SMC常温改性沥青混凝土在西藏高海拔地区公路工程中的应用前景

卢 欢，李 微

（1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710000；2.长安大学）

1 引言

交通运输行业作为能源消耗及碳排放的重点领域，是我国应对气候变化与环境污染问题的关键行业之一。实现绿色交通是交通运输行业转型发展的重要方向，交通运输部于2016年发布《关于实施绿色公路建设的指导意见》，在其主要任务之一“统筹资源利用、实现集约节约”中提到推广应用温拌沥青技术等要求[1]。温拌沥青技术在混合料拌和过程中加热沥青与集料的能源消耗减少，同时产生的有害气体相对较少，既节约了资源又保护了环境。温拌沥青混合料的拌和、摊铺由于能适应较低环境温度的要求，才可以使沥青面层施工作业时间延长，同时较低的拌合温度降低了混合料生产过程中沥青的老化[2]。SMC（Styreneic Methyl Copolymers）是近年来新研发出来的一种常温改性剂，SMC常温改性沥青技术是一种新型的节能环保技术，与常规热拌沥青相比，常温改性沥青技术可以使混合料的拌合温度降低约40℃～60℃，甚至比以往常用的温拌沥青降温30℃以上，节能减排效果显著[3]。SMC常温沥青改性剂是从废旧橡胶、废旧塑料等原材料中提炼出来的一种聚合物溶液,主要成分为甲基苯乙烯类嵌段共聚物，同时配合一定比例的环氧树脂、环氧树脂固化剂等材料[4]。SMC常温改性沥青混合料在-40℃以上及溶剂未完全挥发的情况下，仍具有一定的流动性，可满足拌合、运输、摊铺和碾压的施工要求，直至混合料中的可挥发性溶剂挥发完全后，沥青混合料逐渐固化，形成一定的力学强度，其路用性能如低温抗裂性能、抗水损害性能及抗疲劳开裂性能与常规聚合物改性沥青混合料性能相同[5]。

2 西藏高海拔地区沥青路面常见问题

西藏等高海拔、高寒地区公路气候、环境特殊，常见沥青路面病害有沥青老化、面层低温开裂、水损害、疲劳开裂等。

2.1 沥青老化

沥青老化问题主要是由于沥青胶结料的老化，从而影响到沥青路面的正常使用，老化的沥青变得又硬又脆，沥青路面由于温度及荷载的作用很容易发生断裂，显著降低路面的低温抗开裂及耐久性能，西藏等高海拔地区云层稀薄、光照充足、紫外线强烈，致使沥青加速老化，大大缩短了公路面层的使用寿命，而且由于路面开裂等病害问题的产生，严重影响了道路路用性能，给行人的生命财产安全带来威胁[6]。

2.2 低温开裂

西藏等高海拔地区气温较低[7]，且在秋冬季前后，气温变化大，由于骤然降温、昼夜温差大、持续低温天气等情况，沥青路面相对于内地将承受较大的温度荷载作用，造成温缩裂缝。低温状态下沥青面层延性降低、刚性增大，沥青面层的抗拉应力不足以抵抗骤然降温及持续低温造成路面的温度应力而导致开裂。低温裂缝以横向裂缝为主，发展过程为先从路面边缘开始出现较少短裂缝，随着温度荷载的反复作用，裂缝逐渐贯通至整个路面开裂，低温裂缝的特征为路面中心裂缝较窄，向边缘其裂缝逐渐变宽；低温裂缝走向多垂直于行车方向，裂缝开口上部宽，沿深度方向快速变窄，裂缝间距一般较均匀，无支缝，形状较规则。

2.3 水损害

西藏等高海拔地区受自然环境、气候的影响，雨雪充沛，沥青路面在经受温度胀缩及交通荷载的反复作用下，水分由毛细孔、微裂隙逐步侵入到沥青与集料的界面上，经过长时间水动力及其他应力的反复作用，沥青膜与集料逐步发生剥离，从而导致集料与沥青、集料与集料之间的粘结力丧失，产生面层集料剥落、松散、坑槽等问题，失去了沥青面层的保护，在水分的进一步作用下，水分继续入侵路面基层和底基层，逐步造成面层整体结构的损坏。

2.4 疲劳开裂

西藏等高海拔地区受气温环境的影响，常规热拌沥青混凝土在运输、摊铺及压实过程中常常因温度降幅大而导致碾压不实，影响路面压实质量，进而影响其性能，受荷载的反复作用，易造成面层疲劳开裂，特别是西藏等地区低等级公路中沥青面层较薄，路面疲劳开裂现象更加普遍。由于行车荷载及环境影响，沥青路面沿轮迹带出现单条或多条平行的纵缝，起初裂缝较细小，随着使用年限的增长、车辆荷载重复作用次数的增加及环境影响的反复作用，在纵缝间将会逐渐产生横向和斜向缝，裂缝相互贯通逐渐发展形成网状裂缝，进而影响路面力学性能。

