高黏高彈改性瀝青在排水瀝青混合料中的應用研究

閔建剛, 蘇 毅, 孫熔正, 王兆民, 謝道降, 趙艷峰

(云南省曲靖市交通工程質量安全監督站，云南 曲靖 655000)

0 引言

排水混凝土具有排、滲水等功能，可減少雨水對瀝青路面的破壞[1]。排水瀝青路面則是一種具有生態和環境效益的路面結構，它可通過采用大孔隙設計，實現以“滲、滯、蓄、凈、用、排”的建設理念，很好地改善高速公路的雨洪管理效果。雨水流經大孔隙可緩解地面排水系統壓力，從而減少地表徑流，防止城市內澇，對緩解高速公路排水設施的壓力與保護生態環境等具有十分重要的意義[2-3]。

排水混凝土在雨水下滲過程中可以有效吸附和過濾雜質、有機污染物等有害物，在這個過程中還可以降解有害微生物，從而減弱雨水對地下水的污染，使水資源得到自然循環。同時，排水混凝土可以實現路面排水與熱量散失的雙重效果，能夠調節大氣環境和濕度，并對高速公路周邊的生態平衡建設有一定的推動作用[4]。研究表明，將10%的納米TiO2摻入瀝青中制備的排水混凝土，在紫外線條件下可以將汽車尾氣等有機污染物降解為水和二氧化碳，從而減少氣體污染物排放[5-7]。排水瀝青路面可以高效排除路面積水，提高降水時路面的摩擦系數，保證車輛的行車安全；由于其存在較大的空隙結構，可以減少車輛在行駛過程中輪胎與路面對空氣的擠壓，從而降低噪音污染[8]。排水瀝青路面雖然具有以上優點，但研究表明其容易受到水和溫度等環境條件的影響。與普通密級配瀝青相比，排水瀝青混凝土對瀝青的黏度要求較高。同時，孔隙率較大也使路面結構的強度有所降低。因此，在一定程度上排水瀝青混凝土在生產中要求較高，限制了其實際應用。

為了解決排水瀝青混凝土的高溫穩定性、水穩定性差和使用壽命短的工程問題[9]，麒師公路開展了基于瀝青面層功能要求的路面材料開發及施工關鍵技術研究，一種可能的解決方案是通過制備高黏高彈改性瀝青以滿足實際需要。一方面通過使用廢舊橡膠粉，實現綠色道路的建設，使瀝青具有更好的高溫流變性能；另一方面，通過SBS改性劑使路面具有更好的抗疲勞性能，延長道路的使用壽命。

道路工作者一直致力于對高黏高彈改性瀝青的系統研究。張紅兵等[10]對橡膠粉和SBS復合改性瀝青所應用的原材料進行優選，結果表明橡膠粉細度應控制在40～60目，摻量控制在12%～18%，WD相容劑的加入可以有效提高復合改性瀝青的儲存穩定性。王朝軍等[11]對不同類型SBS/橡膠粉復合改性瀝青流變性能進行研究，結果表明復合改性瀝青的針入度與延度有所降低；星型SBS改性劑對復合改性瀝青的高溫性能提升效果優于線型SBS改性劑；MSCR試驗表明復合改性瀝青的高溫抗變形能力明顯優于SBS改性瀝青。魏翰超等[12]對橡膠復合改性瀝青混凝土在降噪路面建設中的應用進行研究，結果表明采用橡膠復合改性瀝青修筑的降噪路面與傳統路面相比，路面噪聲平均降低3～5 dB，相當于降低60%交通量或50%車速所減少的噪聲量。彭偉[13]為了明確及優化SBS和橡膠粉在改性瀝青中的最佳摻量，通過進行常規試驗，發現橡膠粉的最佳摻量為15%、SBS改性劑摻量為4%，并建議剪切時間為60 min、剪切溫度為100 ℃。

本文通過針入度、軟化點、布氏旋轉黏度試驗以及MSCR、LAS試驗，研究高黏高彈改性瀝青的常規性能和流變特性；還通過凍融劈裂試驗、車轍試驗和滲透系數試驗，研究了高黏高彈改性瀝青排水瀝青混合料的路用性能。

