SMC常溫改性瀝青混凝土在西藏高海拔地區(qū)公路工程中的應(yīng)用前景

盧 歡，李 微

（1.中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710000；2.長(zhǎng)安大學(xué)）

1 引言

交通運(yùn)輸行業(yè)作為能源消耗及碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域，是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化與環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)鍵行業(yè)之一。實(shí)現(xiàn)綠色交通是交通運(yùn)輸行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向，交通運(yùn)輸部于2016年發(fā)布《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，在其主要任務(wù)之一“統(tǒng)籌資源利用、實(shí)現(xiàn)集約節(jié)約”中提到推廣應(yīng)用溫拌瀝青技術(shù)等要求[1]。溫拌瀝青技術(shù)在混合料拌和過(guò)程中加熱瀝青與集料的能源消耗減少，同時(shí)產(chǎn)生的有害氣體相對(duì)較少，既節(jié)約了資源又保護(hù)了環(huán)境。溫拌瀝青混合料的拌和、攤鋪由于能適應(yīng)較低環(huán)境溫度的要求，才可以使瀝青面層施工作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)較低的拌合溫度降低了混合料生產(chǎn)過(guò)程中瀝青的老化[2]。SMC（Styreneic Methyl Copolymers）是近年來(lái)新研發(fā)出來(lái)的一種常溫改性劑，SMC常溫改性瀝青技術(shù)是一種新型的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，與常規(guī)熱拌瀝青相比，常溫改性瀝青技術(shù)可以使混合料的拌合溫度降低約40℃～60℃，甚至比以往常用的溫拌瀝青降溫30℃以上，節(jié)能減排效果顯著[3]。SMC常溫瀝青改性劑是從廢舊橡膠、廢舊塑料等原材料中提煉出來(lái)的一種聚合物溶液,主要成分為甲基苯乙烯類(lèi)嵌段共聚物，同時(shí)配合一定比例的環(huán)氧樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂固化劑等材料[4]。SMC常溫改性瀝青混合料在-40℃以上及溶劑未完全揮發(fā)的情況下，仍具有一定的流動(dòng)性，可滿(mǎn)足拌合、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓的施工要求，直至混合料中的可揮發(fā)性溶劑揮發(fā)完全后，瀝青混合料逐漸固化，形成一定的力學(xué)強(qiáng)度，其路用性能如低溫抗裂性能、抗水損害性能及抗疲勞開(kāi)裂性能與常規(guī)聚合物改性瀝青混合料性能相同[5]。

2 西藏高海拔地區(qū)瀝青路面常見(jiàn)問(wèn)題

西藏等高海拔、高寒地區(qū)公路氣候、環(huán)境特殊，常見(jiàn)瀝青路面病害有瀝青老化、面層低溫開(kāi)裂、水損害、疲勞開(kāi)裂等。

2.1 瀝青老化

瀝青老化問(wèn)題主要是由于瀝青膠結(jié)料的老化，從而影響到瀝青路面的正常使用，老化的瀝青變得又硬又脆，瀝青路面由于溫度及荷載的作用很容易發(fā)生斷裂，顯著降低路面的低溫抗開(kāi)裂及耐久性能，西藏等高海拔地區(qū)云層稀薄、光照充足、紫外線(xiàn)強(qiáng)烈，致使瀝青加速老化，大大縮短了公路面層的使用壽命，而且由于路面開(kāi)裂等病害問(wèn)題的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響了道路路用性能，給行人的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)威脅[6]。

2.2 低溫開(kāi)裂

西藏等高海拔地區(qū)氣溫較低[7]，且在秋冬季前后，氣溫變化大，由于驟然降溫、晝夜溫差大、持續(xù)低溫天氣等情況，瀝青路面相對(duì)于內(nèi)地將承受較大的溫度荷載作用，造成溫縮裂縫。低溫狀態(tài)下瀝青面層延性降低、剛性增大，瀝青面層的抗拉應(yīng)力不足以抵抗驟然降溫及持續(xù)低溫造成路面的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致開(kāi)裂。低溫裂縫以橫向裂縫為主，發(fā)展過(guò)程為先從路面邊緣開(kāi)始出現(xiàn)較少短裂縫，隨著溫度荷載的反復(fù)作用，裂縫逐漸貫通至整個(gè)路面開(kāi)裂，低溫裂縫的特征為路面中心裂縫較窄，向邊緣其裂縫逐漸變寬；低溫裂縫走向多垂直于行車(chē)方向，裂縫開(kāi)口上部寬，沿深度方向快速變窄，裂縫間距一般較均勻，無(wú)支縫，形狀較規(guī)則。