3 SMC常温改性沥青混凝土路用性能

针对西藏高海拔地区气候环境特点及沥青路面常见病害类型，从以下四个方面对SMC常温改性沥青混凝土对西藏地区的适宜性进行分析。

3.1 抗沥青老化性能

沥青老化后，其指标中针入度变小、软化点变大、延度变小、粘度变大[8]。其中以粘度和延度两个指标变化最为明显，经老化后的沥青路面抗低温抗开裂及耐久性能显著下降。

预防路面中沥青老化的措施主要从减小紫外线对沥青的老化作用着手，可选用一些改性沥青作为混合料的材料，如SBS、SBR改性沥青等，工作机理为改性沥青中由于聚合物大分子的存在，其分解会延缓沥青老化造成的沥青变硬变脆，改善混合料流变性能和低温性能。SMC常温沥青改性剂同样是一种聚合物溶液，主要作用是在基质沥青中加入人工合成的高聚物弹性体，与基质沥青进行熔融或分散在基质沥青中，保证沥青及沥青混合料在较低温度下的流动性。常温改性沥青混合料经过一段时间后，其中的可挥发性溶剂逐渐挥发直至完全，混合料逐渐固化，形成力学强度，其力学性能及路用性能与常规聚合物改性沥青相当。所以SMC常温改性沥青技术在满足较好的力学性能及路用性能的基础上可在一定程度上延缓沥青的老化[9]。

3.2 低温抗开裂性能

西藏等高海拔地区冬季时间长、持续温度低，昼夜温差大，易造成沥青的劲度模量变大，材料变硬，面层中由于温度变化产生较大的收缩应力及应变，当其超过沥青混合料的极限应力和应变时，产生开裂。低温开裂严重威胁着公路的使用性能，是西藏等高海拔地区常见的路面病害之一。

目前对于沥青混合料低温性能测试试验主要有间接拉伸试验、低温小梁弯曲破坏试验等。低温小梁弯曲破坏试验以破坏应变为技术指标，是目前国内最常用的低温性能试验方法。魏为成等[10]通过低温小梁弯曲破坏试验对掺量12%的SMC常温改性沥青混凝土进行测定，得出混合料低温破坏应变值为5037με；吴先虎[11]通过该方法对掺量12%的SMC常温改性沥青混凝土进行了低温小梁弯曲破坏试验，得出低温破坏应变值最大为3631με，均满足西藏等地区技术指标要求。

沥青中由于SMC常温沥青改性剂的作用，使沥青加热温度降低，沥青混合料的拌合温度降低，混合料劲度模量减小，使混合料低温抗开裂性能提高。

3.3 抗水损害性能

沥青混合料的抗水损害性能通常反映在沥青路面的水稳定性。通过对国内高海拔地区沥青路面病害调查研究，在各种类型的沥青路面破坏中，有近80%的病害与沥青路面的水稳定性相关[12]。由于水损害常常造成沥青面层内部松散、路面坑槽、唧浆、裂缝等破坏，路用性能得不到保证，道路损坏给国民经济造成巨大损失，给行车安全造成巨大影响，因此水稳定性能是沥青混合料性能评价的重要指标。

目前对沥青混合料的水稳定性能进行评价的方法主要有浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验等。浸水马歇尔试验方法简单、操作简便，能够判断不同等级、不同性质沥青混合料的水稳性能的优劣，是一种方便有效的方法。冻融劈裂试验为了模拟冰冻地区沥青面层的工作环境，采用了冻融循环的条件，加重了水对沥青混合料的破坏。谢朝阳[13]在对SMC常温改性沥青混凝土水稳定性进行研究时，得出其残留稳定度达到81%，冻融劈裂强度比值达到91.4%，均满足西藏等地区技术指标要求。

3.4 耐久性能

沥青路面在气候温度、行车荷载作用下保持原有性能的能力为沥青路面的耐久性，包括对气候的耐久性、温度的耐久性、荷载的耐久性等。总体说来，对于西藏高海拔地区寒冷、雨量充沛、气压低、紫外线强、交通荷载较轻等特点，其主要表现在低温抗裂性能、抗老化性能和抗水损害性能等方面。鉴于国内开展SMC常温改性沥青混凝土路面起步较晚，工程项目偏少的现状，对实际工程中SMC常温改性沥青路面的耐久性数据需根据已建项目随时间推移进一步收集。

4 SMC常温改性沥青混凝土应用受制约因素

①目前国内规模生产SMC改性剂厂家较少，质量参差不齐，对工程造价影响偏大。

②国内外各科研机构及高校开展常温改性剂研究较多，常温改性剂类目繁杂，常温改性沥青混合料路用性能差异性明显，国内缺少统一、完善的技术标准进行评价。

③国内SMC常温改性沥青路面应用时间较短，施工技术及管理经验有待成熟，实际工程中路面耐久性需进一步跟踪监测。

④西藏高海拔地区对于SMC常温改性沥青路面应用实例少，无应用规模效应。

5 结语

SMC常温改性沥青混凝土作为常温拌合混合料，消耗的能源、释放的有害气体少，以其较好的低温抗开裂、耐久性能，更适用于具有寒冷、气压低、紫外线强、交通荷载较轻、生态环境脆弱特点的西藏等高海拔地区，符合我国当前建设绿色低碳公路的战略需求，有较好的推广及应用前景。2014年11月，交通运输部发布了《SMC常温改性沥青及沥青混合料设计与施工技术指南》，随后各省及地方相继发布适用于当地的地方性技术标准、规范，SMC常温改性沥青技术已在国内多个省市逐步开展项目并进行了应用，2017年1月，《高海拔地区SMC改性沥青路面设计与施工技术指南》试行，为SMC常温改性沥青混凝土在西藏等高海拔地区的沥青路面设计、施工和质量控制提出具体要求，为SMC常温改性沥青混凝土在高海拔地区的推广提供了规范支持。