1 試驗材料與方案

1.1 高黏高彈改性瀝青的制備

1.1.1基質瀝青

本文選用A級70#基質瀝青，其性能指標如表1所示，試驗均按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E 20-2011)要求進行。

表1 基質瀝青性能指標項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點/℃延度25 ℃/cm密度/ (g·cm-3)閃點/℃動力黏度60 ℃/(Pa·s)溶解度/%旋轉薄膜烘箱試驗質量變化/%殘留針入度/%殘留延度/cm實測數據64501251.04625820099.8-0.0563.611.3技術要求50～70≥ 46≥ 100實測值≥ 230≥ 180≥ 99.5± 0.8≥ 61≥ 6

1.1.2改性劑

本文使用的瀝青改性劑為橡膠粉(CR)和SBS，其中橡膠粉細度為40目，其技術指標如表2所示。本文所選用的SBS改性劑是一種乙烯類熱塑性彈性體，可以與瀝青相容后形成穩定的網狀結構，可有效提高瀝青的高溫穩定性與低溫抗裂性。在制備改性過程中需要加入工業硫磺，以彌補聚合物改性瀝青分離性差、抗氧化性和抗紫外老化性能差的缺陷。

表2 橡膠粉性能指標試驗指標含水量/%相對密度灰分/%炭黑含量/%橡膠含量/%丙酮提取物/%水分/%金屬含量/%實測數據0.361.155.263.5549.150.350.03技術要求<11.1～1.3<10>56>30≤10<0.5<0.05

1.1.3高黏高彈改性瀝青的制備

首先，利用高速剪切儀通過濕法制備橡膠改性瀝青，在制備過程中瀝青與橡膠粉發生聚合物反應，并使瀝青膠結劑的結構發生變化。本文中廢舊橡膠粉的摻量為基質瀝青質量的10%、15%、20%，剪切時溫度控制在(145±5)℃，剪切速率6000 r/min，剪切時間60 min。其次，將不同摻量的橡膠改性瀝青預熱至180 ℃，加入一定質量的SBS改性劑(摻量為基質瀝青質量的4%)。最后，加入工業硫磺，在剪切速率6 000 r/min下進行充分混合，并將制備的高黏高彈改性瀝青在180 ℃溶脹1.5 h。

1.2 排水瀝青混合料級配設計

本文排水瀝青混凝土集料采用玄武巖，其技術指標如表3所示。參照PAC-13級配設計調整排水瀝青混凝土最終的級配曲線如圖1所示。通過馬歇爾試驗確定各類改性瀝青的最佳摻量，其中瀝青含量分別為4.5%、5%、5.5%、6%，最終確定4%SBS+10%CR、4%SBS+15%CR、4%SBS+20%CR、4%SBS改性瀝青、基質瀝青混合料的最佳瀝青摻量分別為5.4%、5.8%、6%、5.3%、5.4%。

表3 集料的性能指標項目表觀密度/(g·cm-3)含水率/%吸水率/%洛杉磯磨耗損失/%針片狀顆粒/%壓碎值/%扁平和細長顆粒含量/%二氧化碳含量/%測量值2.8631.260.6110.23.213.69.41.82技術要求≥2.6≤2.0≤1.5≤25≤5≤45≤15-

圖1 PAC-13級配設計

1.3 試驗流程

為了研究高速公路建設中高黏高彈改性瀝青的工程性能，本文進行了三項常規性能試驗，包括針入度、軟化點、布氏旋轉黏度試驗；使用動態剪切流變儀在60 ℃下進行多重應力蠕變試驗來評價瀝青的永久變形能力，蠕變過程中加載時間為1 s，卸載恢復時間為9 s，每個樣品試驗共進行10個循環，兩個應力水平分別為0.1 kPa和3.2 kPa，通過不可恢復蠕變柔量(Jnr)和蠕變恢復率指標評估瀝青的抗車轍能力。同時，為了評價瀝青的抗疲勞性能，進行頻率掃描和線性振幅掃描試驗，在此之前將瀝青進行長期老化處理。頻率掃描中應變控制為0.1%，頻率范圍為0.2～30 Hz；振幅掃描試驗采用10 Hz的恒定頻率。同時對瀝青混合料進行凍融劈裂、漢堡車轍和滲水系數試驗，以評價其實際路用性能。