2.3 水損害

西藏等高海拔地區(qū)受自然環(huán)境、氣候的影響，雨雪充沛，瀝青路面在經(jīng)受溫度脹縮及交通荷載的反復(fù)作用下，水分由毛細(xì)孔、微裂隙逐步侵入到瀝青與集料的界面上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間水動(dòng)力及其他應(yīng)力的反復(fù)作用，瀝青膜與集料逐步發(fā)生剝離，從而導(dǎo)致集料與瀝青、集料與集料之間的粘結(jié)力喪失，產(chǎn)生面層集料剝落、松散、坑槽等問(wèn)題，失去了瀝青面層的保護(hù)，在水分的進(jìn)一步作用下，水分繼續(xù)入侵路面基層和底基層，逐步造成面層整體結(jié)構(gòu)的損壞。

2.4 疲勞開(kāi)裂

西藏等高海拔地區(qū)受氣溫環(huán)境的影響，常規(guī)熱拌瀝青混凝土在運(yùn)輸、攤鋪及壓實(shí)過(guò)程中常常因溫度降幅大而導(dǎo)致碾壓不實(shí)，影響路面壓實(shí)質(zhì)量，進(jìn)而影響其性能，受荷載的反復(fù)作用，易造成面層疲勞開(kāi)裂，特別是西藏等地區(qū)低等級(jí)公路中瀝青面層較薄，路面疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象更加普遍。由于行車(chē)荷載及環(huán)境影響，瀝青路面沿輪跡帶出現(xiàn)單條或多條平行的縱縫，起初裂縫較細(xì)小，隨著使用年限的增長(zhǎng)、車(chē)輛荷載重復(fù)作用次數(shù)的增加及環(huán)境影響的反復(fù)作用，在縱縫間將會(huì)逐漸產(chǎn)生橫向和斜向縫，裂縫相互貫通逐漸發(fā)展形成網(wǎng)狀裂縫，進(jìn)而影響路面力學(xué)性能。

3 SMC常溫改性瀝青混凝土路用性能

針對(duì)西藏高海拔地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)及瀝青路面常見(jiàn)病害類(lèi)型，從以下四個(gè)方面對(duì)SMC常溫改性瀝青混凝土對(duì)西藏地區(qū)的適宜性進(jìn)行分析。

3.1 抗瀝青老化性能

瀝青老化后，其指標(biāo)中針入度變小、軟化點(diǎn)變大、延度變小、粘度變大[8]。其中以粘度和延度兩個(gè)指標(biāo)變化最為明顯，經(jīng)老化后的瀝青路面抗低溫抗開(kāi)裂及耐久性能顯著下降。

預(yù)防路面中瀝青老化的措施主要從減小紫外線(xiàn)對(duì)瀝青的老化作用著手，可選用一些改性瀝青作為混合料的材料，如SBS、SBR改性瀝青等，工作機(jī)理為改性瀝青中由于聚合物大分子的存在，其分解會(huì)延緩瀝青老化造成的瀝青變硬變脆，改善混合料流變性能和低溫性能。SMC常溫瀝青改性劑同樣是一種聚合物溶液，主要作用是在基質(zhì)瀝青中加入人工合成的高聚物彈性體，與基質(zhì)瀝青進(jìn)行熔融或分散在基質(zhì)瀝青中，保證瀝青及瀝青混合料在較低溫度下的流動(dòng)性。常溫改性瀝青混合料經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，其中的可揮發(fā)性溶劑逐漸揮發(fā)直至完全，混合料逐漸固化，形成力學(xué)強(qiáng)度，其力學(xué)性能及路用性能與常規(guī)聚合物改性瀝青相當(dāng)。所以SMC常溫改性瀝青技術(shù)在滿(mǎn)足較好的力學(xué)性能及路用性能的基礎(chǔ)上可在一定程度上延緩瀝青的老化[9]。

3.2 低溫抗開(kāi)裂性能

西藏等高海拔地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)、持續(xù)溫度低，晝夜溫差大，易造成瀝青的勁度模量變大，材料變硬，面層中由于溫度變化產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力及應(yīng)變，當(dāng)其超過(guò)瀝青混合料的極限應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，產(chǎn)生開(kāi)裂。低溫開(kāi)裂嚴(yán)重威脅著公路的使用性能，是西藏等高海拔地區(qū)常見(jiàn)的路面病害之一。

目前對(duì)于瀝青混合料低溫性能測(cè)試試驗(yàn)主要有間接拉伸試驗(yàn)、低溫小梁彎曲破壞試驗(yàn)等。低溫小梁彎曲破壞試驗(yàn)以破壞應(yīng)變?yōu)榧夹g(shù)指標(biāo)，是目前國(guó)內(nèi)最常用的低溫性能試驗(yàn)方法。魏為成等[10]通過(guò)低溫小梁彎曲破壞試驗(yàn)對(duì)摻量12%的SMC常溫改性瀝青混凝土進(jìn)行測(cè)定，得出混合料低溫破壞應(yīng)變值為5037με；吳先虎[11]通過(guò)該方法對(duì)摻量12%的SMC常溫改性瀝青混凝土進(jìn)行了低溫小梁彎曲破壞試驗(yàn)，得出低溫破壞應(yīng)變值最大為3631με，均滿(mǎn)足西藏等地區(qū)技術(shù)指標(biāo)要求。

