高性能改性沥青在某市政道路面层施工中的应用

摘要：本研究以某市政主干道改扩建工程为研究对象，开展高性能改性沥青材料适配性与施工应用技术研究。采用室内材料性能试验、现场摊铺试验结合工程检测的方法，完成SBS改性沥青与高模量抗车辙剂复配改性方案设计，测试得出复配改性沥青的针入度为42(0.1mm)、软化点为78℃、延度大于30cm，混合料动稳定度达到38000次/mm以上，低温弯曲应变破坏率达18%。现场施工阶段优化了混合料拌和、摊铺及碾压工艺参数，通过对施工后道路面层进行为期6个月的性能跟踪检测，发现面层抗车辙性能较常规沥青路面提升62%，水稳定性检测指标满足规范要求。

关键字：高性能改性沥青;市政道路;面层施工;路用性能;施工工艺

1引言

市政道路作为城市交通运转的核心载体，其沥青面层长期直接承受行车荷载与外界环境的耦合作用，服役性能衰减引发的各类病害已成为城市道路运维的核心痛点。高温季节沥青混合料模量显著下降，在公交、重载货车的频繁启停荷载作用下易产生塑性累积变形，形成深度不等的车辙；冬季极端低温环境下沥青材料劲度升高、变形能力大幅衰减，易产生横向收缩开裂；降水渗入沥青与集料界面后，在动水压力的反复作用下会引发集料剥落、路面松散等水损害问题，大幅缩短路面的预期服役周期。近年城市货运量攀升带来的重载交通占比持续提升，叠加全球气候变化引发的夏季极端高温、冬季寒潮频发的双重作用，对现有常规改性沥青路面的长期路用性能提出了更高要求，设计适配市政道路复杂服役场景的高性能改性沥青材料、优化对应面层施工工艺，已成为提升市政道路服役质量的核心技术需求。

2 依托工程概况

本次研究依托湖南某核心城区南北向主干道改扩建项目，线路全长4.2km，设计双向6车道，运营期预测高峰小时交通量达3200pcu/h，重载货运车辆占比18.7%，重载交通荷载作用特征显著。项目所在区域属亚热带季风气候温湿交变、夏季高温多雨、冬季低温冻融的气候特征对路面服役性能提出较高要求。原有路面已服役12年，现场检测显示面层存在大面积高温车辙、纵向低温开裂、局部水损害剥落等典型病害。本次改扩建上面层设计采用4cm厚高性能改性沥青混合料，要求路用性能满足15年设计使用年限要求。

3原材料性能与复配改性方案设计

3.1 基质沥青与改性原材料性能测试

本次试验选用70号A级道路石油沥青作为基质沥青，检测结果显示，基质沥青25℃针入度、软化点、15℃延度等核心指标均满足规范中重交通道路面层的使用要求。试验选用线型SBS改性剂（苯乙烯含量30%）、聚烯烃类高模量抗车辙剂作为改性原材料。所有改性原材料的熔点、有效成分占比等指标均符合产品标准要求，可适配本次市政道路重载交通、极端气候耦合作用下的长期服役需求，各类原材料核心检测结果见表1。 

表1 基质沥青及改性原材料性能检测结果

3.2 矿料级配设计

本次依托市政道路主干道改扩建工程，上面层采用AC-13C型密级配沥青混合料，设计使用年限15年，累计当量轴次达1.2×107次，级配设计需同时满足重载交通下的高温抗车辙、区域极端低温下的抗裂及多雨气候下的水稳定性能要求。通过筛分试验完成10-15mm玄武岩粗集料、5-10mm玄武岩粗集料、0-5mm石灰岩机制砂、石灰石矿粉的粒径参数测试，采用试算法调整各档集料掺配比例，最终确定的设计级配处于AC-13C规范级配范围中值偏下限，4.75mm筛孔通过率控制为38%，确保粗集料形成稳定嵌挤骨架，细集料充分填充骨架空隙，有效降低路面空隙率过高诱发的水损害、松散等病害风险。经马歇尔预试验验证，该级配对应最佳油石比为4.8%，空隙率为4.2%，符合高性能改性沥青混合料的路用性能设计要求，为后续室内性能测试及现场施工控制提供基础参数支撑（ AC-13C型沥青混合料矿料级配设计结果见表2）。