2 試驗結果分析

2.1 高黏高彈改性瀝青常規性能

2.1.1針入度

針入度是反映瀝青的重要指標之一，它表示瀝青的軟硬程度、稠度和抗剪切破壞能力。在25 ℃下對不同瀝青試件進行保溫，測定其針入度值(見圖2)。摻入4%的SBS改性劑后，SBS改性瀝青的針入度為46.2(0.1 mm)，與基質瀝青相比降低了27.8%，表明SBS會使基質瀝青的針入度顯著降低。同時，隨著橡膠粉的加入，SBS改性瀝青的針入度持續降低；當橡膠粉摻量為20%時，針入度值最小為37.6(0.1 mm)，與基質瀝青相比降低了41.25%。針入度的結果表明，與普通瀝青混合料相比，加入橡膠粉可以使瀝青混合料更硬，使其具有良好的工程性能。

圖2 針入度試驗結果

2.1.2軟化點

軟化點主要反映瀝青的黏度和溫度敏感性。不同改性瀝青軟化點試驗結果如圖3所示。4%SBS改性瀝青的軟化點為58.4 ℃，與基質瀝青相比提升了16.8%。摻入橡膠粉后，高黏高彈改性瀝青的軟化點逐漸升高，分別為62.3、63.9、64.7℃，結果表明橡膠粉可以提升瀝青的軟化點，但是橡膠粉的摻量對其影響較小。軟化點結果表明，SBS改性劑和橡膠粉使高黏高彈改性瀝青的高溫性能有明顯增強。由于排水混凝土為大空隙結構，夏季高溫時在荷載作用下易產生車轍破壞，而高溫性能的改善將有效減少車轍。

圖3 軟化點試驗結果

2.1.3黏度

在135 ℃和165 ℃條件下對5組瀝青試樣進行布氏旋轉黏度試驗，試驗結果如圖4所示。黏度較大的瀝青在荷載作用下產生的剪切變形較小，彈性恢復性能較好，殘留的永久變形較小，說明其具有更好的高溫性能。如圖4所示，在摻入橡膠粉后高黏高彈改性瀝青的黏度顯著增強；隨著溫度升高，瀝青的黏度下降。當4%SBS和20%CR加入基質瀝青中，其135 ℃黏度為17002 mPa·s，而4%SBS改性瀝青黏度為1189mPa·s，基質瀝青僅有606 mPa·s。結果表明，橡膠粉會使瀝青的黏度增加，即使在高溫(165 ℃)下高黏高彈改性瀝青的黏度仍然較高。

圖4 布氏旋轉黏度試驗結果

2.2 高黏高彈改性瀝青流變性能

2.2.1多重應力蠕變

在0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下對5組瀝青試樣進行多重應力蠕變試驗，使用Jnr和蠕變恢復率評價瀝青的高溫性能，試驗結果如圖5、圖6所示。高俊峰等[14]表示較低的Jnr值和較高的蠕變恢復率使瀝青具有較強的高溫抗車轍能力。如圖5所示，在0.1 kPa應力水平下，摻加4%SBS使基質瀝青的Jnr值顯著降低，與基質瀝青相比降低了61.33%。同時隨著橡膠粉的加入，Jnr值將繼續下降，摻加4%SBS+20%CR的改性瀝青具有最低的Jnr值0.95 kPa-1，與基質瀝青相比降低了78.89%，與4%SBS改性瀝青相比降低了45.4%。這表明高黏高彈改性瀝青具有更好的抗車轍能力。在3.2 kPa應力水平下，4% SBS+20%CR的改性瀝青具有最低的Jnr值0.45 kPa-1，與基質瀝青相比降低了91%，與4%SBS改性瀝青相比降低了60.53%，表明其在較高的應力水平下仍然具有較好的抗車轍能力。

