公路工程中的改性沥青及其应用研究_周重云.pdf

合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期141作者简介：周重云，本科，高级工程师，研究方向：施工技术。公路工程中的改性沥青及其应用研究周重云1，柏小明1，陈小明1，李 想2，文 平1（1 中铁五局集团成都工程有限公司，四川成都 610000；2 青海交通职业技术学院，青海西宁 810003）摘要：现代化的公路交通逐渐呈现货车轴载增大、车流量大幅增加以及渠化行驶普遍等特点，因此要求公路沥青路面具备更好的高温抗车辙、低温抗开裂以及耐磨损等路用性能，以延长公路服役年限，减少后期维修费用，而通过改性剂对沥青进行改性是关键举措之一。该文分析了沥青改性的必要性及其应用特性，介绍了改性沥青的主要类型。从SBR 改性沥青、SBS 改性沥青以及硅藻土改性沥青等常见改性沥青出发，总结论述了当前公路工程中的改性沥青材料应用与研究现状。基于目前改性沥青在公路应用中存在的不足，提出了未来改性沥青的研究热点，包括复合改性剂改性沥青、废旧材料改性沥青以及纳米材料改性沥青等。关键词：公路工程；改性沥青；改性剂；应用现状；研究热点中图分类号：TB 32；U 414 Study on Modifi ed Asphalt and Its Application in Highway Engineering ZHOU Chong-yun 1,BAI Xiao-ming1,CHEN Xiao-ming1,LI Xiang2,WEN Ping1(1 China Railway Fifth Bureau Group Chengdu Engineering Co.,Ltd.,Chengdu 610000,Sichuan,China;2 Qinghai Communications Vocational and Technical College,Xining 810003l,Qinghai,China)Abstract:Modern highway traffic gradually presents the characteristics of increasing truck axle load,significantly increasing traffi c fl ow and widespread channelized driving.It requires that highway asphalt pavement have better road performance such as high-temperature rutting resistance,low-temperature cracking resistance and wear resistance,so as to extend the service life of the highway and reduce later maintenance costs.One of the key measures is to modify asphalt through modifi ers.The necessity and application characteristics of asphalt modifi cation are analyzed,and the main types of modifi ed asphalt are introduced in this paper.Starting from the common modifi ed materials such as SBR modifi ed asphalt,SBS modifi ed asphalt and diatomite modifi ed asphalt,the current application and research status of modified asphalt materials in highway engineering are summarized and discussed.Based on the shortcomings of modifi ed asphalt in highway application at present,the research hotspots of modifi ed asphalt in the future are put forward,including composite modifi ed asphalt,waste material modifi ed asphalt and nano material modifi ed asphalt.Key words:highway engineering;modifi ed asphalt;modifi er;application status;research hotspots现代化的公路交通工程逐渐呈现出车流量大、行车速度快以及载重量大等特点，迅猛增长的通行量与车辆频度以及日趋增大的货车轴重，对公路路面的各项路用性能和承载能力提出了更高的要求，如高温抗车辙、低温抗开裂及耐磨耗等，以达到进一步提升路面服役年限的目的1。传统的公路项目大多采用沥青路面形式，而沥青属于一种温度敏感性材料，不同温度下的沥青状态和性能均有不同变化。在温度升高时，沥青呈软、稀态，黏结力变差，而温度降低时则呈稠硬脆状，黏结力为零2。沥青材料这一特殊的温度敏感特性对于沥青路面而言非常不利，往往会使沥青路面在夏季高温时，由于重载作用而引起车辙，或在冬季由于脆硬形态而形成裂缝。车辙或裂缝的出现极大影响沥青路面的使用性能，导致服役年限缩短。基于传统沥青材料的缺陷，改性沥青应运而生，其主要针对传统沥青的温度敏感性进行性能改良，通过提升沥青软化点、降低脆点，使沥青路面具备高温不软化、低温不脆裂的使用特性，从而有效延伸沥青路面的服役年限，取得更好的社会与经济效益。1 改性沥青及其应用特性作为一类复杂的高分子碳水化合物，传统的沥青材料属于温度敏感性材料，在一定的高温条件或受荷状态下，极易呈现为黏弹塑性，并在高温和紫外光照射下存在显著的老化现象。