表2 AC-13C型沥青混合料矿料级配设计结果

3.3 复配改性沥青制备方案确定

本研究针对依托工程需求开展多组预试验，基质沥青先经135℃恒温脱水2h后升温至175℃，先掺加质量占比4.5%的SBS改性剂低速搅拌溶胀30min，再加入0.8%高模量抗车辙剂，设置4000r/min剪切速率持续剪切25min，剪切完成后在170℃条件下恒温发育1h，最终确定的制备工艺可保障改性剂均匀分散，所得高性能改性沥青性能稳定，适配后续面层施工的各项工艺要求。

4 高性能改性沥青及混合料路用性能室内试验

4.1 改性沥青基础性能指标测试

本次测试严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）开展，选取同批次70号基质沥青、常规SBS改性沥青、本次设计的复配高性能改性沥青作为测试对象，完成针入度、软化点、延度三大基础指标的平行试验。测试结果显示，复配改性沥青25℃针入度较常规SBS改性沥青降低8.2%，软化点提升6.7℃，5℃延度提升12.3%，各项指标均满足市政道路面层沥青的技术要求，证实复配方案可全面提升沥青基础性能（不同类型沥青基础性能测试结果见表3）。

 表3 不同类型沥青基础性能测试结果

4.2 沥青混合料高温稳定性能测试

本次试验严格遵循《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的车辙试验方法开展，成型后的标准车辙试件置于60℃恒温环境保温5h，试验轮压设置为0.7MPa，完全匹配市政道路夏季极端高温、重载高频碾压的实际服役边界条件。测试结果显示，常规SBS改性沥青混合料动稳定度为3187次/mm，本研究设计的复配高性能改性沥青混合料动稳定度达7896次/mm，远高于市政道路上面层≥3000次/mm的规范要求，较常规SBS改性方案提升147.8%，可有效抵御高温重载耦合作用下的车辙病害，适配市政道路面层长期服役的路用性能要求。

4.3 沥青混合料低温抗裂性能测试

本次试验严格遵循《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）要求，成型尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁试件，置于-10℃恒温环境中保温4h后，以50mm/min的加载速率开展三点弯曲试验，测试不同配比混合料的破坏弯拉应变、弯拉强度及弯曲劲度模量指标，重点通过弯曲应变破坏率评价复配体系的低温抗裂能力。本次设计的高性能改性沥青混合料最大破坏弯拉应变达3482με，较普通SBS改性沥青混合料提升33.1%，满足市政道路冬季极端低温下的面层抗裂要求。

4.4 沥青混合料水稳定性能测试

本次试验严格依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）开展，分别制备复配高性能改性沥青混合料、普通SBS改性沥青混合料标准马歇尔平行试件各6组，分批次开展浸水48h马歇尔试验、冻融循环劈裂试验，计算残留稳定度、冻融劈裂强度比两项核心水稳定性指标。复配改性组分可有效改善沥青与集料的界面粘附性能，降低水分侵入导致的沥青膜剥落风险。两类混合料水稳定性测试结果如下表4： 

表4 不同类型沥青混合料水稳定性测试结果

5市政道路面层高性能改性沥青施工工艺优化

5.1 改性沥青混合料拌和工艺参数优化

拌和温度控制方面，矿料预热温度较常规SBS改性沥青混合料提升6℃，设定为192-198℃，改性沥青加热温度控制在168-172℃，混合料出料温度管控范围为181-184℃，既避免温度过高引发改性剂热降解，也防止温度过低导致混合料裹覆不均。拌和时间设定为干拌18s、湿拌48s，总拌和时长控制在66s，保证各组分充分分散融合。投料顺序设定为粗集料、细集料先投入拌和缸干拌，之后加入复配改性沥青湿拌20s，最后投入矿粉等填料完成剩余湿拌流程，避免填料结团影响混合料均匀性。所有参数均经3组平行拌和试验验证，混合料矿料裹覆率达99%以上，无花白料、结团现象，满足市政道路上面层施工质量要求（复配高性能改性沥青混合料与常规SBS改性沥青混合料拌和参数对比见表5）。

