高粘度改性沥青的应用前景1

高粘度改性沥青的应用前景

浙江兰亭高科杨林江汤薇

杭州湾跨海大桥是目前世界第一长桥，工程举世瞩目。其建设质量各方关注，上下重视。桥面铺装直接承受车辆的行驶，是整座桥梁建设目的的最终归宿，铺设质量的好坏，一定程度上决定着整个工程的成败，是大桥建设中一个非常重要的环节。

杭州湾跨海大桥地处我国东部沿海，气候湿润、多雨，极端最高气温39.1℃，极端最低气温-10.6℃.海洋上日照时间长，紫外线辐射强烈；海洋上风大、浪高，海风中富含氯离子，对桥面铺装有一定的侵蚀作用。预测交通量大，设计年限15年内每车道的交通量为146×106轴次，相当于一般高速公路的5～6倍。桥面铺装的基层是水泥混凝土，一柔一刚，外力作用下应力与变形不连续；桥梁挎度大，震动剧烈；铺装层完全暴露于空气中，直接受气候条件的影响，夏季温度更高，冬季温度更低且聚降速度更快，所有这些条件都对桥面铺装层的材料比普通路面提出了更为苛刻的要求。杭州湾跨海大桥全长36公里，架设于海洋之中，桥面铺装层的日常养护维修困难，故而特别希望保持长久的优良使用性能，要求铺装的沥青混合料具有特别优良的抗车辙、抗水害和抗裂能力。

影响沥青铺装层品质的因素较多，但沥青的性质是个重点。杭州湾大桥工程经翻复的试验，审慎的比较，选用了本公司国内独家研发成功的高粘度改性沥青，取得了人见人赞的应用效果。

本文就高粘度改性沥青的性状及其使用的适应性作一个简单的介

绍。所有相关的技术要求和实测数据均引自杭州湾跨海大桥桥面铺装体系研究报告。

1、高粘度改性沥青的技术特征

1.1 高粘度改性沥青技术性能见表1

由表1可见，高粘度改性沥青的最大特点是60℃粘度上万Pa.s。沥青的粘度实质是沥青内部分子间阻止相对位移的能力的度量，粘度大的沥青，分子之间不易发生位移，沥青就不易变形，也就是沥青具有较大的劲度。预示了沥青作为粘结料把松散的集料粘结成整体后，在外力作用下，集料之间不易产生位移，具有较大的强度和抗剪切流动变形能力。沥青的粘结随温度的升高而降低，盛夏季节沥青路面在车辆荷载作用下，容易发生永久变形，形成车辙、推挤，致使道路的使用性能锐减，对交通安全引起威胁。许多地区夏季沥青路面的最高温度往往会达到或超过60℃，这是造成路面变形的危险温度，因此，沥青的抗高温变形能力可以用60℃粘度来表征。

从表1中可以看到：这种改性沥青不仅是60℃粘度高、软化点高，抗高温、重载的能力强，同时5℃延度也大，表明这种结合料同时具有优良的低温柔软性，用以抵御低温缩裂和弯曲形变疲劳裂缝的产生。

沥青与集料的粘附力主要由范德华力，离子作用力和机械结合力（高温沥青渗入矿料表面微孔冷却后形成）等构成，沥青的高粘度强化了机械结合力，因此提高了对于集料的粘结能力，提升了沥青抗水害的性能。

从表1中可以看出，虽然这种沥青的60℃粘度很高，但135℃的运

动粘度仍在3Pa.s以下，表明仍有良好的和易性和施工碾压性能。

高粘度改性沥青的弹性恢复达89%，老化后5℃延度还有25cm，证明抗疲劳和抗老化能力都很优良。上述分析说明，这种高性能的沥青结合料，各项路用品质上乘，兼具良好的施工性。

1.2 高粘度沥青混合料的主要技术性能

鉴于高粘度改性沥青优良的技术性能，其混合料的品质也相应提升。在杭州湾跨海大桥铺装体系研究中，表面层SNA13沥青混合料的主要性能指标和试验实测值分别为：

（1）车辙试验动稳定度DS：（试验条件：60℃，0.7Mpa）

桥面铺装设计要求：≥3500次/mm；试验实测6533次/mm 证明该混合料具有优良的抗高温剪切变形能力

（2）浸水马歇尔试验：

马歇尔稳定度11.21KN，浸水马歇尔稳定度10.27KN，

残留稳定度MSO 91.6%（P135），设计要求残留稳定度≥85%。

可见混合料具有良好的水稳定性。所用集料为玄武岩，未外加水稳剂，证明高粘度有效地提高了沥青的粘结力。

（3）低温抗裂性检验：

-10℃的小梁弯曲试验结果为：

抗弯拉强度8.93Mpa，破坏应变3685.5με，破坏劲度模量2424Mpa。

设计要求破坏应变≥2500με。表明混合料具有良好的低温抗裂性。

沥青路面病害的现象众多，外因是自然条件和交通条件，人为因素有设计的、材料的、施工的。就材料而言，沥青的性质优劣起着主要的

作用。防止或延缓路面产生病害，对于沥青的要求主要是抗高温变形、抗低温脆裂、抗水害松散能力，兼具优良的耐老化、抗疲劳性能。只有全面地改善这些性能，才能保证沥青路面良好的使用性能并保持较长的使用寿命。然而事实上沥青的组份复杂、性能多变，即使通过一些改良措施，往往会留下某些方面的欠缺，为早期病害的发生留下隐患。高粘度改性沥青在突出提升抗高温流变能力的同时，全面提高了各项技术性能。杭州湾跨海大桥铺装层的质量印证了高粘度技术性能全面优良的技术特征。

