥青改性剂对混凝土路面实施加固处理。

3 结论

文章以Sasobit和SBS改性剂为例，通过试验验证沥青改性剂的添加使基质沥青的针入度、延度、高温稳定性、低温抗裂性等性能得到明显改善，改性剂的添加比例不同，产生的效果也不同，实际施工要结合多方面因素考虑，按照实际施工情况制定沥青改性剂的添加比例，发挥添加沥青改性剂后的最优性能，使沥青混凝土路面的整体加固质量得到提升。

接下来我们应该把研究的重点放在对于不同路况、不同条件下的详细分析，并加强添加沥青改性剂后的沥青混凝土路面的日常养护方法，使沥青混凝土路面的使用性能可以长期保持并发挥其最大优势。

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