高溫干旱地區(qū)干法SBS配制高模量瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)研究

梁鋒，胡新順

（中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024）

隨著中資企業(yè)承建海外道路項(xiàng)目的市場(chǎng)份額逐漸增多，如何將我國(guó)道路建設(shè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)與當(dāng)?shù)氐缆吩O(shè)計(jì)相結(jié)合成為了一個(gè)重要研究方向。海外瀝青道路項(xiàng)目有較大部分采用的高模量設(shè)計(jì)體系，采用我國(guó)常用的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene tri-block copolymer，SBS）改性瀝青技術(shù)很難滿(mǎn)足15℃、10 Hz的動(dòng)態(tài)模量≥14 000 MPa［1-3］的技術(shù)要求。同時(shí)，海外道路項(xiàng)目多沒(méi)有成熟的改性瀝青配套產(chǎn)業(yè)，尤其是非洲等欠發(fā)達(dá)地區(qū)。如何結(jié)合國(guó)內(nèi)瀝青改性技術(shù)解決海外道路項(xiàng)目所在地瀝青改性產(chǎn)業(yè)匱乏、進(jìn)口改性瀝青價(jià)格昂貴的痛點(diǎn)，對(duì)海外道路施工項(xiàng)目的實(shí)施十分關(guān)鍵。本文結(jié)合吉布提T港口連接線項(xiàng)目，依托干法SBS技術(shù)，對(duì)海外高溫干旱地區(qū)的瀝青混合料改性技術(shù)、瀝青面層配合比設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 瀝青膠結(jié)料設(shè)計(jì)指標(biāo)

對(duì)于路面中間層和基層用的瀝青膠結(jié)料，項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求為PG76-10，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 PG76-10技術(shù)指標(biāo)要求Tab.1 PG76-10 Technical specifications requirements

1.2 瀝青混合料設(shè)計(jì)指標(biāo)

該項(xiàng)目瀝青路面結(jié)構(gòu)層共分為厚4 cm的瀝青混凝土磨耗層、厚6 cm的高模量瀝青混凝土中間層和厚14 cm的高模量瀝青碎石基層，各層瀝青混合料均采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，中間層和基層均為高模量瀝青混合料，要求在15℃、10 Hz條件下，動(dòng)態(tài)模量≥14 000 MPa［1-3］。

2 原材料與改性工藝

磨耗層和中間層均采用60～70#中東Y國(guó)瀝青作為基質(zhì)瀝青，基層則采用40～50#中東Y國(guó)瀝青作為基質(zhì)瀝青，干法SBS改性劑的生產(chǎn)廠家為國(guó)路高科，集料采用0～3 mm機(jī)制砂、0～5 mm細(xì)集料、5～20 mm碎石和19～37.5 mm碎石，集料為項(xiàng)目自行加工生產(chǎn)。

3 干法SBS最優(yōu)摻量確定

該項(xiàng)目采用干法SBS改性工藝，即將SBS改性劑直接投入瀝青拌和站的拌缸，對(duì)基質(zhì)瀝青及混合料進(jìn)行改性。本項(xiàng)目初擬了4.5%、5.5%、6.5%和7.5% 4個(gè)摻量的SBS改性劑與60～70#基質(zhì)瀝青制備了中間層用SBS改性瀝青；初擬了3.0%、4.0%和5.0% 3個(gè)摻量的SBS改性劑與40～50#基質(zhì)瀝青制備了基層用SBS改性瀝青，并進(jìn)行了PG分級(jí)評(píng)價(jià)［4-7］，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～表3。

表2 不同摻量下SBS改性瀝青性能指標(biāo)（60～70#中東Y國(guó)瀝青）Tab.2 Performance indexes of SBS modified asphalt with different dosage（Middle East Country Y 60～70# bitumen）

表3 不同摻量下SBS改性瀝青性能指標(biāo)（40～50#中東Y國(guó)瀝青）Tab.3 Performance indexes of SBS modified asphalt with different dosage（Middle East Country Y 40～50# bitumen）

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出：①對(duì)于60～70#中東Y國(guó)瀝青，當(dāng)干法SBS摻量為4.5%和5.5%時(shí)，G*/sinδ不滿(mǎn)足技術(shù)要求；當(dāng)干法SBS摻量6.5%和7.5%時(shí)，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足PG76-10技術(shù)要求。因此，優(yōu)選6.5%作為中間層最優(yōu)干法SBS用量。②對(duì)于40～50#中東Y國(guó)瀝青，當(dāng)SBS改性劑摻量為3.0%時(shí)，G*/sinδ不滿(mǎn)足 規(guī)范要求；當(dāng)干法SBS摻量4.0%和5.0%時(shí)，技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足PG76-10技術(shù)要求。因此，優(yōu)選4.0%作為基層最優(yōu)干法SBS用量。

