1、70姚云生 高速公路沥青路面材料路用性能试验研究高速公路沥青路面材料路用性能试验研究姚云生（河南豫西路桥勘察设计有限公司，河南三门峡 472000）摘要：为研究某高速公路沥青路面材料的路用性能，通过三大指标试验分析了橡胶粉和 SBS 掺量对于改性沥青基本性能的影响，采用马歇尔试验方法研究了橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的配合比设计，并在此基础上利用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验分别探讨了橡胶粉/SBS复合改性沥青混合料的高温、低温和水稳定性。研究结果表明：橡胶粉和 SBS 改性剂的掺量宜为 20%和 4%，橡胶粉/SBS 复合改性沥青混合料的最佳油石比为 6.13%；橡
2、胶粉与 SBS 复掺后在高温稳定性和低温抗裂性方面相对单一掺剂效果更显著，在水稳定性方面 SBS 效果更好，而橡胶粉具有制约作用。关键词：高速公路；沥青路面；橡胶粉；SBS；沥青混合料；路用性能中图分类号：U 414；U 416Experimental Study on Pavement Performance of Expressway Asphalt Pavement MaterialsYAO Yun-sheng(Henan Yuxi Road and Bridge Survey and Design Co.,LTD.,Sanmenxia 472000,Henan,China)Abstra
3、ct:In order to study the road performance of an expressway asphalt pavement material,the influence of the content of rubber powder and SBS on the basic performance of modifi ed asphalt was analyzed through three index tests.The mix design of rubber powder/SBS composite modifi ed asphalt mixture was
4、studied by Marshall test method.On this basis,the high temperature,low temperature and water stability of rubber/SBS composite modified asphalt mixture were discussed by the rutting test,low temperature beam bending test,immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test.The study results show t
5、hat:the optimum content of rubber powder and SBS modifi er is 20%and 4%,and the optimum asphalt aggregate ratio of rubber/SBS composite modifi ed asphalt mixture is 6.13%;The eff ect of rubber powder and SBS on high-temperature stability and low-temperature crack resistance is more signifi cant than
6、 that of a single admixture,and SBS has a better eff ect on water stability,while rubber powder has a restrictive eff ect.Key words:expressway;asphalt pavement;rubber powder;SBS;asphalt mixture;road performance高速公路是国家基础设施的一个重要组成部分，也是一个国家经济实力的重要体现，截止 2020 年末，我国高速公路建设里程已突破 16 万公里，全国的高速公路路网主线基本完善1-2。沥青
7、路面作为高速公路的常用路面结构形式，具有行车平稳性好、施工周期短和易维修养护的特点，但在高速公路服役过程中不断出现诸如车辙、裂缝和坑槽等病害，严重影响了路面行驶的舒适感，因此需要及时进行维修养护，尤其是要严格控制原材料的性能质量3-5。目前针对沥青混合料面层材料的研究比较多，诸如沥青改性剂已有上百种，可在高速公路路面的应用却很少，大多仍采用 SBS 改性沥青，但近几年对于橡胶改性沥青的研究逐步增多，研究表明其加入沥青后既可以改善沥青混合料的路用性能，又解决了废弃橡胶的污染问题，因此在高速公路中得到了较多的应用6-8。本研究基于某高速公路中修工程，经现场检测，决定采用铣刨复浇方式加铺改性沥青混合
8、料面层，沥青材料拟采用 SBS与橡胶复合改性沥青，为确保加铺的沥青混合料面层性能，首先从原材料性能检测、改性剂掺量选择等方面对沥青混合料进行试配试验，然后通过一系列室内试验验证橡胶/SBS 复合改性沥青混合料的路用性能。1 工程概况某高速公路全长 21.8km，建设标准为双向六车道，于 2018 年 5 月建成通车，路面结构总厚度为 78cm，底基层为 20cm 厚级配碎石，基层为 40 厘米厚水泥稳定碎石（分两层），下面层为 8cm 厚粗粒式沥青混凝土，中面层为 6cm 厚中粒式改性沥青混凝土，上面层为 4cm 厚细粒式改性沥青混凝土。该高速公路经过 4 年服役后，在现场检测中发现面层存在较
