高黏高弹改性沥青在排水沥青混合料中的应用研究

闵建刚, 苏 毅, 孙熔正, 王兆民, 谢道降, 赵艳峰

(云南省曲靖市交通工程质量安全监督站，云南 曲靖 655000)

0 引言

排水混凝土具有排、渗水等功能，可减少雨水对沥青路面的破坏[1]。排水沥青路面则是一种具有生态和环境效益的路面结构，它可通过采用大孔隙设计，实现以“渗、滞、蓄、净、用、排”的建设理念，很好地改善高速公路的雨洪管理效果。雨水流经大孔隙可缓解地面排水系统压力，从而减少地表径流，防止城市内涝，对缓解高速公路排水设施的压力与保护生态环境等具有十分重要的意义[2-3]。

排水混凝土在雨水下渗过程中可以有效吸附和过滤杂质、有机污染物等有害物，在这个过程中还可以降解有害微生物，从而减弱雨水对地下水的污染，使水资源得到自然循环。同时，排水混凝土可以实现路面排水与热量散失的双重效果，能够调节大气环境和湿度，并对高速公路周边的生态平衡建设有一定的推动作用[4]。研究表明，将10%的纳米TiO2掺入沥青中制备的排水混凝土，在紫外线条件下可以将汽车尾气等有机污染物降解为水和二氧化碳，从而减少气体污染物排放[5-7]。排水沥青路面可以高效排除路面积水，提高降水时路面的摩擦系数，保证车辆的行车安全；由于其存在较大的空隙结构，可以减少车辆在行驶过程中轮胎与路面对空气的挤压，从而降低噪音污染[8]。排水沥青路面虽然具有以上优点，但研究表明其容易受到水和温度等环境条件的影响。与普通密级配沥青相比，排水沥青混凝土对沥青的黏度要求较高。同时，孔隙率较大也使路面结构的强度有所降低。因此，在一定程度上排水沥青混凝土在生产中要求较高，限制了其实际应用。

为了解决排水沥青混凝土的高温稳定性、水稳定性差和使用寿命短的工程问题[9]，麒师公路开展了基于沥青面层功能要求的路面材料开发及施工关键技术研究，一种可能的解决方案是通过制备高黏高弹改性沥青以满足实际需要。一方面通过使用废旧橡胶粉，实现绿色道路的建设，使沥青具有更好的高温流变性能；另一方面，通过SBS改性剂使路面具有更好的抗疲劳性能，延长道路的使用寿命。

道路工作者一直致力于对高黏高弹改性沥青的系统研究。张红兵等[10]对橡胶粉和SBS复合改性沥青所应用的原材料进行优选，结果表明橡胶粉细度应控制在40～60目，掺量控制在12%～18%，WD相容剂的加入可以有效提高复合改性沥青的储存稳定性。王朝军等[11]对不同类型SBS/橡胶粉复合改性沥青流变性能进行研究，结果表明复合改性沥青的针入度与延度有所降低；星型SBS改性剂对复合改性沥青的高温性能提升效果优于线型SBS改性剂；MSCR试验表明复合改性沥青的高温抗变形能力明显优于SBS改性沥青。魏翰超等[12]对橡胶复合改性沥青混凝土在降噪路面建设中的应用进行研究，结果表明采用橡胶复合改性沥青修筑的降噪路面与传统路面相比，路面噪声平均降低3～5 dB，相当于降低60%交通量或50%车速所减少的噪声量。彭伟[13]为了明确及优化SBS和橡胶粉在改性沥青中的最佳掺量，通过进行常规试验，发现橡胶粉的最佳掺量为15%、SBS改性剂掺量为4%，并建议剪切时间为60 min、剪切温度为100 ℃。

本文通过针入度、软化点、布氏旋转黏度试验以及MSCR、LAS试验，研究高黏高弹改性沥青的常规性能和流变特性；还通过冻融劈裂试验、车辙试验和渗透系数试验，研究了高黏高弹改性沥青排水沥青混合料的路用性能。