4 混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)方法對(duì)瀝青中間層和基層進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定級(jí)配及最佳油石比，瀝青混合料級(jí)配采用高模量技術(shù)體系要求。

4.1 礦料級(jí)配

瀝青中間層采用0～20 mm的級(jí)配設(shè)計(jì)，中間層各種礦料級(jí)配的比例為（19～37.5 mm）∶（5～20 mm）∶（0～5 mm）∶（0～3 mm）=20：35∶18∶27，級(jí)配曲線如圖1所示。瀝青基層采用0～40 mm的級(jí)配設(shè)計(jì)，各種礦料級(jí)配的比例為（19～37.5 mm）∶（5～20 mm）∶（0～5 mm）∶（0～3 mm）=20∶30∶22∶28，級(jí)配曲線如圖2所示。

圖1 0～20 mm礦料級(jí)配Fig.1 0～20 mm aggregate grading

圖2 0～40 mm礦料級(jí)配Fig.2 0～40 mm aggregate grading

4.2 混合料油石比

中間層初擬5個(gè)油石比，依次為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%，制備瀝青混合料的部分物理性能指標(biāo)見(jiàn)表4?；鶎映鯏M5個(gè)油石比，分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5.0%，以不同油石比制備的瀝青混合料的物理性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表4 不同油石比時(shí)中間層瀝青混合料的物理性能指標(biāo)Tab.4 Physical performance index of intermediate layer asphalt mixture with different oil-tostone ratios

表5 不同油石比時(shí)基層瀝青混合料的物理性能指標(biāo)Tab.5 Physical performance index of base asphalt mixture with different oil-to-stone ratios

由于中間層要求瀝青混合料空隙率介于3%～7%之間，表4中數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)油石比為3.5%和4.0%時(shí)，空隙率超出要求的范圍。同時(shí)，綜合考慮油石比和各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，確定中間層用瀝青混合料的最佳油石比為4.5%。由于基層要求瀝青混合料空隙率介于3%～7%之間，表5中數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)油石比為3.0%和3.5%時(shí)，空隙率超出要求的范圍。同時(shí)，綜合考慮油石比和各項(xiàng)物理性能指標(biāo)，確定基層用瀝青混合料的最佳油石比為4.0%。

5 動(dòng)態(tài)模量性能評(píng)價(jià)

因該項(xiàng)目中間層和基層設(shè)計(jì)為高模量瀝青混凝土路面，要求同時(shí)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)模量（15℃，10 Hz）≥14 000 MPa。因此，對(duì)兩層所設(shè)計(jì)的瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，在15℃條件下，兩層瀝青混合料10 Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)模量均高于14 000 MPa，滿(mǎn)足高模量瀝青混合料對(duì)動(dòng)態(tài)模量的要求［8-10］，如圖3所示。

圖3 中間層與基層瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量Fig.3 Dynamic modulus of asphalt mixtures of intermediate and base layers

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)東非高溫干旱地區(qū)及瀝青路面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用干法SBS技術(shù)進(jìn)行了中間層、基層的配合比設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下：①對(duì)于60～70#中東Y國(guó)瀝青，當(dāng)干法SBS摻量為6.5%時(shí)，可以滿(mǎn)足PG76-10技術(shù)要求；對(duì)于40～50#中東Y國(guó)瀝青，當(dāng)干法SBS摻量為4.0%時(shí)，可以滿(mǎn)足PG76-10技術(shù)要求。②在上述干法SBS摻量的前提下，吉布提T港口連接線項(xiàng)目設(shè)計(jì)的中間層、基層均具有優(yōu)良的性能，且滿(mǎn)足高模量技術(shù)體系中動(dòng)態(tài)模量（15℃，10 Hz）≥14 000 MPa的技術(shù)要求［11-12］。由本研究可知，在優(yōu)良的配合比設(shè)計(jì)及合適的干法SBS摻量下，可以滿(mǎn)足PG分級(jí)要求和高模量技術(shù)體系要求，可以為中資企業(yè)在海外道路路面工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)提供參考。