高性能改性瀝青在鋪裝中的應用效果分析

上野貞治，鷹本丈裕

（上海城建日瀝特種瀝青有限公司，上海市 200042）

0 引言

永久性瀝青路面（Perpetual Bituminous Pavements），即中面層以下直至基層，能長期保持良好狀態(tài)，僅表面磨耗層需要維修更新。目前道路工程中市場上主流產品為SBS 改性瀝青，雖然SBS改性瀝青能夠滿足大部分工程的需要，但應用在“超重載交通道路”、“混凝土橋面路段”、“鋼橋面鋪裝”上，依然存在許多問題，也導致路面屢修屢壞，造成大量的資源浪費，也無法實現永久性瀝青路面的目標。

車轍、磨損、疲勞裂縫等都是造成鋪裝損害的主要問題。在對抗此類病害方面，市場上主要采用SBS 改性瀝青，也確實取得了一定的效果。日本每年約消耗30 萬t 以上的聚合物類改性瀝青，中國每年聚合物類改性瀝青的消耗量約為450 萬t?？梢哉f，在目前的鋪裝領域，聚合物改性瀝青是不可或缺的材料之一。但是當遇到更為嚴酷的條件，比如超重載交通道路、鋼橋面鋪裝、酷暑、多雨以及嚴寒地區(qū)等環(huán)境條件時，就會產生普通SBS 改性瀝青所無法應對的情形。仍然采用SBS 改性瀝青，可能使用不久后，路面就會再次各種病害。如果不能從根本上研究出能夠有效應對以上嚴酷路面問題的高性能材料，所造成的結果只能是路面屢修屢壞，造成大量資源浪費。

要想治根，必須非常了解每種病害的具體特點，通過對每種病害的具體難點進行分析，從瀝青角度出發(fā)，針對每種病害的具體特點，創(chuàng)造性地開發(fā)適用于這些特殊場合的“高性能改性瀝青”，并通過試驗室試驗以及工程應用驗證，發(fā)現所開發(fā)出的重載瀝青、抗水性瀝青以及高彈性瀝青，針對其具體應用環(huán)境，具有非常好的效果。

1 超重載鋪裝解決方案分析

中國在瀝青路面設計中，主要采用柔性路面設計理論，即雙圓均布荷載作用下的多層彈性層狀理論體系，以標準軸載100 kN 為換算基礎。其設計過程中，主要考慮使用過程中絕大部分路面的受力狀態(tài)。一旦路面受到超重載作用，其路面壽命會呈幾何級數急驟下降，更有甚者會造成路面的短期永久性破壞。

應對超重載路面，常規(guī)應用措施中，主要采用抗車轍劑，即PE 類改性瀝青混合料。該混合料具有抗重載的特點，但由于其剛度過大，韌性不足，在解決路面重載問題是同時又帶來開裂，水損等病害，可謂得不償失。因此應對超重載路面，材料除了除有非常好的高溫性能的同時，還需要具有良好的韌性，以及抗水損性能。

針對以上特點，開發(fā)了重載交通專用改性瀝青，在改善路面高溫抗流動性的同時，又兼顧路面的低溫韌性以及抗裂性，對于應對以上嚴酷條件取得了理想的效果。

1.1 重載改性瀝青性狀分析

重載改性瀝青性狀見表1。通過與SBS 改性瀝青I-D 標準對比發(fā)現，重載改性瀝青針入度與I-D處于同一水平，但是軟化點明顯高于I-D 標準。因此可以預期該瀝青具有更好的高溫性能，同時，從瀝青的彎曲工作量可以看出其具有良好的低溫柔軟性。

瀝青的彎曲工作量試驗方法出自日本試驗方法《鋪裝調查·試驗法便覽》（A063T)，試驗狀況見圖1、圖2，12 cm ×2 cm ×2 cm 的瀝青試件在-20℃的試驗溫度下，以100 mm/s 的加速度進行彎曲試驗。最后通過式（1）計算彎曲工作量:

