高速公路AC-20C中面层SBS改性沥青混合料配合比设计及性能验证

胡小金，高继明，马庆伟，周 雄

(1.陕西路桥集团路面工程有限公司，陕西 西安 710054； 2.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065 3.西安公路研究院，陕西 西安 710065)

0 引 言

沥青路面由于具有良好的行车舒适性、优异的使用性能，因此在中国高速公路的建设中得到了广泛的应用[1]。目前随着交通量的急剧增加，在重载车比例升高，高胎压的作用下，重载交通车道、道路交叉口、长大纵坡、公交专用道、公交港湾等路段的车辙损坏现象尤为突出[2]。此类车辙产生的主要原因是混合料高温稳定性不足，高温变形大。夏季沥青路表面温度可达60 ℃以上，车轮边缘处路面易发生剪切变形破坏。

为了解决道路车辙问题，路面结构设计提出全寿命设计方法，以层位分工理论为基础，主要以中面层为主抗车辙区。中面层的强度和稳定性关系到整体路面结构的使用质量和寿命[3]。而聚合物改性沥青是一种技术含量和附加值较高的新型优质筑路材料[4]。它通过把聚合物掺入道路沥青中而改善使用性能，能显著延长路面寿命、降低噪声、提高行车舒适性和安全性。针对高速公路重交通，地形复杂、纵坡大、桥隧比例大，弯道多，重载交通车流量大等特点，本文确定中面层配合比设计思路应为：以抗车辙为主、兼顾抗疲劳性能；矿料级配采用骨架密实结构。

1 原材料技术性质

1.1 矿料

1.1.1 粗集料

采用陕西铁力耐特绿色建材有限公司生产的19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm闪长岩碎石。集料试验严格按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)的要求和方法进行。

1.1.2 细集料和填料

机制砂采用陕西铁力耐特绿色建材有限公司生产的9.5～19 mm闪长岩碎石自行加工，矿粉采用山阳钟岭碎石场生产的9.5～19 mm的钙质灰岩碎石自行加工。

表2 机制砂试验结果

表3 填料试验结果

1.2 沥青

采用新加坡产“SPC”牌90#A级道路石油沥青，其性能指标试验结果见表4。

表4 90#A级沥青试验项目及试验结果

1.3 改性沥青加工工艺

SBS改性沥青加工设备均采用北京金凯越沥青材料有限公司生产的高精度间隙可调的胶体磨设备，SBS改性沥青加工分为溶胀、研磨、发育3个阶段。

1.3.1 准备工作

对用于改性的新加坡SPC牌90#A级道路石油沥青按要求进行检测，结果符合规范要求。采用SBS改性剂材料(北京燕山石化星型4303)，通过实验室小型剪切设备进行改性沥青配伍性试验，确定改性配方为：改性剂掺量为4.5%(内掺)，稳定剂掺量为1‰，抽出油掺量为1.5%。

表5 改性沥青试验项目及试验结果

1.3.2 溶胀

把90#A级道路石油沥青(温度控制在150 ℃左右)，经流量计准确计量后通过板式换热器快速加热到165 ℃～175 ℃，按确定配方要求的数量送入预混罐，并启动搅拌。按确定配方对SBS改性剂计重称量(计重称量和包装袋计数双控)，将称重好的SBS改性剂加入至预混罐中，罐中温度控制在165 ℃～175 ℃。将预混的改性剂和沥青的混合液送入溶胀罐中溶胀20 min。

1.3.3 研磨

将溶胀完的混合液通过2个串联式的胶体磨研磨2次。

1.3.4 发育

将完成研磨后的改性沥青送入发育罐中(加入配比确定的稳定剂和抽出油)，搅拌发育3～4 h(温度控制在175 ℃～180 ℃之间)。最后，将发育完成并检测合格的SBS改性沥青送入沥青拌合楼的储存罐(配搅拌系统)备用。

2 生产配合比设计

2.1 矿料级配合成

预定拌合机产量为280 t·h-1，根据目标配合比矿料级配控制冷料仓上料比例及速度，骨料加热至180 ℃～190 ℃，上料30 min(模拟正常生产情况)。骨料放料次序由大到小，分2次放料，取第2次所放集料，热料仓矿料合成级配如图1、2所示。

图1 AC-20C沥青混合料矿料级配(路基段)

图2 AC-20C沥青混合料矿料级配(桥梁段)

2.2 成型Marshall试件

根据目标配合比确定的最佳油石比及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)要求，以最佳油石比浮动±0.3%，分别采用4.0%、4.3%、4.6%成型Marshall试件，各标段矿料级配比例见表6。

表6 矿料级配比例

2.3 马歇尔试验

Marshall试件成型温度控制：矿料加热温度为180 ℃～190 ℃，沥青加热温度为160 ℃～165 ℃，混合料拌和温度为170 ℃～175 ℃，试件击实温度为160 ℃±2 ℃，双面击实75次。沥青混合料理论最大相对密度采用计算法。

Marshall试件自然冷却至室温后脱模，体积指标及力学指标结果见表7。

表7 Marshall试件物理力学指标

2.4 确定最佳油石比

综合考虑，路基段落生产配合比最佳油石比均为4.3%，桥梁段生产配合比最佳油石比均为4.4%，具体见表8。

表8 AC-20C型沥青混合料最佳油石比时Marshall试件试验结果

2.5 路用性能

对AC-20C沥青混合料采用最佳油石比进行水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性检验，试验结果见表9。