9、多的车辙、网状裂缝等初期病害，且病害未向下深度扩展，因此决定铣刨 45 cm厚面层并加罩 5cm 厚细粒式改性沥青混合料。2 原材料与沥青改性剂掺量选择2.1 原材料作者简介：姚云生，本科，高级工程师，主要研究方向：道路与桥梁、隧道及交通土建工程。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.018合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期71采用的基质沥青为盘锦 A 级 90 号道路石油沥青，橡胶粉和 SBS 分别采用某高分子材料有限公司生产的 60目橡胶粉和 YH-791H 线型 SBS（S/B 为 30/70）。经检测，各材料技术性能都满足要求，见
10、表 1 表 3。粗集料选择玄武岩，细集料选用石灰岩，填料采用石灰岩集料磨细后的矿粉，具体技术指标见表 4。表 1 基质沥青技术性质Table 1 Technical properties of matrix asphalt检测指标试验结果指标要求针入度(25,5s,100g)/0.1mm87.280100软化点(环球法)/46.945延度(15)/cm100100RTFOT 残留物质量变化/%0.15-0.80.8残留针入度比(25)/%6961残留延度(10)/cm116表 2 橡胶粉技术性质Table 2 Technical properties of rubber powder项目炭黑含
11、量/%丙酮抽出物/%灰分/%纤维含量/%金属含量/%水分/%实测值42154.60.550.0280.54要求值2822810.051表 3 SBS 技术性质Table 3 Technical properties of SBS项目嵌段比 S/B撕裂强度/(kN/m)断裂伸长率/%硬度熔体流动速率/(g/10min)指标值30/70154.6750.55表 4 集料和填料技术性质Table 4 Technical properties of aggregates and fillers集料/填料检测指标试验结果指标要求粗集料毛体积相对密度2.587吸水率/%0.523针片状含量/%9.615压
12、碎值/%19.728细集料毛体积相对密度2.706吸水率/%0.12砂当量/%68.660棱角性/s33.130矿粉表观密度/（tm-2）2.7512.5含水率/%0.11塑性指数2.94亲水系数0.212.2 改性剂掺量的选择采用沥青三大指标变化规律分别确定橡胶粉和 SBS的最佳掺量。首先分析橡胶粉掺量（5%、10%、15%、20%、25%、30%）对改性沥青性能的影响，橡胶改性沥青生产条件：在温度 1605 条件下搅拌 60min，然后以 6000r/min 的转速剪切 50min，最后在 140 的恒温烘箱中溶胀发育 12h。然后进行沥青性能试验，试验结果如图 1 所示。05101520
13、25305560657075808590 针入度 软化点 延度橡胶粉掺量/%4648505254565860455055606570758085针入度/01mm,25延度/cm,5软化点/图 1 橡胶粉掺量对沥青三大指标的影响规律Fig.1 Influence law of rubber powder blending on the three major indexes of asphalt从图 1 可知，随着橡胶粉掺量的增加，针入度逐渐减小，软化点增加，延度先增加后降低，针入度和软化点在橡胶粉掺量 20%以后均趋于稳定，而延度在橡胶粉掺量为 20%后开始降低。说明橡胶粉加入后吸附了沥青中的
14、轻质油分，并开始溶胀，同时增强了橡胶粉与沥青质和胶质的结合能力，从而增加了沥青的粘度和柔韧性，但是橡胶粉达到一定量时在沥青中的溶解或分散能力减弱，容易出现胶粉颗粒聚集现象，因此对于增加沥青的界面粘结性并不明显，且在低温时沥青也很容易断裂破坏，由此判断橡胶粉掺量以 20%为宜。控制橡胶粉掺量为 20%，并在 20%橡胶粉改性沥青的基础上加入 SBS 改性剂，分析 SBS 掺量（1%、2%、3%、4%、5%、6%）的变化对于复合改性沥青性能的影响，试验结果如图 2 所示。0 1 2 3 4 5 64042444648505254565860针入度软化点延度SBS 掺量/%5560657075808
15、590810121416182022针入度/01mm,25延度/cm,5软化点/图 2 SBS 掺量对沥青三大指标的影响规律Fig.2 Influence rule of SBS dosage on the three major indexes of asphalt从图 2 可以看出，在 SBS 掺量为 1%时，与未掺SBS 时变化不大，但随着 SBS 改性剂掺量的继续增加，改性沥青的针入度值将持续减小，软化点逐渐增加，且软化点在 SBS 掺量为 1%4%范围内增幅较大，大于 4%后增幅开始变缓，而延度先增加后在掺量超过 5%后开始降低。这是由于 SBS 改性剂经过高速剪切后均匀地分散于沥青
16、中，并吸附沥青中的轻质组分之后发生溶胀反应，增加了沥青的粘度和硬度，改善了沥青的高温稳定性和抗剪切破坏能力，表现为针入度降低和软化点升高，但当 SBS 掺量过多时，由于能够满足 SBS 和橡胶粉产生充分溶胀反应的沥青是一定的，因此会使溶胀不充分，表现为软化点增幅减小，延度下降9。综合以上分析，SBS 掺量宜为 2%4%，由于粘度的大小直接影响着沥青混合料的拌和、运输、储存及施工成型质量，因此，粘度不宜太小，也不宜过大。为防止粘度过大对施工质量造成影响，采用旋转粘度试验分别测试了 SBS 掺量为 2%、3%和 4%的复合改性沥青的175 粘度，分别为 1.85Pas、2.12Pas 和 2.33Pas，均满足要求，但作为高速公路上面层，为获得更好的路用性能及耐久性，故取高掺量值为 4%。3 沥青混合料配合比设计3.1 矿料级配为获得良好的路用性能，在选择矿料级配时采用了骨架密实结构型 SMA-13 沥青玛蹄脂碎石混合料10-11，矿料级配见表 5。表 5 SMA-13 矿料级配Table 5 SMA-13 mineral material grade distributionSMA-13