不同改性剂对沥青混合料的路用性能影响研究

陈 智 周永浪

(1.长沙市轨道交通集团有限公司，长沙 410000；2.中地海外中扬建设工程有限公司，长沙 410000)

1 引言

国内外市政道路路面施工经验表明， 热带地区市政道路面层沥青混凝土需具备高强、高韧特性，高品质的改性沥青材料作为关键因素，需重点考虑。本研究围绕某市政道路工程项目， 对热带地区市政道路沥青混凝土进行研究。 由于该市政道路常年处于高温气候区域，地面温度最高可达到60℃，因此，改性沥青材料需适应不同服役环境， 需具备较好的路面高温抗车辙能力和集料的裹附性[1-2]。 然而，在每年的6-8 月雨水季节，大量路表雨水的灌入和冲刷会对沥青路面结构产生水损伤影响，沥青路面材料的使用需具备较好的水稳定性， 即在雨水冲刷作用下，沥青混凝土不发生开裂、松散问题[3]。 与此同时，车辆超载严重，车辆起步、制动和转弯，都会对地表产生较大的摩擦阻力，易会对路面产生开裂问题，为确保道面结构强度的不劣化， 需采用黏度性较好的高性能沥青混凝土[4-5]。 相关研究表明：热带地区市政道路沥青混合料需具备高粘弹性组分， 既要有较好的抵抗受压变形的能力，又要具备较好的弹性恢复效果[6-7]。 本文在比选PE 改性沥青、橡胶改性沥青和SBS 改性沥青的基础上，分别制备了不同类型的沥青混合料进行路用性能测试， 探究高品质、高性能的沥青路面材料。

2 改性沥青材料特性研究

为全面提升沥青路面质量和服役水平， 需对沥青材料进行严格把控， 研究对3 种不同类型的改性沥青材料进行性能试验研究，主要包括针入度、软化点、黏度等测试指标。 相关测试结果见表1。

表1 3 种改性沥青性能技术指标

由表1 可以看出，3 种改性沥青的性能技术状况存在一定差异特性，其中SBS 改性沥青的针入度、软化点和黏度值均最小。 相较于SBS 改性沥青，PE 改性沥青和橡胶改性沥青的针入度分别提升7.52%和15.79%， 软化点分别提升3.85%和7.69%， 黏度分别提升15.24%和54.29%。由于3 种改性沥青使用的改性剂不同，其改性机理和形成的技术性能也均不同。 SBS 改性沥青采用的改性剂为SBS(苯乙烯类热塑性弹性体)，与沥青的融合会形成内部物理结构铰链，形成空间网络结构，可促进沥青材料的高温性能和耐久性； 将废旧橡胶材料经特殊工艺加工得到不同目数的橡胶粉材料， 橡胶粉材料与沥青融合过程中吸收沥青种树脂， 烃类组分， 橡胶粉不断湿润膨胀，使得材料在物理和化学共同作用下黏度增大，提升整体材料的抵抗弹性变形作用。 PE 的有效组分为聚乙烯，具有强度高、耐久性好等特点，聚乙烯以低于0.03 mm 的细度分散在沥青中， 经一定试件的融合养生，PE 会不断溶胀形成空间立体网络结构， 可提升沥青材料的延展性和黏度， 制备的沥青混合料可抵抗高温环境下车辙作用影响。从改性沥青性能测试角度来看，橡胶沥青的黏度更大，其内部的橡胶粘弹组分是关键因素，但对于沥青混合料性能的影响仍需进一步探究分析。

3 改性沥青混合料性能研究

3.1 配合比设计

根据研究需要， 需对改性沥青混合料的路用性能尤其是高温性能和水稳定性进行研究。在此之前，需根据路面设计结构与材料说明进行配合比设计。 研究选用的改性沥青即上述3 种改性沥青， 粗细集料均为项目附近的花岗岩石料，填料为普通石灰石矿粉。蒙杜市政道路的面层均采用5 cm 厚0/14 级配改性沥青混凝土， 其目标配合比如图1 所示，油石比及马歇尔物理指标见表2。

图1 AC-13 配合比设计

表2 3 种不同改性沥青混合料马歇尔试验测试结果

对3 种不同改性沥青混合料的稳定度与流值进行绘图分析，如图2 所示。

图2 改性沥青混合料稳定度与流值

由以上图表可知， 沥青路面选用0/14 密实型级配，主要考虑了沥青混合料在嵌挤作用下内部结构材料更加密实，可在一定程度上抵抗重车在起步、制动和转弯时对路表的冲击作用。 从3 种不同改性沥青的最佳油石比和马歇尔试验物理指标来看，SBS 改性沥青的油石比为4.9，PE 改性沥青和橡胶改性沥青的油石比为5.0 和5.2。产生这种现象的主要原因是改性沥青与集料的粘附性有关，橡胶改性沥青中的橡胶粉熔融在沥青中，黏度较大，流动性较差，不利于与集料的均匀裹附。从稳定度和流值测试结果来看，PE 改性沥青混合料的稳定度和流值结果最小，处于比较稳定的结构状态，不易发生受复杂多变的服役环境的影响而产生结构失稳。