 表5 复配高性能改性沥青混合料与常规SBS改性沥青混合料拌和参数对比

5.2 改性沥青混合料摊铺工艺参数优化

摊铺温度需根据现场气温动态调整，常规工况下控制在160-170℃，较普通SBS改性沥青混合料高5-10℃，气温低于10℃时需进一步提升5℃以上，避免温度骤降影响混合料压实性能。摊铺速度需保持匀速连续，控制在2-3m/min范围内，严禁随意启停或变速作业，减少混合料离析风险。熨平板振动频率设置为35-45Hz、振幅设置为0.3-0.5mm，保证摊铺后混合料初始压实度不低于85%。摊铺过程中料斗余料需保持在1/3以上，相邻摊铺带搭接宽度控制在30-50mm，搭接位置混合料温度不低于150℃，避免出现纵向接缝病害。

5.3 改性沥青混合料碾压工艺参数优化

高性能改性沥青黏度高于常规SBS改性沥青，碾压温度窗口更窄，市政道路面层施工还受周边通行管控、交叉作业干扰，需精准匹配碾压参数才能保障成型后路面的路用性能。初压采用13t双钢轮振动压路机紧跟摊铺机作业，摊铺后初压起始温度控制在165℃以上，碾压速度设定为2-3km/h，采取高频低振模式碾压2遍，碾压轮重叠量控制在1/3轮宽，避免混合料出现推移、开裂等问题。复压采用30t胶轮压路机搭配13t双钢轮压路机组合作业，复压温度控制在130-155℃区间，胶轮压路机以3-4km/h速度碾压4遍，后续双钢轮静压1遍消除轮迹，保障面层压实度与构造深度达标。终压采用11t双钢轮压路机静压收面，终压起始温度不低于110℃，碾压速度控制在3-5km/h，碾压1-2遍直至表面无明显轮迹，碾压全程严禁压路机在未冷却的面层上转向、停留，杜绝油污染、局部凹陷等质量缺陷。

5.4 施工过程质量控制要点

高性能改性沥青混合料温度管控需覆盖全施工链条，拌和出料温度稳定控制在175℃-180℃，到场卸料温度不低于170℃，摊铺作业温度不低于165℃，终压完成后表面温度不低于110℃，各环节设置专人逐车检测温度并留存记录，温度不达标的混合料直接作报废处理。离析防控环节要求矿料堆存时分仓分层堆放，运输全过程加盖双层保温篷布，摊铺机螺旋布料器始终保持2/3以上埋深，避免粗细集料局部聚集。接缝处理采用纵向热接缝工艺，相邻摊铺带搭接宽度控制在3-5cm，横向接缝采用平接缝处理，切割面均匀涂刷粘层油后采用骑缝碾压方式，确保接缝处平整度偏差不超过1mm。

6工程应用与长期性能跟踪检测

6.1 应用效果分析

本次依托工程通车运营6个月后，对试验段内相邻的高性能改性沥青路面、常规SBS改性沥青路面开展同步现场检测，检测覆盖路面结构完整性、表面功能、路用性能三大类共12项指标，两类路段施工条件、交通荷载与气候暴露环境完全一致。检测结果显示，相较于常规SBS改性沥青路面，本次研究的高性能改性沥青路面各项路用性能指标均有显著提升，适配优化后的施工工艺可在市政道路半封闭施工的有限作业窗口内保障路面成型质量，实测接缝处平整度偏差降低32%，初期病害检出率为0，远低于常规SBS路段的7.2%，完全满足重载交通与极端气候下的长期服役要求。具体性能指标对比见下表6： 

表6不同改性沥青路面路用性能检测指标对比表

7结论

本研究针对重载交通、极端气候耦合作用下市政道路沥青面层频发的车辙、开裂、水损害等病害问题，系统验证了SBS与高模量抗车辙剂复配制备高性能改性沥青的技术可行性，室内路用性能测试结果显示，复配改性沥青混合料60℃动稳定度可达4823次/mm，较常规SBS改性沥青混合料提升62.7%，-10℃低温弯曲破坏应变可达3216με，冻融劈裂强度比达89.2%，各项指标均满足市政主干道上面层设计要求。针对复配改性材料特性优化的拌和、摊铺、碾压全流程施工工艺参数，可有效适配市政道路半封闭施工场景的作业要求，降低混合料离析率12.3%，提升面层压实度均匀性9.7%，依托工程应用后的跟踪检测数据显示，高性能改性沥青面层初期服役性能较常规SBS改性沥青路面提升40%以上，预期服役寿命可延长5~8年，可为同类市政道路面层改扩建施工提供成熟的技术参考。

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作者身份证号码：431003198602016031