SBS改性瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)研究

范定旺

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

SBS改性瀝青混合料以其優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害、抗疲勞性能廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外高等級(jí)及重載路面中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近5年來我國(guó)高速公路上面層90%以上使用SBS改性瀝青鋪筑[1]。我國(guó)北方寒冷地區(qū)對(duì)SBS改性瀝青路面低溫抗開裂性能要求甚高，眾多學(xué)者為此進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。裴軍軍基于斷裂力學(xué)J-積分理論，用切口小梁彎曲斷裂試驗(yàn)分析了SBS含量及試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響[2]；董文龍等通過小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)合Burgers模型研究了不同老化狀態(tài)對(duì)SBS改性瀝青低溫性能的影響[3]；楊國(guó)明等研究了不同型號(hào)SBS對(duì)瀝青高低溫性能的影響，認(rèn)為線型SBS改性瀝青低溫性能要優(yōu)于星型SBS[4]。

然而，工程應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)某些新建高速公路改性瀝青路面在設(shè)計(jì)、材料性能、施工等條件均合格且沒有基層反射裂縫的情況下，路面表層依然會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，主要由于瀝青材料的溫度敏感性，通常在溫度較高的季節(jié)施工，在嚴(yán)寒冬季前瀝青路面已至少經(jīng)過半年時(shí)間的高溫炎熱和雨水浸濕等自然條件，而目前我國(guó)瀝青混合料低溫性能的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法是通過新拌和瀝青混合料的彎曲破壞彎拉應(yīng)變來表征，與路面實(shí)際服役狀態(tài)不符，不能準(zhǔn)確反映新建SBS改性瀝青路面的低溫抗裂性能[5]。

因此本文結(jié)合實(shí)體工程應(yīng)用，通過實(shí)驗(yàn)室高溫炎熱和降雨等氣候條件，開展經(jīng)過不同氣候的新建SBS改性瀝青路面的低溫性能試驗(yàn)，更好地評(píng)價(jià)路面實(shí)際服役狀態(tài)，為瀝青路面的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青

根據(jù)JTG E20—2011對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果顯示：試驗(yàn)所用SBS改性瀝青性能滿足JTG F40—2004中聚合物改性瀝青（I-C類）的技術(shù)要求。

表1 SBS改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

1.1.2 礦料

粗集料為山西忻州市永宏采石場(chǎng)的輝綠巖碎石；細(xì)集料為山西渾源縣產(chǎn)機(jī)制砂；填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。各檔礦料均滿足JTG F40—2004施工技術(shù)規(guī)范的性能要求。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí)配

根據(jù)SBS改性瀝青在實(shí)體工程中的應(yīng)用，采用細(xì)粒式密級(jí)配輝綠巖AC-13瀝青混合料，其合成級(jí)配曲線見圖1。

圖1 SBS改性AC-13合成級(jí)配曲線

1.2.2 最佳油石比

SBS改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表2。通過馬歇爾體積參數(shù)和力學(xué)性能，確定SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為4.9%。

表2 SBS改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)依托山西某高速公路SBS改性瀝青路面工程，結(jié)合JTG E20—2011規(guī)范中有關(guān)氣候溫度和水損害的試驗(yàn)方法，通過實(shí)驗(yàn)室模擬高溫和雨水氣候條件，采用-10℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)方法，開展經(jīng)過高溫炎熱和降雨氣候的SBS改性瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)。不同氣候條件實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬方法見表3。

表3 不同氣候條件實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬方法

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季高溫對(duì)SBS改性瀝青混合料低溫性能的影響

為評(píng)價(jià)高溫炎熱氣候?qū)π陆⊿BS改性瀝青路面低溫性能的影響，通過恒溫室溫度模擬夏季路面實(shí)際溫度，首先對(duì)新制瀝青混合料車轍試件在不同溫度條件下通風(fēng)保溫處理，然后切割小梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，未保溫處理的試件為空白組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。保溫溫度對(duì)破壞應(yīng)變的影響規(guī)律見圖2。

表4 高溫保溫后的瀝青混合料彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖2 保溫溫度對(duì)破壞應(yīng)變的影響圖

