不同改性瀝青及纖維對大空隙率瀝青路面性能影響的研究

張波

（大連市市政設計研究院有限責任公司設計三所，遼寧 大連 116028）

0 引言

近年來，隨著城市的快速發(fā)展，大量高架快速路應運而生，高架快速路對于緩解城市交通擁堵發(fā)揮著重要的緩解作用。高架快速路由于車速快且鄰近居民區(qū)，行車時會產生大量噪聲，為降低交通噪聲對沿線居民生活的影響，目前常采用大空隙瀝青路面。大空隙瀝青路面不僅可以降低行車噪聲，同時具有排水性好、抗滑能力強、行車安全高等優(yōu)點，是城市重要路段路面的首選方案[1-2]。

目前我國多個城市采用大空隙率瀝青路面，比如大連東聯(lián)路。東聯(lián)路為貫穿南北的主干路，全長11.3 km，路面寬度24 m，雙向六車道，由于城市用地緊張，東聯(lián)路沿線緊鄰城市居民住宅，為降低行車噪聲對周圍居民的影響，東聯(lián)路全線鋪設大空隙率瀝青路面，實際運營效果顯示，大空隙率瀝青路面確實有效降低了行車噪聲。

與普通瀝青路面相比，大空隙瀝青路面對改性瀝青及集料有更高的要求。本文選用SBS、橡膠粉、SBS與橡膠粉復合作為改性劑對瀝青進行改性，以日本TPS改性瀝青作為參照對比。主要研究SBS、橡膠粉、SBS與橡膠粉復合三種改性劑與日本TPS改性瀝青混合料性能的對比；研究長纖維、短切纖維、纖維棉三種不同纖維型式對改性瀝青混合料性能的影響；大空隙率瀝青路面建議采用玄武巖作為集料，但國內并不是所有城市都有購買玄武巖的財政能力，本文采用石灰?guī)r、玄武巖作為集料，研究其對瀝青混合料性能的影響。

1 原材料

1.1 瀝青

瀝青采用普通90#瀝青，具體性能指標見表1。

表1 瀝青基本性能

1.2 改性劑

（1）橡膠粉改性劑。

（2）SBS改性劑。SBS改性劑既具有橡膠的性質，又有樹脂熱塑性質，外觀呈現(xiàn)線狀形狀，多孔罩粒。

（3）TPS改性劑。用于大空隙率瀝青路面的日本進口改性劑。

1.3 集料

集料采用石灰?guī)r和玄武巖，石灰?guī)r與瀝青黏結性能優(yōu)于玄武巖，但石灰?guī)r的耐磨性能劣于玄武巖。

2 不同改性瀝青對大空隙率瀝青混合料性能的影響

2.1 改性瀝青混合料的高溫性能

目前瀝青混合料高溫性能的評價主要采用的方法是馬歇爾穩(wěn)定度試驗法。

2.1.1 馬歇爾試驗法

馬歇爾試驗設備簡單、操作方便，目前被世界上許多國家采用，是我國評價高溫性能的主要試驗之一。馬歇爾要測定的指標有穩(wěn)定度和流值，馬歇爾穩(wěn)定度是在規(guī)定的加載速率條件下，試件破壞前所能承受的最大荷載；流值是達到最大荷載時試件的垂直變形。

馬歇爾試驗需要的儀器主要有馬歇爾擊實儀和馬歇爾試驗儀[3-4]。

按照馬歇爾試件在水槽中保溫時間的不同，馬歇爾試驗分為馬歇爾穩(wěn)定度和浸水馬歇爾穩(wěn)定度，馬歇爾穩(wěn)定度是在水中保溫30 min，而浸水馬歇爾穩(wěn)定度是48 h。

為研究90#瀝青、不同改性瀝青對瀝青混合料性能的影響，選用工程中常用的改性劑摻量，SBS摻量5%、橡膠粉摻量16%、SBS5%與11%橡膠粉復合、TPS摻量4%，集料采用石灰?guī)r，馬歇爾穩(wěn)定度和流值結果見表2。

表2 不同瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和流值的平均值

從圖1a分析可知，四種改性瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度均大于大空隙瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度3.5 kN的規(guī)定，說明經過改性的瀝青混合料均有良好的高溫穩(wěn)定性。在四種改性瀝青混合料中，TPS改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。

未經改性90#瀝青的浸水馬歇爾穩(wěn)定度降低幅度最大，小于3.5 kN，其他四種改性瀝青則大于3.5 kN，TPS最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。復合改性瀝青的浸水馬歇爾穩(wěn)定度大于SBS改性瀝青，說明經過復合改性瀝青的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

圖1 穩(wěn)定度和流值

從圖1b分析可知，未經改性90#瀝青的流值超過規(guī)范的40 mm，不滿足規(guī)范要求。四種改性瀝青混合料的流值均在規(guī)范的20～40 mm，其中橡膠粉改性瀝青最大，復合改性瀝青其次，SBS次之，TPS最小。復合改性瀝青的流值與SBS改性瀝青混合料相比，流值稍有所增加。復合改性瀝青的浸水流值稍大于SBS改性瀝青，這是因為復合改性瀝青中加入了橡膠粉，由于橡膠粉本身是一種彈性很大的材料，增加了復合改性瀝青混合料的彈性，導致流值增加。

