一种高粘弹改性沥青及其混合料性能与工程应用

王新科， 蒋建辉， 周启伟， 张建新， 曾庆涛

(1.重庆交通大学， 重庆 400074； 2.广西桂兴高速公路投资建设有限公司， 广西 桂林 541000；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 4.广西桂阳高速公路投资建设有限公司， 广西 桂林 541000)

普通道路沥青由于自身的组成和结构决定了其感温性能、弹性和耐老化性能差，高温易流淌，低温易脆裂，难以满足高等级公路的使用要求，必须对其改性以改善使用性能[1-3]。为满足工程需要，近年来，高粘高弹改性沥青得到不断研究和推广。高粘高弹改性沥青是一类特种沥青，根据《高粘高弹道路沥青》(GB/T 30516—2014)定义：动力粘度(60 ℃)大于2×104Pa·s，弹性恢复(25 ℃)大于85%的沥青，称之为高粘高弹沥青。

目前，国内学者主要从高粘高弹沥青的粘弹特性进行研究。朱元军、谭忆秋、李睿等[4-7]通过动态加载试验、多应力蠕变恢复试验(MSCR)研究了高粘高弹改性沥青的粘弹性能，从能量角度进行评价，得出高粘高弹改性沥青高、低温性能都优于传统SBS改性沥青；在改性剂作用下，高粘弹改性沥青的弹性贮能能力及对集料的粘附性大幅提高，这表明其具有较强的抗疲劳性能、抗剥落能力和抗分散性。

国外学者根据流变学提出了高粘高弹改性沥青的评价指标。Vacin等[8]利用动态剪切流变仪和弯曲梁流变仪对橡胶沥青及沥青混合料进行了研究，得出两者在路面温度、荷载作用时间对沥青的高温抗变形方面有很好的相关性。Lu等[9]通过对改性沥青进行剪切流变分析，得到了表征流变性能的粘弹指标。Stadler F J等[10]采用零剪切粘度对沥青结合料的高温性能进行评价。Dongre[11]提出剪切速率为 0.01 rad/s 时的粘度作为沥青结合料的高温性能评价参数。

高粘高弹改性沥青混合料的路用性能也是热点研究之一。彭强等[12]研究了紫外老化的后高弹改性沥青混合料SMA-10，其高温性能、低温性能及水稳定性略有降低,但均满足规范要求，仍有良好的路用性能；刘静波、钟国武等[13-14]对高弹改性沥青SMA-10的路用性能进行了研究，得出高弹SMA沥青混合料具有较优良的强度、粘附、抗水损害性能，高温与疲劳性能优于SBS改性沥青混凝土；Ahmad Mansourian等[15]采用多次应力蠕变恢复试验、动态剪切流变仪对复合高粘弹沥青结合料的性能进行了评价，试验结果表明，无论沥青结合料的线性或非线性粘弹性行为如何，都能提高沥青结合料的低温性能和抗车辙性能；Sadiq Bhat Faheem等[16]采用基于Superpave车辙参数的老化指数来评价沥青混合料的抗老化性能，结果表明，复合改性剂的加入对SBS改性沥青结合料的车辙和疲劳性能都有积极影响。

综上所述，针对高粘弹改性沥青的粘弹特性、评价指标、路用性能等已有大量研究，但目前国内对高粘高弹改性沥青在超薄罩面中的应用研究较少，本文以复合高粘弹改性沥青的制备与应用为旨要，通过试验及工程应用，以期为高粘弹改性沥青的应用推广提供参考，助力提升我国公路沥青路面预防养护水平。

为满足某超薄罩面的工程需求，本文采用SBS、高粘弹改性剂制备了复合高粘弹改性沥青，分析评价了复合改性沥青的性能及高粘弹改性沥青混合料的路用性能，并进行了试验段铺筑，以检验高粘弹改性沥青混合料在超薄罩面中使用的合理性和可行性，为在该工程推广应用提供依据。

1 原材料

1.1 沥青

基质沥青采用70#A级道路石油沥青，25 ℃针入度72.1，软化点64.2 ℃，15 ℃延度大于100，SHRP 性能等级达到PG64-22，其余各项指标均满足相关规范要求。