3.2 高温稳定性

沥青混合料在高温环境下， 容易使内部沥青油脂组分发生变形和迁移，使得内部材料结构失稳，造成路面车辙、麻面、泛油等病害现象。 为保障沥青路面不产生车辙变形等病害，需全面提升沥青混合料的高温稳定性能。研究常采用车辙试验中动稳定度指标来探究混合料高温性能技术状况，考虑到服役环境温度较高，研究采用60℃和70℃两个温度水平来研究改性沥青混合料的动稳定度，相关测试结果见图3～4。

图3 改性沥青混合料抗车辙变形

图4 改性沥青混合料动稳定度

由图3～4 可知， 对于两种不同温度环境下的车辙试验结果而言，PE 改性沥青混合料的车辙变形深度最小，60℃和70℃时分别达到1.52 mm 和3.07 mm。 而橡胶改性沥青混合料的车辙深度是三者中最大的，60℃和70℃时分别达到2.24 mm 和4.42 mm。 其主要原因是橡胶沥青混合料中橡胶粉具有较好的粘弹性，在高温环境下易产生弹性变形，造成混合料在外部持续作用下产生车辙， 尽管橡胶改性沥青混合料的高温稳定性达到路面设计规范要求， 但在高温环境地区应谨慎使用。 从动稳定数值结果来看，PE 改性沥青混合料的动稳定度结果最大，60℃和70℃时分别达到3845 次/mm和2418 次/mm。 3 种改性沥青混合料在70℃时的动稳定数值较60℃时分别下降了37.11%、49.48%和45.11%，说明PE改性沥青对于高温环境下温度敏感性较低， 不易受温度变化产生直接性能劣化影响。

3.3 水稳定性

沥青混合料的水稳定性是指混合料在水损伤环境下材料的劣化影响，水损伤既包括了雨水的冲刷浸润损伤，也包括了在低温环境下冻融损伤。 考虑到6-8 月热带草原气候环境下易产生大量持续性的雨季， 对沥青道面抵抗水损伤的要求就更高。 研究对3 种不同改性沥青混合料的水稳定性进行测试， 采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来表征混合料的水稳定性能，测试结果见图5～6。

图5 改性沥青混合料残留稳定度

图6 改性沥青混合料冻融劈裂强度比

由图5～6 可知，3 种改性沥青混合料的残留稳定度分别为89.5%、87.6%、86.4%， 冻融劈裂强度比分别为87.3%、86.5%、83.2%。说明PE 改性沥青混合料的水稳定性能是最佳的，橡胶改性沥青混合料次之，SBS 改性沥青混合料最差。 其主要原因是PE 改性沥青中的聚乙烯和沥青的油脂成分能够有效融合，形成不饱和状态，使得沥青的黏度增大，材料内部结构处于稳定状态。 在外部水损伤的环境下，改性沥青和集料裹附性较好，能够延缓内部损伤、材料破碎。 而SBS 改性沥青是SBS 改性剂在沥青中形成网络结构，在长期的雨水浸润和冲刷下，内部水分子容易渗透到SBS 改性沥青中，破坏其内部结构状态的稳定，在一定程度上会造成内部混凝土的松散、剥落。

3.4 费用成本分析

从高温稳定性和水稳定性试验结果来看，PE 改性沥青具有较好的性能优势，但考虑到实际生产路面铺筑的成本，需进一步对其费用组成进行计算对比，3 种改性沥青的费用组成如表3 所示。

由表3 分析可知， 对于不同改性剂应用到基质沥青中制备改性沥青，改性剂的掺量控制要求也是不一样的。 其中，橡胶粉材料的掺量最多，达到15%。 改性剂成本因为制备工艺及原材料不同，也存在一定的价格差异。其中，SBS 改性剂的费用最高，达到15600 元/t。通过最终的计算分析，PE 改性沥青的单位成本费用最低， 价格为3070 元/t， 橡胶改性沥青分费用与其较为接近，达到3125 元/t。 而SBS 改性沥青则达到3374 元/t，较PE 改性沥青贵出304 元/t。 若同时考虑3 种不同沥青混合料油石比，则PE 改性沥青的单位成本是最低的。 综合考虑改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及成本，认为PE 改性沥青具有绝对的优势， 可应用于热带地区市政道路沥青面层的铺筑。

表3 不同改性沥青费用组成分析

4 结语

本研究以某市政道路工程项目为背景， 对PE 改性沥青、橡胶改性沥青、SBS 改性沥青的技术性能及其混合料高温稳定性、水稳定性进行综合分析，认为PE 改性沥青混合料在高温稳定性和水稳定性方面具有绝对优势，通过成本的综合计算分析，PE 改性沥青的成本为3070元/t。 研究认为PE 改性沥青混合料具有高强、高黏、高韧等特点，能够适应高温环境下路面车辙、水损伤等病害问题，具有较广的应用前景。