1 试验材料与方案

1.1 高黏高弹改性沥青的制备

1.1.1基质沥青

本文选用A级70#基质沥青，其性能指标如表1所示，试验均按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E 20-2011)要求进行。

表1 基质沥青性能指标项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm软化点/℃延度25 ℃/cm密度/ (g·cm-3)闪点/℃动力黏度60 ℃/(Pa·s)溶解度/%旋转薄膜烘箱试验质量变化/%残留针入度/%残留延度/cm实测数据64501251.04625820099.8-0.0563.611.3技术要求50～70≥ 46≥ 100实测值≥ 230≥ 180≥ 99.5± 0.8≥ 61≥ 6

1.1.2改性剂

本文使用的沥青改性剂为橡胶粉(CR)和SBS，其中橡胶粉细度为40目，其技术指标如表2所示。本文所选用的SBS改性剂是一种乙烯类热塑性弹性体，可以与沥青相容后形成稳定的网状结构，可有效提高沥青的高温稳定性与低温抗裂性。在制备改性过程中需要加入工业硫磺，以弥补聚合物改性沥青分离性差、抗氧化性和抗紫外老化性能差的缺陷。

表2 橡胶粉性能指标试验指标含水量/%相对密度灰分/%炭黑含量/%橡胶含量/%丙酮提取物/%水分/%金属含量/%实测数据0.361.155.263.5549.150.350.03技术要求<11.1～1.3<10>56>30≤10<0.5<0.05

1.1.3高黏高弹改性沥青的制备

首先，利用高速剪切仪通过湿法制备橡胶改性沥青，在制备过程中沥青与橡胶粉发生聚合物反应，并使沥青胶结剂的结构发生变化。本文中废旧橡胶粉的掺量为基质沥青质量的10%、15%、20%，剪切时温度控制在(145±5)℃，剪切速率6000 r/min，剪切时间60 min。其次，将不同掺量的橡胶改性沥青预热至180 ℃，加入一定质量的SBS改性剂(掺量为基质沥青质量的4%)。最后，加入工业硫磺，在剪切速率6 000 r/min下进行充分混合，并将制备的高黏高弹改性沥青在180 ℃溶胀1.5 h。

1.2 排水沥青混合料级配设计

本文排水沥青混凝土集料采用玄武岩，其技术指标如表3所示。参照PAC-13级配设计调整排水沥青混凝土最终的级配曲线如图1所示。通过马歇尔试验确定各类改性沥青的最佳掺量，其中沥青含量分别为4.5%、5%、5.5%、6%，最终确定4%SBS+10%CR、4%SBS+15%CR、4%SBS+20%CR、4%SBS改性沥青、基质沥青混合料的最佳沥青掺量分别为5.4%、5.8%、6%、5.3%、5.4%。

表3 集料的性能指标项目表观密度/(g·cm-3)含水率/%吸水率/%洛杉矶磨耗损失/%针片状颗粒/%压碎值/%扁平和细长颗粒含量/%二氧化碳含量/%测量值2.8631.260.6110.23.213.69.41.82技术要求≥2.6≤2.0≤1.5≤25≤5≤45≤15-

图1 PAC-13级配设计

1.3 试验流程

为了研究高速公路建设中高黏高弹改性沥青的工程性能，本文进行了三项常规性能试验，包括针入度、软化点、布氏旋转黏度试验；使用动态剪切流变仪在60 ℃下进行多重应力蠕变试验来评价沥青的永久变形能力，蠕变过程中加载时间为1 s，卸载恢复时间为9 s，每个样品试验共进行10个循环，两个应力水平分别为0.1 kPa和3.2 kPa，通过不可恢复蠕变柔量(Jnr)和蠕变恢复率指标评估沥青的抗车辙能力。同时，为了评价沥青的抗疲劳性能，进行频率扫描和线性振幅扫描试验，在此之前将沥青进行长期老化处理。频率扫描中应变控制为0.1%，频率范围为0.2～30 Hz；振幅扫描试验采用10 Hz的恒定频率。同时对沥青混合料进行冻融劈裂、汉堡车辙和渗水系数试验，以评价其实际路用性能。