1.2 集料

粗细集料均采用广西龙胜的辉绿岩，集料为0 mm～3 mm、3 mm～6 mm，6 mm～11 mm热料，其表观相对密度分别为2.811、2.867、2.854，毛体积相对密度分别为2.755、2.808、2.796。矿粉采用广西龙胜的石灰石矿粉，表观密度2.713、表观相对密度2.717。其余各项指标均满足相关规范要求。

1.3 SBS改性剂

SBS采用线型SBS，嵌段比(S/B)为30/70，掺量为基质沥青的5%。

1.4 稳定剂

采用广东某公司生产的硫磺稳定剂，掺量为基质沥青的0.3%。

1.5 高粘弹改性剂

采用山东某公司生产的橡胶合成共混物SR-1，掺量范围为SBS改性沥青的2%～10%。

1.6 级配

分别取集料为0 mm～3 mm、3 mm～6 mm、6 mm～11 mm的热料辉绿岩及矿粉进行级配设计，最终设计结果如表1所示。

表1 配合比设计

根据上述级配，采用马歇尔击实试验确定最佳油石比为5.5%。

2 高粘弹改性沥青的制备及性能分析

2.1 制备工艺

高粘弹改性沥青制备工艺流程如图1所示。

图1 高粘弹改性沥青制备工艺流程

具体步骤为：

1) 将基质沥青加热至180 ℃时，添加5%SBS改性剂和0.3%稳定剂；2) 在剪切温度为180 ℃±2 ℃，转速4 500 r/min，剪切时间30 min 条件下，进行改性剂的高速剪切分散；3) 剪切完成后，置于油浴锅内搅拌发育，发育温度为180 ℃，发育时间为2 h，搅拌转速约 60 r/min，可制得成品SBS改性沥青；4) 将成品SBS改性沥青加热到180 ℃，于油浴锅内掺入高粘弹改性剂SR-1，按转速约 60 r/min搅拌10 min，可制成高粘弹改性沥青。

2.2 高粘弹改性沥青性能分析

采用SBS和高粘弹改性剂复合改性，在SBS掺量5%不变的情况下，改性剂SR-1按推荐掺量2%、4%、6%、8%、10%进行逐步添加，通过针入度、软化点、延度、弹性试验、粘度试验进行性能分析，并确定改性剂SR-1的最佳掺量。试验结果如表2所示。

表2 高粘弹改性沥青试验结果

1) 针入度试验

从表2针入度试验结果可知，随SR-1掺量增加，针入度增大，其原因是SR-1中含有橡胶成分，SR-1掺量增加使得SBS改性沥青变软。

2) 软化点试验

从表2软化点试验结果可知，随SR-1掺量增加，沥青软化点逐渐增大，当掺量大于8%时，软化点开始降低，其原因为当高弹剂掺量增加到一定数量后，其组分中的橡胶与SBS相互混溶形成良好的网络结构，进而提高SBS改性沥青的软化点，但当高弹剂掺量大于8%后，容易产生离析，导致软化点降低。

3) 延度试验

从表2延度试验结果可知，随SR-1掺量的增加，高弹改性沥青低温延度为普通SBS改性沥青 2～3倍，表明高弹改性沥青具有优异的低温性能。

4) 弹性试验

从表2弹性恢复试验结果可知，当SR-1掺量为8%时，沥青的弹性恢复为100%，其原因为SBS与沥青形成的网络结构中，高粘弹改性剂起到了填充作用，提高了沥青的弹性恢复性能。

由于测定的高粘高弹改性沥青与SBS改性沥青的弹性恢复区分度较小，弹性恢复值几乎都能达到90%以上，不能准确地表征和区分其恢复性能，故设计了弹性恢复速率试验[17]。试验方法：按照25 ℃弹性恢复试验条件，从剪断后立刻记录恢复开始30 s的弹性恢复数据，此后记录频率为每1 min记录一次恢复过程中相应时间的恢复值，比较SR-1掺量8%的高弹改性沥青与SBS改性沥青的恢复速率，试验记录如图2所示。

