沥青路面新材料的应用与发展趋势

主讲：*师范学 院交通学院沥青路面新材料的应用与发展趋势l第一部分：沥青路面综述l第二部分：改性沥青与SMA路面一.沥青路面的使用性能2沥青路面现在存在的问题及原因3沥青混合料性能的矛盾和解决途径1.高温抗车辙性能，即抵抗流动变形的能力；2.低温抗裂性能，即抵抗低温收缩裂缝的能力；3.水稳定性，即抵抗沥青混合料受水的浸蚀逐渐产生沥青膜剥离、掉粒、松散、坑槽而破坏的能力：4.耐疲劳性能，即抵抗路面沥青混合料在反复荷载(包括交通和温度荷载)作用下破坏的能力；5.抗老化性能，即抵抗沥青混合料受气候影响发脆逐渐丧失粘结力等各种良好性能的能力；6.表面服务功能，包括低噪音及潮湿情况下的抗滑性能、防止雨天溅水及在车后产生水雾等性能，这些性能直接影响交通安全及环境保护；7.行车舒适性能，主要是指平整度不良产生的行车颠簸，还包括横向平整度。以上性能中，除平整度与沥青混合料本身关系较小外，都是由沥青混合料自身决定的。其中水稳定性、耐疲劳性能、抗老化性能常统称为耐久性。而沥青混合料的路用性能除了上述性能外，还应包括施工性能。表2 汇总了沥青结合料、矿料、沥青混合料、沥青路面各种性能的有机联系。不过，表中沥青结合料不仅是指沥青自身，更确切地说，沥青结合料是指沥青(或改性沥青)与矿粉等填料的混合物。沥青路面沥青结合料矿料沥青混合料备注高温抗车辙性能低温抗裂性能抗疲劳性能水稳定性抗老化性能与空隙率关系极大表面服务性能路面透水性与空隙率关系极大行车舒适性取决于施工水平及结构施工性能表2 沥青材料与沥青路面性能的关系表 随着高等级公路建设的发展，沥青混凝土路面一跃而成沥青路面的主要形式。但是，新的问题接踵而来，国民经济高速发展而带来的交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重，车辆渠道化等，使沥青混凝土路面面临严竣的考验。许多高速公路沥青路面建成不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。二.沥青路面现在存在的问题及原因 (1)纵向或横向的永久性变形，夏季高温期在重载车作用下造成流动性车辙，纵向平整度下降。(2)冬季沥青路面的横向开裂，包括温缩裂缝及半刚性基层开裂或水泥混凝土路面接缝引起的反射缝，从裂缝中进水，引起承载能力下降的破坏(龟裂)。(3)雨季或春融季节出现的坑槽，即水损害破坏。(4)沥青路面由于泛油、石料磨光引起的表面功能降低或丧失，尤其是抗滑性能不足等等。l 而且这些早期破坏往往是在远未达到沥青路面的设计年限以前，与现在沥青路面的设计理论是按反复荷载产生的疲劳破坏并不相干，从而使路面设计失去真正的价值。在我国，高速公路及一级公路沥青路面的设计寿命为15年。美国原来的设计寿命是20年，现在已经延长到20年50年。可实际上我国目前的高速公路、一级公路短的2年-3年，长的68年，就要大面积维修，这不能不说是很大的问题。我国沥青路面建设水平与国外先进国家还有相当的差距，至少还落后1020年。这个落后主要体现在沥青路面的使用寿命上，规范规定使命是15年，可实际上没有几年，就要开始大规模的维修，相当于国外6070年代的水平。更进一步的分析可以发现，与国外先进国家所差的除了管理工作以外，就在于粗细集料的生产和使用上。l 面对这样的状况，道路工作者们不得不在提高沥青混凝土路面使用性能上下功夫，使路面保持良好的使用状态，延长使用寿命，创造社会经济效益。l 因此，研究提高沥青混凝土路面使用性能的关键技术，即采用沥青玛蹄脂碎石混合料路面及改性沥青混合料，已成为我国公路建设的迫切需要。三 沥青混合料性能的矛盾和解决途径 应该指出的是，沥青路面的路用性能在要求上往往是互相矛盾或相互制约的，照顾了某一种性能，很可能就会降低另一方面的性能。这里最突出的有以下两对矛盾。(1)高温稳定性和疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾。为了提高高温抗车辙能力，希望尽量采用粗级配，增大集料粒径，增加集料数量，减少用油量，但这样的混合料低温劲度大、发脆，很容易开裂，疲劳性能差，而且施工性能也差。