而在现今的公路交通工程中，温室效应扩大化下的高温天气频繁，对传统沥青路面造成了越来越严重的负面影响，如软化、流淌等，同时我国公路运行过程中超载现象频繁，进一步造成沥青路面使用性能的下降。因此，通过对沥青材料进行改性处理具有重要的现实意义，包括掺入橡胶、聚合物或磨细胶粉等，或对沥青开展氧化处理，从而得到性能优化的沥青混合物。在工程实践中，应用改性沥青铺就的路面能有效克服传统沥青路面高温易流淌、低温易脆裂的不足，增强路面的耐磨抗裂性3。具体而言，改性沥青的应用特性DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.021142周重云 等 公路工程中的改性沥青及其应用研究主要包括：（1）改性沥青材料具备高温稳定性，在路面工程中应用时，能大幅提升高温气候条件下的路面抗车辙性能；（2）改性沥青可增强骨料与沥青材质的粘结性，能大幅减少由于公路路面积水而导致的裂缝现象；（3）改性沥青的使用能极大延长沥青路面的服役年限，提升公路服务品质，减少路面维护维修费用，避免大量的沥青路面后期二次成本投入，综合效益显著；（4）改性沥青有效拓展了传统沥青材料的应用领域，在薄层罩面、桥面铺装、开级配面层、排水路面、大坝防水以及伸缩缝处理等方面均具有良好的适用性。2 改性沥青的分类根据改性方式的不同，改性沥青主要包括两种类型：一种是对基质沥青掺加各种改性剂；另一种是对基质沥青进行氧化加工处理，从而优化整体性能4。在实践中，改性沥青大多通过添加改性剂而制得。按照改性剂的组成成分与物化性能的不同，改性材料主要包括三类，分别为添加剂、矿物质填料以及高分子聚合物等。改性剂为添加剂时，主要应用材料为抗氧化剂与抗剥落剂，如有机酸、表面活性剂等，其能有效增强沥青的抗氧化与耐老化能力，提升沥青路面的粘着力与服役年限。改性剂为矿物质填料时，相关可应用的改性材料较多，如石灰、蒙脱土、硫磺、水泥、硅藻土以及软木灰等，其主要作用是增强沥青的高温稳定性，降低低温脆点，增强耐老化、抗开裂性能，防止水损害现象。改性剂为高分子聚合物时，可用于公路沥青路面改性的材料主要包括橡胶类（如丁苯橡胶 SBR、氯丁橡胶CR、乙丙橡胶EPDM以及废旧轮胎等）、热塑性橡胶类（主要为各种嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，即 SBS）以及树脂类（聚氯乙烯 PVC、环氧树脂EP 等）。其中，橡胶类改性剂具备良好的弹性与机械性强度，并能以乳胶形态掺入沥青，加工设备简单；热塑性橡胶类改性剂具备优异的拉伸强度，可有效增强沥青路面的路用性能；而树脂类改性剂的特点是耐高温，且受压不变形，非常契合沥青路面的使用环境。3 公路工程中的改性沥青应用3.1 SBR 改性沥青SBR 是高分子聚合物丁苯橡胶的简称，是一种合成橡胶，主要通过将丁二烯与苯乙烯共聚而成型。将 SBR作为改性剂制得的 SBR 改性沥青具有加工简单、拉伸率大、价格低廉等特点，能在较宽的温度区间内维持性能稳定。在公路工程应用中，虽然 SBR 改性沥青的抗高温性能稍差，温度较高时在受荷状态下易发生变形，但在低温环境下的综合性能优异，因此在我国东北以及西北地区等气温较低的公路项目中得到了广泛使用。如钟红伟等5依托青藏公路的改建施工案例，针对高原、高寒的区域环境，对 SBR -A 型橡胶类改性沥青的施工经验进行了总结与概括。朱曲平等6为实现废旧塑料的再生资源化利用，对不同比例的废旧聚丙烯（WPP）与废旧聚乙烯（WPE）复配 SBR 改性沥青的关键路用性能进行了对比试验研究，试验认为 WPP 与 WPE 复配 SBR 改性沥青混合料的低温抗裂能力基本等同于 5%SBR 改性沥青，可在严寒地区的重载沥青路面中推广应用。焦江华7针对温拌再生沥青混合料，基于低温弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验等，对比研究 SBS 改性沥青与 SBR 改性沥青对混合料的路用性能影响规律，分别得出了最佳的改性剂掺加量。由此可见，SBR 改性沥青的应用与研究大多与低温环境条件相关。3.2 SBS 改性沥青SBS 属于热塑性橡胶类嵌段共聚物的一种，学名为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。将 SBS 作为改性剂，按照特定温度进行机械搅拌后再掺入至基质沥青中，即可制备获得 SBS 改性沥青。SBS 改性沥青具备空间三维网状构造，能极大程度改善沥青的温度敏感性缺陷，即在炎热天气下大幅提升沥青的软化点，实现高温不软化，同时在低温严寒季节降低沥青脆点，保证低温不脆裂。另外，SBS 改性沥青具有优异的弹性与强度，利于公路工程中沥青路面服役年限的延长，因此在我国高等级公路、城市主干路中拥有广泛的应用场合。杨国梁8依托吉怀高速公路工程案例，对路面面层施工中应用的 SBS 改性沥青进行了基本性能试验分析，通过热失重分析技术、筛分试验以及马歇尔稳定度试验等，研究表明 SBS 改性沥青混合料的路用指标均符合要求。王改霞等9基于高温环境条件，探析了 SBS 改性沥青在长期存储条件下的性能衰减机制，通过宏观试验与微观表征技术，揭示高温存储时的性能衰减规律，为优化 SBS 改性沥青的存储方案提供了指导。宋大伟10结合某城市道路小修改造实施案例，研究分析了 SBS 橡胶粉复合改性沥青混合料的适用性，结果表明复合改性沥青混合料能有效改善城市道路存在的通病问题，在道路维修中具有良好的应用前景。3.3 硅藻土改性沥青硅藻土属于非金属矿，作为沥青改性剂时能充当矿物质填料，显著提升沥青的高温稳定性，在国外已经成为一类优异的改性剂材料，而在国内的相关研究较少，仍属新型的改性剂。在公路实践中，将硅藻土作为改性剂掺入基质沥青后，其能结合基质沥青共同塑造形成一种共混体系，该体系具备均匀稳定的构造特征，从而大幅改善基质沥青的性能，包括黏性、强度及热压缩致密性等。吴庆云等11为减少路基热拌沥青施工中存在的能耗高、有害气体排放多等问题，在 SBS 改性沥青