图2 弹性恢复速率与恢复时间关系曲线

由图2可以看出，SBS改性沥青和高粘弹改性沥青的弹性恢复速率随着时间延长逐渐减小，高粘弹改性沥青表现出优异的弹性恢复速率，在0.5 min时，高粘弹改性沥青与SBS改性沥青的恢复速率分别为19.3%/min、12.0%/min，高粘弹改性沥青恢复速率为SBS改性沥青的1.6倍。在0.5 min～3 min的过程中，高粘弹改性沥青弹性恢复速率明显高于SBS改性沥青,说明高粘弹改性沥青在剪断瞬间内部应力更大，内部残余应力更高，具有更优的弹性恢复性能。分析其原因为高粘弹改性剂的掺入使得改性沥青在发生疲劳时，单次循环损耗的能量降低，即最大限度降低疲劳发生时产生的转变热能，从而达到提高改性沥青疲劳寿命的目的。

5) 粘度试验

从表2中 60 ℃动力粘度试验结果可知，掺加SR-1后，沥青的60 ℃动力粘度升高，均满足高粘高弹道路沥青定义中大于2×104Pa·s的要求，在SR-1掺量8%时，其60 ℃动力粘度大于30×104Pa·s，证明其沥青内聚力较大，具有优异的粘性；表2中135 ℃旋转粘度试验结果表明，135 ℃旋转粘度降低，分析其原因为：在较高温度时，SR-1在SBS改性沥青网络结构中起到了降粘作用，在8%掺量下，通过粘温曲线可计算得出，其拌和温度下降3 ℃～5 ℃，摊铺温度下降6 ℃～8 ℃，这有助于沥青混合料的施工和易性。

基于表2试验结果及分析，确定高粘弹改性剂SR-1的最佳掺量为8%。

3 高粘弹改性沥青混合料路用性能研究

3.1 高温稳定性

采用车辙试验评价混合料高温稳定性。车辙试件成型为上层2.0 cm高粘弹改性沥青混合料，下层为3.0 cm SBS改性沥青混合料，对比试样为5 cm SBS改性沥青SMA-10混合料，平行试件为每组2个，试验结果取平均值，如表3所示。

表3 混合料车辙试验结果 次/mm

表3试验结果表明：掺入高弹剂SR-1后，混合料的抗车辙性能有一定的提升，与SBS改性沥青混合料相比，动稳定度提高了11.4%，分析其原因为SR-1填充了SBS与沥青的胶结网络，增强了改性沥青的网络结构强度，进而提高了混合料的高温稳定性。

3.2 水稳定性

采用冻融劈裂试验评价高粘弹改性沥青混合料的水稳定性能。平行试件为每组8个，试验结果取平均值，如表4所示。

由表4冻融劈裂结果分析得出，与SBS改性沥青SMA-10混合料相比，高粘弹改性沥青混合料的冻融劈裂强度比提高了8.6%，表明其水稳定性优于SBS改性沥青SMA-10混合料，其原因为SR-1中含有大量的橡胶成分，提升了沥青与石料的粘附性。

表4 混合料冻融劈裂、低温弯曲、疲劳试验结果

3.3 低温抗裂性

采用低温小梁试验对高粘弹改性沥青易密实型混合料的低温抗裂性能进行评价。平行试件为每组6个，试验结果如表4所示。

由表4低温弯曲试验结果可得出，与SBS改性沥青SMA-10混合料相比，高粘弹改性沥青混合料的低温抗裂性提高了60.9%，明显优于SBS改性沥青SMA-10混合料，其原因为SR-1有效提高了沥青胶结料的粘弹性，变形损失的能量降低，提高了其抗疲劳性能，从而提升了混合料的低温抗裂性。

3.4 抗疲劳性能

采用UTM沥青伺服机进行疲劳试验。在试验过程中，采用应变水平为500 με，试验温度为15 ℃，荷载频率为10 Hz，当混合料的劲度模量下降到初始劲度模量的50%时停止试验，加载次数作为该混合料的疲劳寿命，平行试件为每组4个，试验结果如表4所示。