而为了提高耐久性和低温抗裂性能，希望使用针人度较大、用量较多的沥青，用较细的、空隙 率小的混合料，到了夏天就很容易出现软化、泛油、车辙。(2)路面表面特性和耐久性的矛盾。高速公路对表面特性的要求较高，要求抗滑性能好，不溅水、水雾小，噪音轻。为了达到这个目的，必须提高表面粗糙度，采用构造深度大的开级配或半开级配沥青混合料。但是这样的混合料空隙率必然较大，而空隙率大的混合料耐久性差。为了解决这两对矛盾，我国公路部门曾经进行了许多努力，以提高沥青混合料的使用性能，尤其是对表面层进行了大量的研究归结起来，迄今为止的工作可以汇总为两点：(1)使用符合“重交通道路沥青技术要求”的沥青，哪怕是进口沥青，同时对改性沥青进行了研究探索；(2)进行了抗滑表层的研究，尤其是“七五”国家攻关专题提出了抗滑表层的矿料级配范围。这两方面的成果集中反映在1994年交通行业标准公路沥青路面施工技术规范(JTJ032）及1996年国家标准沥青路面施工及验收规范(GBJ 52092)中。应该说明的是，规范根据当时的研究成果，主要推荐AK13A及AK13B的抗滑级配，表面比较均匀美观。这些研究提出的级配对提高沥青混合料的性能都起到了很大的作用，但仍然存在着上述两个矛盾不能很好解决的问题，例如沪宁高速公路有些路段空隙率仍然较大，雨后空隙中浸水严重，在使用第三年已经陆续出现唧浆、坑槽。根据美国对大量使用年限长的道路的调查，认为残留空隙率为4的沥青混合料的耐久性最好，太小的容易发生车辙，大的容易发生开裂、松散、坑槽等各种破坏。现在的沥青混合料的材料选择和配合比设计，实际上是在各种路用性能之间搞平衡或最优化设计，根据当地的气候条件及交通情况作具体分析，尽量互相兼顾。希望混合料内部的空隙率在4左右，而表面的构造深度能达到1mm，甚至更大，沥青用量尽可能大一些，却不产生车辙。从以上分析，我们可以知道，为什么现在我们要研究提高沥青路面的使用性能?那是由于高速公路发展的现状，面临严峻的考验，是根据我国严酷的气候条件和繁重的交通条件这两个方面的要求提出的。也就是说，在不少路段，按照常规的做法已经不能满足需要了，这就要求我们另辟新径。除了保证材料质量和提高施工质量外，提高沥青路面使用性能还应该从另外两个途径考虑：(1)改善矿料级配，采用沥青玛蹄脂碎石混合料，SMA的粗集料多，矿粉多，细集料很少，成为两头多、中间少的特殊的间断级配。(2)改善沥青结合料，采用改性沥青，全面提高沥青的路用性能。兹举一个实例说明这两个途径对提高沥青混合料高温稳定性能的效果。一种途径是将密级配沥青混凝土DAC改为沥青玛蹄脂碎石混合料结构(SMA)，但不使用改性沥青；另一种途径是保持密集配沥青混凝土结构的级配，但将沥青结合料改为改性沥青；或者是综合采用以上两个措施，即同时采用改性沥青和沥青玛蹄脂碎石混合料结构。对这些措施个自采用相应的适宜的油石比，比较沥青混合料车辙试验的动稳定度，其结果如图所示，为了说明问题，表中改性剂用量比实际的要大一些。可见，研究提高沥青混凝土路面使用性能的关键技术，即采用沥青玛蹄脂碎石混合料路面及改性沥青混合料，已成为我国公路建设的迫切需要。1000200030004000500060007000800090000AC-16AC-16+6%SBSSMA-16SMA-16+6%SBSSMA-16+6%SBS+8%ZEC不同混合料的动稳定度（最大粒径16mm）动稳定度（次/mm）l一.改性沥青的分类、标准及 发展方向l二.SMA的发展与应用情况 一.改性沥青的分类、标准及发展方向 （一）改性沥青的分类 所谓改性沥青，也包括改性沥青混合料，按照我国公路沥青路面施工技术规范(JTJ032)及公路改性沥青路面施工技术规范(JTJ036)的定义，是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料”。改性剂是指“在沥青或沥青混合料中加入的天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在沥青中，改善或提高沥青路面性能(与沥青发生反应或裹覆在集料表面上)的材料”。关于改性沥青的分类，国际上并没有统一的分类标准。