表1 重載瀝青性狀分析

圖1 瀝青彎曲試驗

圖2 瀝青彎曲試驗結果

1.2 重載改性瀝青高溫穩(wěn)定性分析

考慮到中國超載嚴重，重載車輛非常多，以及夏季炎熱的等非常規(guī)情況，通過改變試驗溫度以及試驗荷載，更進一步評價重載改性瀝青在更為嚴酷的條件下的高溫穩(wěn)定性。

為評價超重載對路面的影響，采用普遍SBS改性瀝青AC-13 混合料與重載改性瀝青AC-13瀝青混合料，通過對比分析以上兩種材料在更為嚴酷條件下的高溫穩(wěn)定性。圖3為將試驗條件中的接地壓強提升到0.9 MPa 和1.03 MPa 進行評價的結果。圖4為將試驗溫度從通常的60℃提高到65℃和70℃進行評價的結果。

圖3 接地壓強與DS 的關系

圖4 溫度與DS 的關系

通過觀察圖3、圖4發(fā)現，隨著接地壓強以及試驗溫度的提升，試驗條件變得更嚴酷，DS 也隨之下降。但是從圖中可以看出，在荷載變重，溫度提升的情況下，重載交通專用改性瀝青的DS 下降幅度較普通改性瀝青更為平緩。由此可知，重載交通專用改性瀝青與普通改性瀝青相比具有更好的抗流動性，性能上的差距在更為嚴酷的條件下會變得更為明顯。

1.3 重載改性瀝青抗疲勞性能分析

通過以上研究發(fā)現重載改性瀝青具有很好的高溫穩(wěn)定性，那么該混合料的抗疲勞、抗裂性怎么樣呢，下面通過四點彎曲梁疲勞試驗進行說明。

為便于對比，采用成品I-D SBS 改性瀝青與重載改性瀝青進行對比。試驗過程中統(tǒng)一采用C-13級配瀝青混合料，試驗條件為：為10℃、5 Hz、400μ（應變控制）。

試驗結果見圖5，通過觀察發(fā)現重載交通專用改性瀝青的疲勞壽命約為普通改性瀝青的4 倍左右，說明與疲勞SBS 改性瀝青相比，重載交通專用改性瀝青的抗裂性能，以及疲勞性能更為優(yōu)秀，因此可以預測，采用重載交通專用改性瀝青，與普遍I-D 標準SBS 改性瀝青相比，路面使用壽命將會明顯增加。

圖5 疲勞破壞次數對比分析

2 混凝土橋面鋪裝解決方案分析

與路面相比，橋面的變形量更大，同時混凝土混凝土橋面車輛集中、交通量較大，與一般道路相比對鋪裝結構的要求更高。在混凝土橋面諸多破壞形式中，車轍與水損最為重要，混凝土面板內一旦有雨水滲入、滯留，就會造成瀝青的剝落，同時雨水滲入還可能會造成混凝土鋼筋的銹蝕，因此對鋪裝結構抗水損性能提出更高的要求。

為應對混凝土橋面車轍(重載)破壞以及水損害，研發(fā)團隊專門研發(fā)了抗流動性與抗水損性能突出的混凝土橋面專用改性瀝青。在充分考慮混凝土橋面車轍破壞的同時，又加強混凝土橋面防水，從而提高混凝土橋面鋪裝結構的使用壽命。

2.1 混凝土橋面專用改性瀝青性狀分析

混凝土橋面專用改性瀝青在各項指標上，都優(yōu)于I-D 標準SBS 改性瀝青，見表2。同時該瀝青的突出特點是與I-D 標準SBS 改性瀝青相比具有較高的軟化點，因此可以預測該瀝青的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于I-D 標準SBS 改性瀝青。該瀝青還具有非常高的粘韌性，表明該瀝青具有較高的粘附性與抗流動性。同時從表2 可以看出混凝土橋面專用改性瀝青與集料的剝離率為5%以內，說明該瀝青具有抗剝落的特點。

2.2 混凝土橋面專用改性瀝青高溫穩(wěn)定性分析

從上文可以看出，混凝土橋面專用改性瀝青具有軟化點與粘韌性比較高的特點，可判斷出該瀝青具有抗車轍性比較高的特點，為進一步評價該瀝青的高溫穩(wěn)定性，即該瀝青抵抗重載、高溫的性能，采用車轍試驗進行測試。測試過程中，為便于對比，對照組采用70#基質瀝青與I-D 標準SBS改性瀝青，級配統(tǒng)一采用AC13，具體試驗數據見圖6。