瀝青中由于SMC常溫瀝青改性劑的作用，使瀝青加熱溫度降低，瀝青混合料的拌合溫度降低，混合料勁度模量減小，使混合料低溫抗開(kāi)裂性能提高。

3.3 抗水損害性能

瀝青混合料的抗水損害性能通常反映在瀝青路面的水穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)高海拔地區(qū)瀝青路面病害調(diào)查研究，在各種類(lèi)型的瀝青路面破壞中，有近80%的病害與瀝青路面的水穩(wěn)定性相關(guān)[12]。由于水損害常常造成瀝青面層內(nèi)部松散、路面坑槽、唧漿、裂縫等破壞，路用性能得不到保證，道路損壞給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，給行車(chē)安全造成巨大影響，因此水穩(wěn)定性能是瀝青混合料性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

目前對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法主要有浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)等。浸水馬歇爾試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，能夠判斷不同等級(jí)、不同性質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)性能的優(yōu)劣，是一種方便有效的方法。凍融劈裂試驗(yàn)為了模擬冰凍地區(qū)瀝青面層的工作環(huán)境，采用了凍融循環(huán)的條件，加重了水對(duì)瀝青混合料的破壞。謝朝陽(yáng)[13]在對(duì)SMC常溫改性瀝青混凝土水穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，得出其殘留穩(wěn)定度達(dá)到81%，凍融劈裂強(qiáng)度比值達(dá)到91.4%，均滿(mǎn)足西藏等地區(qū)技術(shù)指標(biāo)要求。

3.4 耐久性能

瀝青路面在氣候溫度、行車(chē)荷載作用下保持原有性能的能力為瀝青路面的耐久性，包括對(duì)氣候的耐久性、溫度的耐久性、荷載的耐久性等?？傮w說(shuō)來(lái)，對(duì)于西藏高海拔地區(qū)寒冷、雨量充沛、氣壓低、紫外線(xiàn)強(qiáng)、交通荷載較輕等特點(diǎn)，其主要表現(xiàn)在低溫抗裂性能、抗老化性能和抗水損害性能等方面。鑒于國(guó)內(nèi)開(kāi)展SMC常溫改性瀝青混凝土路面起步較晚，工程項(xiàng)目偏少的現(xiàn)狀，對(duì)實(shí)際工程中SMC常溫改性瀝青路面的耐久性數(shù)據(jù)需根據(jù)已建項(xiàng)目隨時(shí)間推移進(jìn)一步收集。

4 SMC常溫改性瀝青混凝土應(yīng)用受制約因素

①目前國(guó)內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)SMC改性劑廠家較少，質(zhì)量參差不齊，對(duì)工程造價(jià)影響偏大。

②國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)及高校開(kāi)展常溫改性劑研究較多，常溫改性劑類(lèi)目繁雜，常溫改性瀝青混合料路用性能差異性明顯，國(guó)內(nèi)缺少統(tǒng)一、完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

③國(guó)內(nèi)SMC常溫改性瀝青路面應(yīng)用時(shí)間較短，施工技術(shù)及管理經(jīng)驗(yàn)有待成熟，實(shí)際工程中路面耐久性需進(jìn)一步跟蹤監(jiān)測(cè)。

④西藏高海拔地區(qū)對(duì)于SMC常溫改性瀝青路面應(yīng)用實(shí)例少，無(wú)應(yīng)用規(guī)模效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

SMC常溫改性瀝青混凝土作為常溫拌合混合料，消耗的能源、釋放的有害氣體少，以其較好的低溫抗開(kāi)裂、耐久性能，更適用于具有寒冷、氣壓低、紫外線(xiàn)強(qiáng)、交通荷載較輕、生態(tài)環(huán)境脆弱特點(diǎn)的西藏等高海拔地區(qū)，符合我國(guó)當(dāng)前建設(shè)綠色低碳公路的戰(zhàn)略需求，有較好的推廣及應(yīng)用前景。2014年11月，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《SMC常溫改性瀝青及瀝青混合料設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》，隨后各省及地方相繼發(fā)布適用于當(dāng)?shù)氐牡胤叫约夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，SMC常溫改性瀝青技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)省市逐步開(kāi)展項(xiàng)目并進(jìn)行了應(yīng)用，2017年1月，《高海拔地區(qū)SMC改性瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》試行，為SMC常溫改性瀝青混凝土在西藏等高海拔地區(qū)的瀝青路面設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量控制提出具體要求，為SMC常溫改性瀝青混凝土在高海拔地區(qū)的推廣提供了規(guī)范支持。