2 试验结果分析

2.1 高黏高弹改性沥青常规性能

2.1.1针入度

针入度是反映沥青的重要指标之一，它表示沥青的软硬程度、稠度和抗剪切破坏能力。在25 ℃下对不同沥青试件进行保温，测定其针入度值(见图2)。掺入4%的SBS改性剂后，SBS改性沥青的针入度为46.2(0.1 mm)，与基质沥青相比降低了27.8%，表明SBS会使基质沥青的针入度显著降低。同时，随着橡胶粉的加入，SBS改性沥青的针入度持续降低；当橡胶粉掺量为20%时，针入度值最小为37.6(0.1 mm)，与基质沥青相比降低了41.25%。针入度的结果表明，与普通沥青混合料相比，加入橡胶粉可以使沥青混合料更硬，使其具有良好的工程性能。

图2 针入度试验结果

2.1.2软化点

软化点主要反映沥青的黏度和温度敏感性。不同改性沥青软化点试验结果如图3所示。4%SBS改性沥青的软化点为58.4 ℃，与基质沥青相比提升了16.8%。掺入橡胶粉后，高黏高弹改性沥青的软化点逐渐升高，分别为62.3、63.9、64.7℃，结果表明橡胶粉可以提升沥青的软化点，但是橡胶粉的掺量对其影响较小。软化点结果表明，SBS改性剂和橡胶粉使高黏高弹改性沥青的高温性能有明显增强。由于排水混凝土为大空隙结构，夏季高温时在荷载作用下易产生车辙破坏，而高温性能的改善将有效减少车辙。

图3 软化点试验结果

2.1.3黏度

在135 ℃和165 ℃条件下对5组沥青试样进行布氏旋转黏度试验，试验结果如图4所示。黏度较大的沥青在荷载作用下产生的剪切变形较小，弹性恢复性能较好，残留的永久变形较小，说明其具有更好的高温性能。如图4所示，在掺入橡胶粉后高黏高弹改性沥青的黏度显著增强；随着温度升高，沥青的黏度下降。当4%SBS和20%CR加入基质沥青中，其135 ℃黏度为17002 mPa·s，而4%SBS改性沥青黏度为1189mPa·s，基质沥青仅有606 mPa·s。结果表明，橡胶粉会使沥青的黏度增加，即使在高温(165 ℃)下高黏高弹改性沥青的黏度仍然较高。

图4 布氏旋转黏度试验结果

2.2 高黏高弹改性沥青流变性能

2.2.1多重应力蠕变

在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下对5组沥青试样进行多重应力蠕变试验，使用Jnr和蠕变恢复率评价沥青的高温性能，试验结果如图5、图6所示。高俊峰等[14]表示较低的Jnr值和较高的蠕变恢复率使沥青具有较强的高温抗车辙能力。如图5所示，在0.1 kPa应力水平下，掺加4%SBS使基质沥青的Jnr值显著降低，与基质沥青相比降低了61.33%。同时随着橡胶粉的加入，Jnr值将继续下降，掺加4%SBS+20%CR的改性沥青具有最低的Jnr值0.95 kPa-1，与基质沥青相比降低了78.89%，与4%SBS改性沥青相比降低了45.4%。这表明高黏高弹改性沥青具有更好的抗车辙能力。在3.2 kPa应力水平下，4% SBS+20%CR的改性沥青具有最低的Jnr值0.45 kPa-1，与基质沥青相比降低了91%，与4%SBS改性沥青相比降低了60.53%，表明其在较高的应力水平下仍然具有较好的抗车辙能力。