由表4疲劳试验结果得出，与SBS改性沥青SMA-10混合料相比，高粘弹改性沥青混合料的疲劳寿命提高了175%，明显优于SBS改性沥青SMA-10混合料，其原因为SR-1有效提高了沥青胶结料的粘弹性，使沥青在发生疲劳时，单次循环损耗的能量降低，即最大限度降低疲劳发生时产生的转变热能，进一步提升了混合料的抗疲劳性。

4 工程应用

4.1 试验段铺筑

基于上述室内试验结果，在广西某高速公路铺筑高粘弹沥青混合料超薄罩面试验段，其长度 1 000 m，具体施工工艺包括原路面处理、摊铺、碾压及施工工后检测。流程如下：

1) 采用精细铣刨工艺对原路面进行铣刨，处理深度为1.8 cm；2) 采用高压吸泵对路面进行除尘；3) 采用自动喷洒设备喷洒快裂型高粘乳化沥青，其用量为0.5 kg/m2；4) 摊铺时，超薄罩面摊铺温度控制在165 ℃～175 ℃，摊铺速度为6 m/min～9 m/min；5) 碾压时，压实机具组合采用钢-胶-钢组合，初压2遍，复压为胶轮揉搓4遍，钢轮压路机再静压路面2遍，充分保证压实度。

4.2 摊铺温度及碾压时间控制

Bruce A.Chadbourn等[18]研究出了一种软件工具PaveCool，通过使用计算机模型，模拟摊铺后热沥青混合料在不同环境条件下的冷却规律。通过设定环境温度、风速、天气状况、地理纬度、沥青混合料类型、沥青等级、铺层厚度、摊铺温度、下层材料类型、材料状况和表层温度等条件，计算设定条件下沥青混合料的温度下降规律，并得出最佳的初压及终碾时间。

在施工过程中对摊铺温度及压实温度进行实时监控与数据采集，并与软件PaveCool拟合的冷却曲线进行对比[19-20]，结果如图3所示。

实测高粘弹沥青混合料的开始摊铺温度、碾压过程中表面温度及初终压时间，结果如表5所示。

(a) 现场数据采集

(b) 摊铺机温度自动监控

(c) PaveCool软件预测结果

(d) 实测摊铺碾压温度

表5 摊铺、碾压温度及初终压时间

从图3(c)PaveCool预测的沥青混合料降温特性曲线可知，高粘弹改性沥青超薄罩面混合料的摊铺温度应控制在165 ℃～175 ℃，在当日气温不高于20 ℃，风速约3 m/s的情况下，从摊铺开始到终压结束时间应不超过20 min。从图3(d)结果可知，现场摊铺碾压过程中实测得的混合料表面降温曲线与PaveCool软件预测沥青混合料降温特性基本一致。从表5结果可知，现场施工中按预测时间内完成终压，能够保证压实质量。

4.3 现场检测

为验证高粘弹改性沥青混合料路用性能是否达标，施工完毕后对现场进行渗水、构造深度、厚度试验，结果如表6所示。

表6 现场检测结果

表6现场试验检测结果显示，高粘弹改性沥青混合料的马歇尔力学及体积参数、高温稳定性、水稳定性、构造深度、渗水系数及厚度等主要技术指标均能满足设计文件和现行技术规范要求，路用性能良好。

5 结论

1) 高粘弹复合改性剂SR-1的最佳掺量为8%，在此掺量下，其低温延度为普通SBS改性沥青的2.4倍，粘弹性能提升显著，60 ℃动力粘度大于30×104Pa·s，剪断30 s时其弹性恢复速率为SBS改性沥青的1.6倍，表明高粘弹改性沥青的低温性能、粘弹性能及抗疲劳性能较SBS改性沥青均有所提高。

2) 掺入高粘弹复合改性剂SR-1后，其低温抗裂性和抗疲劳性能分别提升了60.9%、175%，表明高粘弹改性沥青混合料较SBS改性沥青混合料具有更优异的路用性能。

3) 经试验段铺筑验证，高粘弹改性沥青混合料超薄罩面的抗滑性能、渗水性能、厚度及构造深度均满足现行规范要求，在本工程采用该混合料铺筑可行。