表2 混凝土橋面專用改性瀝青性狀

圖6 動穩(wěn)定度結果分析

從圖6可以看出，70#基質瀝青動穩(wěn)定度約為750 次/mm 左右，I-D 標準SBS 改性瀝青混合料約為4 900 次/mm 左右，耐水性瀝青，即混凝土橋面專用改性瀝青在6 100 次/mm 左右，從以上數據可以看出，混凝土橋面專用改性瀝青具有比I-D標準SBS 改性瀝青更為優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性，對橋面重載具有更好的適應性。

2.3 混凝土橋面專用改性瀝青抗水損性能分析

采用浸水車轍試驗評價混凝土橋面專用改性瀝青抗水損性能。試驗過程中，混合料統(tǒng)一級配統(tǒng)一采用AC-13.試驗方法參照日本的《鋪裝調查·試驗法便覽》的規(guī)定，具體試驗過程為：浸泡在60℃的水中持續(xù)6 h 車轍試驗后，觀察車轍板的斷面，通過瀝青剝落的面積來評價其抗水性。

試驗結果見圖7（《鋪裝調查·試驗法便覽》B004）。要石料相同的情況下，混凝土橋面專用改性瀝青完全沒有發(fā)生剝落，I-D 標準SBS 改性瀝青剝落面積約為15%左右，說明與I-D 標準SBS 改性瀝青相比，混凝土橋面專用改性瀝青在抗水損性方面具有明顯優(yōu)勢，從而對混凝土橋起到更好的保護作用。

圖7 浸水車轍試驗結果

3 鋼橋面鋪裝解決方案分析

鋼橋面具有跨徑大，便于運輸，安裝快速方便的特點，在工程中應用越來越多。但與路面以及混凝土路面相比，鋼橋面變形量更大，對鋪裝結構的變形追從性與低溫柔軟韌性也提出高的要求。

針對鋼橋面鋪裝的具體特點，在鋼橋面鋪裝中應重點解決鋪裝結構抗車轍抗重載的性能，同時鋪裝層還應具有良好的抗水性，從而對鋼板起到保護作用，防止鋼板發(fā)生銹蝕。此外鋪裝層還應具有很好的變形追從性與耐疲勞性能，以防止橋面鋪裝結構中疲勞裂縫的發(fā)生。

研發(fā)團隊在充分調研鋼橋面破壞發(fā)生的原因以及受力特點后，開發(fā)了高彈性改性瀝青，該瀝青具有抗車轍性能好以及疲勞性能好的特點，更能適應鋼橋面鋪裝的要求。

3.1 高彈性改性瀝青性狀分析

高彈性改性瀝青除了針入度、軟化點和延度較高以外，還具有低溫時彎曲工作量大的特點，見表3。與1-D 標準SBS 改性瀝青相比，高彈性改性瀝青的高溫性能和低溫性能均優(yōu)于I-D 標準SBS改性瀝青。因此可以預測該瀝青在具有良好的抗車轍性能的同時，還具有良好的低溫柔軟性與耐疲勞性能。

表3 高彈性改性瀝青性狀

3.2 高彈性改性瀝青高溫穩(wěn)定性分析

采用車轍試驗評價高彈性改性瀝青高溫穩(wěn)定性，試驗過程中，為便于對比，采用I-D 標準SBS改性瀝青進行對照，混合料級配統(tǒng)一采用AC-13。

考慮到鋼橋面夏季溫度比較高，為評價在這種嚴酷的條件下鋪裝結構的高溫抗流動性、抗重載性能，試驗過程中將溫度從通常的60℃提高到65℃和70℃進行評價的結果。

從圖8可看出，高彈性改性瀝青DS 高于I-D標準SBS 改性瀝青。隨著溫度的升高，高彈性改性瀝青與I-D 標準SBS 改性瀝青的DS 都在下降，但是高彈性改性瀝青的DS 下降幅度較普通改性瀝青更為平緩。說明高彈性改性瀝青與I-D 標準SBS改性瀝青相比，溫度敏感度更低，具有更加良好的抗車轍性能，且在溫度升高的更為嚴酷條件下，該優(yōu)勢會更為明顯。