图5 不可恢复蠕变柔量试验结果

图6 蠕变恢复率试验结果

如图6所示SBS改性剂和橡胶粉使基质沥青的蠕变恢复率明显增加。对同一种沥青而言，应力从0.1 kPa增大到3.2 kPa时，其蠕变恢复率降低，说明在较大的荷载作用下更易产生车辙破坏。在低应力水平(0.1 kPa)下，掺加SBS使基质沥青获得更好的蠕变恢复能力，但掺加橡胶粉后高黏高弹改性沥青的蠕变恢复能力有所下降。掺加15%的橡胶粉时，高黏高弹改性沥青的蠕变恢复率最大为28.6%，与4%SBS改性沥青相比有所下降。在高应力水平(3.2 kPa)下也产生了相同的规律。

通过多重应力蠕变试验可得，橡胶粉会使沥青的蠕变恢复率有所下降，但是抗永久变形能力与基质沥青相比有明显增强。SBS改性剂和橡胶粉的加入改变了沥青的黏弹性组成，导致沥青的弹性成分增加而黏性成分降低，使基质沥青的高温性能明显增强。

2.2.2线性振幅试验

为了评价沥青的疲劳性能，本文采用线性振幅试验(LAS)，使用疲劳寿命Nf来评价其疲劳性能。刘文娟等[15]研究得出疲劳寿命Nf值越大，沥青的疲劳性能越好。图7为不同沥青试样在不同应变水平(2.5%、5%)下的疲劳性能。

图7 LAS试验结果

应变水平为2.5%时，加入4%的SBS改性剂，沥青的疲劳寿命显著增强，与基质沥青相比，疲劳寿命次数提升了270%。随着橡胶粉的加入，高黏高弹改性沥青的疲劳寿命与SBS改性沥青相比有所降低，但相比基质沥青还是有明显提升。在2.5%的应变水平下，4% SBS+15%CR的改性沥青疲劳寿命为59 816次，与基质沥青相比提升了234%，与4%SBS改性沥青相比降低了9.73%。在5%的应变水平下，高黏高弹改性沥青与SBS改性沥青的疲劳寿命相比变化不明显，但优于基质沥青。总之，橡胶粉掺量为15%时，高黏高弹改性沥青的疲劳寿命最长，疲劳性能最佳。沥青疲劳寿命的增加，将有利于高黏高弹改性沥青在高速公路建设中的推广与应用。

2.3 高黏高弹改性沥青混合料性能

2.3.1冻融劈裂试验

与传统沥青混合料相比，高速公路建设中所用的排水沥青路面通常具有大孔隙结构，这就要保证其具有良好的抗水损害能力和较大的抗裂性，本文通过冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性和抗裂性，结果如图8所示。分析沥青混合料的冻融劈裂强度比，4%SBS+10%橡胶粉使高黏高弹改性沥青混合料有最大的冻融劈裂强度比，为85.2%，与基质沥青混合料相比增加了28.6个百分点。与普通沥青混合料相比，SBS改性沥青与高黏高弹改性沥青混合料的冻融劈裂强度比均有明显增强。对于沥青混合料的抗裂性而言，SBS改性沥青未浸水的劈裂强度最大为381 kPa，经过冻融循环后劈裂强度显著降低。掺加橡胶粉后未浸水高黏高弹改性沥青混合料的劈裂强度有所下降，但经过冻融循环后，其劈裂强度有所提升，表明橡胶粉的加入使沥青的水稳定性有所增强。