圖5 不可恢復蠕變柔量試驗結果

圖6 蠕變恢復率試驗結果

如圖6所示SBS改性劑和橡膠粉使基質瀝青的蠕變恢復率明顯增加。對同一種瀝青而言，應力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時，其蠕變恢復率降低，說明在較大的荷載作用下更易產生車轍破壞。在低應力水平(0.1 kPa)下，摻加SBS使基質瀝青獲得更好的蠕變恢復能力，但摻加橡膠粉后高黏高彈改性瀝青的蠕變恢復能力有所下降。摻加15%的橡膠粉時，高黏高彈改性瀝青的蠕變恢復率最大為28.6%，與4%SBS改性瀝青相比有所下降。在高應力水平(3.2 kPa)下也產生了相同的規律。

通過多重應力蠕變試驗可得，橡膠粉會使瀝青的蠕變恢復率有所下降，但是抗永久變形能力與基質瀝青相比有明顯增強。SBS改性劑和橡膠粉的加入改變了瀝青的黏彈性組成，導致瀝青的彈性成分增加而黏性成分降低，使基質瀝青的高溫性能明顯增強。

2.2.2線性振幅試驗

為了評價瀝青的疲勞性能，本文采用線性振幅試驗(LAS)，使用疲勞壽命Nf來評價其疲勞性能。劉文娟等[15]研究得出疲勞壽命Nf值越大，瀝青的疲勞性能越好。圖7為不同瀝青試樣在不同應變水平(2.5%、5%)下的疲勞性能。

圖7 LAS試驗結果

應變水平為2.5%時，加入4%的SBS改性劑，瀝青的疲勞壽命顯著增強，與基質瀝青相比，疲勞壽命次數提升了270%。隨著橡膠粉的加入，高黏高彈改性瀝青的疲勞壽命與SBS改性瀝青相比有所降低，但相比基質瀝青還是有明顯提升。在2.5%的應變水平下，4% SBS+15%CR的改性瀝青疲勞壽命為59 816次，與基質瀝青相比提升了234%，與4%SBS改性瀝青相比降低了9.73%。在5%的應變水平下，高黏高彈改性瀝青與SBS改性瀝青的疲勞壽命相比變化不明顯，但優于基質瀝青?？傊?，橡膠粉摻量為15%時，高黏高彈改性瀝青的疲勞壽命最長，疲勞性能最佳。瀝青疲勞壽命的增加，將有利于高黏高彈改性瀝青在高速公路建設中的推廣與應用。

2.3 高黏高彈改性瀝青混合料性能

2.3.1凍融劈裂試驗

與傳統瀝青混合料相比，高速公路建設中所用的排水瀝青路面通常具有大孔隙結構，這就要保證其具有良好的抗水損害能力和較大的抗裂性，本文通過凍融劈裂試驗評價瀝青混合料的水穩定性和抗裂性，結果如圖8所示。分析瀝青混合料的凍融劈裂強度比，4%SBS+10%橡膠粉使高黏高彈改性瀝青混合料有最大的凍融劈裂強度比，為85.2%，與基質瀝青混合料相比增加了28.6個百分點。與普通瀝青混合料相比，SBS改性瀝青與高黏高彈改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比均有明顯增強。對于瀝青混合料的抗裂性而言，SBS改性瀝青未浸水的劈裂強度最大為381 kPa，經過凍融循環后劈裂強度顯著降低。摻加橡膠粉后未浸水高黏高彈改性瀝青混合料的劈裂強度有所下降，但經過凍融循環后，其劈裂強度有所提升，表明橡膠粉的加入使瀝青的水穩定性有所增強。