从广义划分，根据不同目的所采取的改性沥青及改性沥青混合料技术可汇总下图所示掺 加 改 性 剂改 善 力 学 性 能高 温 稳 定 性耐 疲 劳 性低 温 抗 裂 性聚 合 物橡 胶 类：SBR、CR、EPDM热 朔 性 橡 胶 类：SBS热 塑 性 树 脂 类：PE、EVA 改 善 粘 附 性 抗 剥 离 剂：金 属 皂（有 机 锰 等）、有 机 胺、消 石 灰 等耐 老 化 抗 老 化 剂：受 阻 粉、受 阻 胺 等物 理 改 性矿 物 填 料：碳 黑、硫 磺、石 棉、木 质 素 纤 维 等玻 璃 纤 维 格 珊、土 工 布 等废 橡 胶 粉调 和 沥 青 掺 加 天 然 沥 青（湖 沥 青、岩 石 沥 青、海 底 沥 青）沥 青 工 艺 半 氧 化 沥 青、泡 沫 沥 青 等图 道 路 改 性 沥 青 及 改 性 沥 青 混 合 料 技 术改 混性 合沥 料青 技及 术 实际工程上选择改性剂的品种和剂量是个技术性很高的工作，很难简单地说，用哪个品种的改性剂就一定好或不好。只能是根据所在地区的气候条件、交通条件、经济实力、改性沥青设备条件，以及当地沥青路面的主要破坏形式、改性目的综合确定，对改性沥青而言，不同的改性剂在改性效果上有很大的差别。我国公路改性沥青路面施工技术规范(JTJ036)规定的不同改性 沥青等级的技术要求是根据不同的气候区进行选择的依据。从不同的改性剂的标准可以看出，不同的改性沥青类型在指标本身就有明显的区别。对南方夏季炎热地区，高温稳定性要求较高，SBS、PE、EVA等的改性效果较好；而对低温寒冷地区，抗裂性能的要求较高，SBS、SBR的改性效果较好。在我国许多内陆地区和华北、中南、西北地区，夏季炎热，冬季寒冷，高低温要求都很高，选择SBS能两方面都照顾到，是首选对象。沥青改性剂种类很多，但是不同的改性剂都有其固有的特点，通过研究和应用，改性剂的使用量也在不断变化。在美国，SBS已成为最主要的改性剂品种。据说美国以前也使用PE、EVA等其他品种，但后来发现SBS有非常好的弹性和高低温性能，便开始转向SBS了。有一家SBS生产厂仅1997年一年便售出5万吨，可制作改性沥青100万吨。总之，SBS的高温、低温性能，弹性恢复性能，感温性等无论从哪方面讲，都有非常突出的优点，是PE和EVA无法相比的。PE仅仅在高温稳定性方面显示出较好的效果，但比SBS有很大的差距，EVA的高温稳定性不如PE，然而低温性能较PE要稍好一些，但均不如SBS；SBR有较好的低温性能，经过改性后的SBR胶乳也有较好的高温稳定性。大量的实验说明：SBS的效果明显优于其他品种。SBS改性的优越性突出表现在使软化点大幅度提高的同时，又使低温延度明显增加，感温性得到很大改善，而且弹性恢复率特别大。所有指标都好，这一点是很难得的。由于SBS改性沥青体现出其他改性剂无法相比的优点，所以我国改性沥青的发展方向应该以SBS作为主要方向。尤其是现在，SBS的价格比以前有了大幅度的降低，仅成本这一项，它也足可以与PE、EVA竞争。明确这一点，对于我国发展改性沥青十分重要。(3)沥青结合料用量多，比普通混合料要高1以上，粘结性要求高，希望选用针人度小，软化点高，温度稳定性好的沥青。最好采用改性沥青，以改善高低温变形性能及与矿料的粘附性。(4)SMA的配合比不能完全依靠马歇尔配合比设计方法，主要由体积指标确定，马歇尔试件成型双面击实50次，目标空隙率2-4，稳定度和流值不是主要指标，沥青用量还可参考高温析漏试验确定。车辙试验是重要的设计手段。（5）SMA的材料要求：粗集料必须特别坚硬、表面粗糙，针片状颗粒少，以便嵌挤良好；细集料一般不用天然砂，宜采用坚硬的人工砂；矿粉必须是磨细石灰石粉，最好不使用回收粉尘。(6)SMA的施工与普通沥青混凝土相比，拌和时间要适当延长，施工温度要提高，压实不 得采用轮胎碾。综合SMA的特点，可以归纳为三多一少：粗集料多、矿粉多、沥青结合料多、细集料少，掺纤维增强剂，材料要求高，使用性能全面提高 4.SMA 4.SMA的形成机理的形成机理 SMA是由沥青、矿粉、纤维及少量细集是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架的间隙形成一体的混合料。碎石骨架的间隙形成一体的混合料。