3.3 高彈性改性瀝青疲勞性能分析

采用四點彎曲疲勞試驗評價高彈性改性瀝青的抗疲勞性能，為便于對比，對照組采用I-D 標準SBS 改性瀝青，級配統(tǒng)一采用AC-13。試驗條件為：10℃、5 Hz、400μ（恒應變控制）。

圖8 溫度與DS 的關系

從圖9可以看出，在相同試驗條件下，普通改性疲勞壽命約為30 000 次，高彈性則達到300 萬次以上。說明與I-D 標準SBS 改性瀝青相比，高彈性改性瀝青在耐疲勞性能方面具有明顯優(yōu)勢，因此鋼橋面鋪裝中采用高彈性改性瀝青可大幅鋪裝結構的疲勞性能。

圖9 破壞次數與應變的關系

4 工程實例分析

4.1 重載交通專用改性瀝青

圖10 為日本東京的131 號國道，是連接羽田機場與市中心的重要路線，交通量非常大，該道路此前使用普通改性瀝青時每年都要進行養(yǎng)護修補。但是，在使用了重載交通專用改性瀝青至今已經4 a 的時間，仍未發(fā)現車轍和裂縫等明顯的病害，維持著良好的狀況。日本大多數的集裝箱港口業(yè)都使用著該改性瀝青，在對抗車轍方面有著顯著的效果（見圖11）。同時，在上海的嘉瀏高速公路（見圖12）已鋪設重載交通改性瀝青的試驗路段，將在今后對其使用狀況進行跟蹤調查。

4.2 混凝土橋面專用改性瀝青

日本從20年前開始推廣使用混凝土橋面專用改性瀝青。目前在與國道相連的大交通量混凝土橋以及首都高速道路等高架道路上，幾乎都在使用該改性瀝青，使用狀態(tài)良好，很少發(fā)生車轍及水損等破壞。

圖10 日本131 號國道

圖11 集裝箱港口道路

圖12 嘉瀏高速公路

4.3 高彈性改性瀝青

日本的本州四國聯絡橋和東京灣跨海公路等眾多鋼橋面上均在使用高彈性改性瀝青。同時該高彈改性瀝青在中國的南京也有工程案例存在：2012年12月開通的南京長江第四大橋，見圖13，該大橋在開通后已經過1年半的時間，仍未發(fā)現車轍和裂縫等明顯的病害，維持著非常良好的狀況。另外，上海奉賢區(qū)的奉浦大道金匯港大橋（見圖14）也使用了該改性瀝青，將進行跟蹤研究。

圖13 南京長江第四大橋

圖14 奉浦大道金匯港大橋

5 結語

根據調研結果，將各種瀝青的應用狀況進行了分析匯總，分析結果見表4。

重載交通專用改性瀝青是提高了高溫時抗流動性的改性瀝青，在普通改性瀝青所無法應對的超重交通道路上可以發(fā)揮其效果。并且，該改性瀝青不是通過提高其硬度的方法來提高抗流動性，而是同時具有柔軟性的材料。是一種可以應對車轍和裂縫等多種問題的高性能材料。

混凝土橋面專用改性瀝青改善了骨料粘結力并提高了抗剝落性的改性瀝青，最適合在混凝土面板等對抗水性能要求較高的場所使用。而其抗流動性也比普通改性瀝青要更高，因此在交通量較多的高架道路和主干道路上使用，能夠保持路面堅固耐久。

表4 瀝青應用狀況分析匯總

高彈性改性瀝青具有橋梁鋪裝所必備的抗流動性和抗水性，同時還具有柔軟性和抗疲勞性。因此，最適合使用在需要對抗大規(guī)模形變的鋼橋面鋪裝上。

[1] JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

[2] JTG E20-2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[3] A063T-B004,鋪裝調查·試驗法便覽[S].