結(jié)果顯示：與空白組試驗(yàn)對(duì)比，高溫保溫處理會(huì)損害SBS改性瀝青混合料低溫性能，抗彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均出現(xiàn)一定程度的降低，且隨著保溫溫度的升高，損害程度出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。其中60℃和70℃保溫后SBS改性瀝青混合料破壞應(yīng)變分別下降9.12%和9.99%，已不滿足冬寒區(qū)不小于2 800 με的要求，表明夏季高溫對(duì)SBS改性瀝青混合料低溫性能影響很大。

分析原因主要是瀝青混合料經(jīng)過高溫保溫，相當(dāng)于新建SBS改性瀝青路面在高溫炎熱氣候下服役，瀝青在光、熱、氧等綜合作用下不可避免發(fā)生老化現(xiàn)象，通常膠質(zhì)成分轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，使得瀝青表現(xiàn)為變硬、變脆、易裂，瀝青路面容易出現(xiàn)脆化和松散等病害。而瀝青混合料低溫性能現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法均是直接進(jìn)行新制試件的試驗(yàn)，很難準(zhǔn)確反映新建瀝青路面服役半年后的實(shí)際低溫抗裂性能，因此高溫保溫處理后再進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，綜合考慮SBS改性瀝青混合料的老化現(xiàn)象，更符合路面實(shí)際服役條件，能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青路面冬季抗開裂性能。

2.2 降雨量對(duì)SBS改性瀝青混合料低溫性能的影響

為評(píng)價(jià)降雨氣候?qū)π陆⊿BS改性瀝青路面低溫性能的影響，通過恒溫水浴中浸泡時(shí)間模擬降雨量，首先對(duì)新制瀝青混合料車轍試件恒溫水浴浸泡處理，然后切割小梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，未水浴浸泡的試件為空白組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。浸泡時(shí)間對(duì)破壞應(yīng)變的影響規(guī)律見圖3。

表5 恒溫水浴浸泡后的瀝青混合料彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖3 浸泡時(shí)間對(duì)破壞應(yīng)變的影響圖

結(jié)果顯示：恒溫水浴浸泡與高溫保溫處理出現(xiàn)一致的影響效果，同樣會(huì)損害SBS改性瀝青混合料低溫性能。與空白組對(duì)比，恒溫水浴浸泡后抗彎拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變均下降，且隨著浸泡時(shí)間的增加，損害程度出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。其中浸泡時(shí)間在24 h以上時(shí)，破壞應(yīng)變不滿足冬寒區(qū)不小于2 800με的要求；浸泡48 h后破壞應(yīng)變僅為2 453με，下降17.74%，不滿足改性瀝青混合料破壞應(yīng)變不小于2 500με的最低要求，表明降雨量對(duì)SBS改性瀝青混合料低溫性能影響很大。

分析原因主要是SBS改性瀝青混合料在恒溫水浴中浸泡，由于集料對(duì)水分的吸引力大于瀝青的吸引力，水分子逐步侵入到集料和瀝青表面，導(dǎo)致瀝青與集料的黏結(jié)力變?nèi)?，甚至出現(xiàn)瀝青膜剝離的現(xiàn)象，進(jìn)而造成SBS改性瀝青混合料整體抗彎拉強(qiáng)度的降低，削弱低溫抗裂性能，同時(shí)削弱作用隨降雨量的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新制試件直接進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，很難準(zhǔn)確反映SBS改性瀝青路面鋪筑完畢再經(jīng)過雨水作用后的實(shí)際低溫抗裂性能，因此恒溫水浴浸泡模擬降雨氣候后進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)更符合路面實(shí)際服役條件。

3 結(jié)語(yǔ)

a）由于高溫炎熱氣候下SBS改性瀝青混合料不可避免發(fā)生老化現(xiàn)象，降雨同樣會(huì)造成一定程度的水損害，因此高溫炎熱和降雨氣候會(huì)損害新建SBS改性瀝青路面的低溫性能，且隨夏季氣溫和降雨量的增加，損害程度出現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

b）現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新制瀝青混合料試件直接進(jìn)行-10℃彎曲試驗(yàn)，很難準(zhǔn)確反映新建SBS改性瀝青路面服役半年后的實(shí)際低溫抗裂性能，因此實(shí)驗(yàn)室模擬夏季高溫和降雨氣候養(yǎng)護(hù)處理后進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)更符合路面實(shí)際服役條件。