表9 AC-20C沥青混合料路用性能试验结果

评价沥青混合料水稳定性的试验方法主要包括浸水马歇尔残留稳定度试验和冻融劈裂试验。由试验结果可知SBS改性沥青混合料残留稳定度和劈裂抗拉强度比符合JTG E20—2011改性沥青混合料潮湿区水稳定性检验技术要求。

高温稳定性是验证沥青混合料路用性能的重要指标，目前对沥青混合料高温性能的室内试验评价方法主要是车辙试验。车辙试验结果表明SBS改性沥青混合料符合高温稳定性规范技术要求。

采用低温弯曲试验评价SBS改性沥青混合料的抗裂性能。由表9可得，SBS改性沥青混合料破坏时的最大弯拉应变符合规范技术要求。

3 施工质量检测

3.1 试验段铺筑

3.1.1 黏层施工

黏层油采用SBR改性乳化沥青，采用A-90#基质沥青现场改性。黏层油的洒布量为0.4 kg·m-2，通过现场检测，其质量和外观均较好。

3.1.2 桥面防水层施工

防水层采用SBR改性乳化沥青，改性方式为采用A-90#基质沥青现场改性。防水层的喷洒分2次进行，每次喷洒量为0.3 kg·m-2，总量控制在0.6 kg·m-2，待第1次喷洒的防水层破乳完全后再进行第2次喷洒，通过现场检测，其质量和外观均较好。

3.1.3 同步碎石封层施工

桥面SBS改性沥青同步碎石封层采用改性沥青SBS I-C和4.75～9.5 mm碎石。通过现场检测，SBS改性沥青洒布量为1.30 kg·m-2，碎石撒布量为9.3 kg·m-2，黏结性及均匀性均良好。

3.1.4 AC-20C中面层施工

(1)AC-20C沥青混合料的拌和。AC-20C沥青混合料的拌和时间应以混合料拌和均匀、所有集料颗粒全部裹覆沥青为度。经试拌确定，干拌时间为5 s、湿拌时间为44 s。沥青加热温度为160 ℃±5 ℃，矿料加热温度为185 ℃±5 ℃，沥青混合料出厂温度为175 ℃±5 ℃。

(2)AC-20C混合料的摊铺。采用1台中大DT1800摊铺机单机摊铺，摊铺速度为2.0～2.5 m·min-1(路基段落)或1.5～2.0 m·min-1(桥梁段落)，松铺系数为1.23。摊铺温度不低于160 ℃。

(3)AC-20C混合料的压实。对于路基试验段，初压采用2台双钢轮压路机紧跟摊铺机前静后振各碾压2遍：碾压速度为40～60 m·min-1。在初压完成后，2台30 t轮胎压路机各碾压2遍，碾压速度为40～60 m·min-1，1台37 t胶轮压路机碾压2遍，碾压速度为60～100 m·min-1。终压采用1台振荡压路机静压2遍，碾压速度为60～100 m·min-1。碾压连续进行，直到所有的轮迹全部消失。

对于桥梁试验段，初压采用1台振荡压路机紧跟摊铺机后振碾压2遍，碾压速度为60～80 m·min-1。在初压完成后，2台30 t轮胎压路机各碾压2遍，碾压速度为30～50 m·min-1，1台37 t胶轮压路机碾压2遍，碾压速度为60～80 m·min-1。终压采用2台双钢轮压路机各静压2遍，碾压速度为30～50 m·min-1。碾压连续进行，直到所有的轮迹全部消失。

3.2 试验段现场检测

3.2.1 厚度及压实度检测

试验段后，现场进行了厚度和压实度检测，厚度、马歇尔标准密度及理论密度压实度均满足设计要求，具体数据见表10。

表1 粗集料质量规格试验结果

表10 厚度及压实度检测

3.2.2 平整度检测

平整度检测采用连续式平整度仪(八轮仪)分别对每个车道进行检测，检测结果符合项目要求，详细数据见表11。

表11 平整度检测结果

3.2.3 渗水检测

经检测，施工段中面层试验段渗水均满足设计要求，详细数据见表12所示。

表12 渗水检测结果汇总

AC-20C中面层SBS改性沥青混合料路面具有较好的密实性、抗渗水性能，且表面平整密实，无明显离析、推挤、拥抱及轮迹现象。

4 结 语

(1)通过马歇尔试验对AC-20C中面层SBS改性沥青混合料进行配合比设计，确定了合理的级配范围，得出路基段最佳油石比为4.3%，桥梁段最佳油石比为4.4%， 并对SBS改性沥青混合料进行了马歇尔体积指标、高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性及渗水等路用性能指标检验，结果显示各项指标都均满足设计及规范要求，表明配合比设计性能稳定性。

(2)根据配合比结果进行试验段铺筑，现场检测结果显示，SBS改性AC-20C中面层的压实度、厚度、平整度和渗水系数等使用性能均满足设计及规范要求，从而验证了AC-20C中面层SBS改性沥青混合料配合比是合理的。