图8 冻融劈裂试验结果

2.3.2汉堡车辙试验

排水沥青路面与传统沥青路面相比，空隙率较大，集料之间的接触较小，因此有必要在高温下对混合料的抗车辙性能进行研究。采用汉堡车辙试验仪在47 mm的胶轮上施加0.7 MPa的荷载，在60℃下进行20 000次的往返运动，以车辙深度作为评价指标，其值越大，表明高温抗车辙能力越差，试验结果如图9所示。普通基质沥青混合料的车辙深度为10.3 mm，而加入4%的SBS改性剂后车辙深度降低至6.12 mm，车辙深度降低了40.58%。随着橡胶粉的加入，车辙深度逐渐减小，表明加入橡胶粉有利于提升沥青的高温性能。其中，当橡胶掺量为20%时，高黏高弹改性沥青混合料的车辙深度最小，为3.46 mm，与普通排水沥青的车辙深度相比降低了66.4%。汉堡车辙试验与多重应力蠕变试验的结果基本一致，均表明橡胶粉的加入可显著提升沥青的高温性能。

图9 车辙深度试验结果

2.3.3渗水系数试验

不同排水沥青混合料的渗水试验结果如图10所示。当沥青中加入SBS改性剂和橡胶粉后，混合料的渗水系数明显降低。普通基质沥青混合料的透水系数为3 146.5 mL/min，随着橡胶粉的掺量增大渗水系数逐渐降低。当橡胶粉掺量为20%时，高黏高弹改性沥青混合料的渗水系数最低，为1 848.5 mL/min。这主要是由于橡胶粉的加入阻塞了透水沥青混合料之间的连接空隙，从而导致透水系数下降。此外，空隙率对透水系数的影响将在以后进行研究讨论。

图10 渗水系数试验结果

本文在绿色高速公路的建设理念下进行排水路面材料研究，为了保证其高温稳定性、水稳定性和较好的疲劳性能，进行了常规试验、流变试验和相关的混合料试验。试验结果表明高黏高弹改性沥青混合料的渗水系数最低为1 848.5 mL/min，但仍可以充分保证路面的排水能力，使水能够从路面面层渗入并流经基层，从而实现水资源的利用；软化点、MCSR、车辙试验结果表明高黏高弹改性沥青的高温性能有显著提升，从而保证了夏季高温时路面结构在荷载作用下具有足够的承载能力，避免车辙的出现以提高路面的使用性能；相关研究表明疲劳裂缝是当前高速公路沥青路面最需要避免的问题，LAS试验表明高黏高弹改性沥青的疲劳寿命明显高于基质沥青，橡胶作为弹性材料可以使沥青在荷载作用下恢复变形，从而使混合料的变形恢复，增加排水路面的抗疲劳能力。

3 结语

为了解决高速公路建设中排水沥青混凝土的高温稳定性、水稳定性差和使用寿命短的工程问题，通过制备高黏高弹改性沥青进行常规性能、流变性能和混合料相关试验，得出结论如下：

1)在基质沥青中掺加SBS改性剂和橡胶粉后，基质沥青的针入度明显降低；而软化点和布氏旋转黏度明显增强，且随着橡胶粉掺量增加，软化点和黏度逐渐增加，表明高黏高弹改性沥青具有良好的高温性能。

2)对于沥青的流变性能，多重应力蠕变试验结果表明，橡胶粉的加入会使沥青的蠕变恢复率有所下降，但其抗永久变形能力与基质沥青相比明显增强。采用线性振幅试验评价沥青的疲劳性能，与基质沥青相比，高黏高弹改性沥青的疲劳寿命明显提升。

3)通过进行一系列的混合料试验，橡胶粉的加入使沥青的水稳定性有所增强；当橡胶掺量为20%时，高黏高弹改性沥青混合料的车辙深度值最小，表明橡胶可以显著增加排水沥青路面的高温稳定性；橡胶粉使渗水系数有所下降，但仍可保证排水沥青路面具有足够的排水能力。

4)通过对高黏高弹改性沥青和混合料的性能进行综合分析后，建议橡胶粉的最佳掺量为20%。这样既能保障排水沥青混合料具有良好的抗永久变形能力和抗疲劳性能，又能保证混合料具有良好的排水性能。