圖8 凍融劈裂試驗結果

2.3.2漢堡車轍試驗

排水瀝青路面與傳統瀝青路面相比，空隙率較大，集料之間的接觸較小，因此有必要在高溫下對混合料的抗車轍性能進行研究。采用漢堡車轍試驗儀在47 mm的膠輪上施加0.7 MPa的荷載，在60℃下進行20 000次的往返運動，以車轍深度作為評價指標，其值越大，表明高溫抗車轍能力越差，試驗結果如圖9所示。普通基質瀝青混合料的車轍深度為10.3 mm，而加入4%的SBS改性劑后車轍深度降低至6.12 mm，車轍深度降低了40.58%。隨著橡膠粉的加入，車轍深度逐漸減小，表明加入橡膠粉有利于提升瀝青的高溫性能。其中，當橡膠摻量為20%時，高黏高彈改性瀝青混合料的車轍深度最小，為3.46 mm，與普通排水瀝青的車轍深度相比降低了66.4%。漢堡車轍試驗與多重應力蠕變試驗的結果基本一致，均表明橡膠粉的加入可顯著提升瀝青的高溫性能。

圖9 車轍深度試驗結果

2.3.3滲水系數試驗

不同排水瀝青混合料的滲水試驗結果如圖10所示。當瀝青中加入SBS改性劑和橡膠粉后，混合料的滲水系數明顯降低。普通基質瀝青混合料的透水系數為3 146.5 mL/min，隨著橡膠粉的摻量增大滲水系數逐漸降低。當橡膠粉摻量為20%時，高黏高彈改性瀝青混合料的滲水系數最低，為1 848.5 mL/min。這主要是由于橡膠粉的加入阻塞了透水瀝青混合料之間的連接空隙，從而導致透水系數下降。此外，空隙率對透水系數的影響將在以后進行研究討論。

圖10 滲水系數試驗結果

本文在綠色高速公路的建設理念下進行排水路面材料研究，為了保證其高溫穩定性、水穩定性和較好的疲勞性能，進行了常規試驗、流變試驗和相關的混合料試驗。試驗結果表明高黏高彈改性瀝青混合料的滲水系數最低為1 848.5 mL/min，但仍可以充分保證路面的排水能力，使水能夠從路面面層滲入并流經基層，從而實現水資源的利用；軟化點、MCSR、車轍試驗結果表明高黏高彈改性瀝青的高溫性能有顯著提升，從而保證了夏季高溫時路面結構在荷載作用下具有足夠的承載能力，避免車轍的出現以提高路面的使用性能；相關研究表明疲勞裂縫是當前高速公路瀝青路面最需要避免的問題，LAS試驗表明高黏高彈改性瀝青的疲勞壽命明顯高于基質瀝青，橡膠作為彈性材料可以使瀝青在荷載作用下恢復變形，從而使混合料的變形恢復，增加排水路面的抗疲勞能力。

3 結語

為了解決高速公路建設中排水瀝青混凝土的高溫穩定性、水穩定性差和使用壽命短的工程問題，通過制備高黏高彈改性瀝青進行常規性能、流變性能和混合料相關試驗，得出結論如下：

1)在基質瀝青中摻加SBS改性劑和橡膠粉后，基質瀝青的針入度明顯降低；而軟化點和布氏旋轉黏度明顯增強，且隨著橡膠粉摻量增加，軟化點和黏度逐漸增加，表明高黏高彈改性瀝青具有良好的高溫性能。

2)對于瀝青的流變性能，多重應力蠕變試驗結果表明，橡膠粉的加入會使瀝青的蠕變恢復率有所下降，但其抗永久變形能力與基質瀝青相比明顯增強。采用線性振幅試驗評價瀝青的疲勞性能，與基質瀝青相比，高黏高彈改性瀝青的疲勞壽命明顯提升。

3)通過進行一系列的混合料試驗，橡膠粉的加入使瀝青的水穩定性有所增強；當橡膠摻量為20%時，高黏高彈改性瀝青混合料的車轍深度值最小，表明橡膠可以顯著增加排水瀝青路面的高溫穩定性；橡膠粉使滲水系數有所下降，但仍可保證排水瀝青路面具有足夠的排水能力。

4)通過對高黏高彈改性瀝青和混合料的性能進行綜合分析后，建議橡膠粉的最佳摻量為20%。這樣既能保障排水瀝青混合料具有良好的抗永久變形能力和抗疲勞性能，又能保證混合料具有良好的排水性能。