2.2 大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性

殘留穩(wěn)定度是指48 h浸水馬歇爾穩(wěn)定度與30 min馬歇爾穩(wěn)定度的比值。計算公式見式（1）。

式中：MS0為試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%；MS1為試件浸水48 h后的穩(wěn)定度，kN；MS為試件浸水30 min后的穩(wěn)定度，kN。

殘留穩(wěn)定度見表3。

從圖2分析可知，改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均符合我國規(guī)范瀝青混合料殘留穩(wěn)定度不得低于75%的規(guī)定，TPS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定最大，復合改性瀝青次之，大于SBS，橡膠粉的殘留穩(wěn)定度最小，說明復合改性瀝青混合料高于SBS的水穩(wěn)性。四種改性瀝青中，橡膠粉改性瀝青混合料的水穩(wěn)性最差。不同纖維TPS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度見表4。

表3 殘留穩(wěn)定度平均值

圖2 不同改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

表4 不同纖維TPS改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度平均值

從圖3a分析可知，長纖維摻量為0.3%時，與TPS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度相比，無纖維的TPS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有下降，短切纖維和纖維棉摻量0.3%時，TPS瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍有提高，摻加不同纖維類型對大空隙瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度有一定程度影響，但不明顯。

從圖3b分析可知，集料采用石灰?guī)r的TPS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度與玄武巖相差不大。

圖3 不同纖維TPS改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

2.3 改性瀝青混合料的力學性能

大空隙瀝青路面作為路面的表面層，主要作用是將車輛荷載傳遞到中面層，所以大空隙瀝青混合料不僅要有良好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)性，還需具有良好的力學性能[5]。

2.3.1 抗壓強度

抗壓強度是瀝青混合料抵抗外力荷載的強度。具體實驗方法是將馬歇爾試件在15℃的條件下靜置24 h，用卡尺在試件上下兩個斷面的垂直方向上正確量取試件的直徑，取平均值。然后放在萬能材料壓力機上加載。計算公式見式（2）。

式中：Rc為試件的抗壓強度，MPa；P為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件直徑，mm。

從表5分析可知，經過改性的瀝青混合料的抗壓強度均高于未經改性90#瀝青的抗壓強度，TPS改性瀝青混合料的抗壓強度最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。

采用石灰?guī)r和玄武巖的抗壓強度相差無幾，而纖維對改性瀝青混合料的抗壓強度提高作用并不明顯。

2.3.2 劈裂強度

冬季氣溫低，瀝青路面會因為溫度的急劇下降加上持續(xù)的車輛荷載作用導致路面產生開裂現(xiàn)象，對路面的路用性能影響極大，同時水會從開裂處大量侵蝕瀝青混合料，從而導致水穩(wěn)性能急劇下降。

表5 不同改性瀝青混合料的抗壓強度 MPa

試驗步驟：測定馬歇爾試件的直徑及高度，準確至0.1 mm。將試件放入到15℃的恒溫水槽中，不少于1.5 h。當為恒溫空氣浴時不少于6 h，直至試件內部溫度達到要求的溫度為止，保溫時注意試件之間的距離不少于10 mm。從恒溫水槽中取出試件，放到萬能材料試驗機上加載。計算公式見式（3）。

式中：RT為劈裂抗拉強度，MPa；PT為試驗荷載最大值，N；h為試件高度，mm。

從表6分析可知，經過改性瀝青混合料的劈裂強度均高于未經改性90#瀝青混合料的劈裂強度，TPS改性瀝青混合料的劈裂強度最大，復合改性瀝青次之，SBS其次，橡膠粉最小。

采用石灰?guī)r和玄武巖的劈裂強度相差無幾，而纖維對改性瀝青混合料的劈裂強度稍有提高，加載時試件首先產生許多微小的裂縫，在混合料中摻加纖維后，纖維能夠延緩微小裂縫的繼續(xù)增大，提高了混合料的劈裂強度。

表6 劈裂試驗強度 MPa

3 結語

（1）通過試驗得知，SBS和橡膠粉復合材料綜合性能相對最接近于TPS改性劑，SBS性能其次，橡膠粉最差。

（2）長纖維、短切纖維、纖維棉三種不同纖維型式對大空隙瀝青路面性能影響不同，纖維棉最好，短切纖維其次，長纖維最差。纖維對大空隙瀝青路面性能稍有提高，但作用不明顯。

（3）玄武巖作為集料的大空隙瀝青路面性能稍優(yōu)于以石灰?guī)r作為集料的大空隙瀝青路面，玄武巖耐磨性能要優(yōu)于石灰?guī)r，在鋪設大空隙率瀝青路面工程中，要依據當地石料，選擇合適的石料。

[1]沈金安.開級配多空隙排水型瀝青路面[J].中外公路,1994(6):15-20.

[2]曹衛(wèi)東,陳旭,呂偉民.簡述國內外低噪聲瀝青路面研究狀況[J].石油瀝青,2005,19(1):50-54.

[3]伍石生.低噪聲瀝青路面設計與施工養(yǎng)護[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4]趙晶,王抒音.SBS改性瀝青技術與效果評價[J].中國公路學報,1997(4):18-24.

[5]楊軍.聚合物改性瀝青[M].北京:化學工業(yè)出版社，2007.