2、高粘度改性沥青在高等级路面中应用的适应性。

随着社会的技术进步，道路的建设质量日益提高，但同时交通条件也在变化中：交通量的增大，重载车的增多，车速的提高等，均从不同角度加速了沥青路面早期病害的发生。

2.1 沥青路面常见的损坏类型

沥青路面常见的损坏分为裂缝、变形、松散和其他损坏四类。

2.1.1 裂缝类

沥青路面的裂缝可分为纵向裂、横向裂缝、龟裂和块裂。

（1）纵向裂缝：平行于道路中心线。通常认为，路基的不均匀沉降、不良的施工搭接或过大的荷载是纵向裂缝的主要原因。

（2）横向裂缝：垂直于道路中心线。主要成因是温度变化，反射裂缝和施工接缝。半刚性基层的沥青路面，大部分因反射而裂缝。

（3）龟裂：鬼纹状的裂缝常拌有沉陷和唧浆现象。龟裂是路面结构在重复荷载作用下的疲劳损坏。

（4）块裂：一种近似矩形裂块的交错裂缝，是纵向裂缝、横向裂缝逐渐加密的结果。

2.1.2 变形类

主要现象是沉陷、车辙和推挤

（1）沉陷：指路面的局部凹陷。由基层或路基的局部压实度不足所造成。

（2）车辙：在轮迹带上出现的狭长形凹槽。

两侧没有隆起的是结构性车辙，或由于路面压实度不足通车后继续压密造成的车辙；两侧出现隆起现象的流动性车辙。

（3）推挤：交叉路口、匝道进出口等处，因经常刹车或启东，使路面承受很大的水平剪力，产生搓板状的推挤变形。

2.1.3 松散

松散是一种水损害。沥青在水的作用下逐渐丧失了与矿料的粘结力，从矿料表面脱落。失去了沥青的粘结，就造成了矿料的松散。

松散现象有两类：

（1）传统的松散病害由路表发生，路表矿料松散后在车辆作用下散失，形成坑槽。雨天，坑槽会迅速扩大并深化。

（2）内部松散：这是一种新的松散现象，发生于中、下面层。这种现象广泛地存在于高速路上。由于路面的空隙率较大，水在高速车辆动水压力作用下，把中下面层混合料的沥青从矿料表面剥离，使矿粉松散，严重时也发展成为坑洞。

2.1.4 其他损害类：如泛油、磨光等。

2.2 国内高等级沥青路面目前的主要病害形式及其预防措施。

国内高等级沥青路面早期病害的主要形式是流动性变形车辙和水损害引起的内部松散。

2.2.1 流动性变形车辙

按发达国家的统计，因车辙而进行的路面维修占到路面维修量的80%。国内的情况也差不多，车辙病害非常普遍地存在。

由基层及路基变形引起的车辙属结构性车辙。因为国内的沥青路面，基层多为半刚性，抗压模量较大，结构性车辙不易发生。磨损性车辙国内几乎没有，因为我国不用埋钉轮胎。由于路面压实度不足，在行车作用下，继续压密也会形成车辙，但这种变形到一定程度会逐渐停止。国内普遍存在的是高温季节重载作用下的混合料流动变形车辙，尤其是强基薄面的结构设计，加剧了增加剪切流动变形。有鉴于此，很多沥青路面工程对沥青的高温性能提高了要求。或选用较低标号的沥青或对改性沥青的软化点提高一个档次。应该说这些措施收到了一定的成效，然而实践证明效果还不够显著，车辙现象仍然较为严重地存在。限于我国气候条件较为恶劣的现实条件，冬夏温差大，偏重了高温惟恐轻待了低温，普遍沥青的高低温性能，存在着此起彼落的倾向，对普通沥青或一般的改性沥青过份地提出单方面的要求是不现实的。要显著地改变普遍存在的车辙现象，必须找到一种具有足够抗高温流变能力，同时不损害甚至同步改善其他性能的沥青。上一节的分析明确显示，高粘度改性沥青的品质在突出提升抗高温能力的前提下兼具全面优良的特征。作为一种值得优选的路面材料，应能为消除国内普遍存在的车辙现象作出有效

的贡献。

2.2.2 松散

松散由水损害引起。传统的松散发生于表面，松散的发展形成坑槽，坑槽严重影响行车的舒适性，而且由于车轮的冲击，会加速坑槽的扩大，特别是雨天更加快了坑槽的发展。道路管理部门有“坑槽不过三”的说法，就是不能过三天，必须及时修铺。大面积的表面松散需要及时的采取罩面养护等措施。

行车的高速化，催生了一种新的松散现象，即沥青路面的内部松散，存在于中下面层中，相当普遍，由于损害路面结构，危害更严重，所以更应重视。

由于路面设计或路面施工的多种原因，致使路面空隙率过大，路面水在行车动水压的作用下，透过空隙反复冲刷混合料，水侵入沥青膜与集料之间，沥青膜从矿料表面剥离成为自由沥青。由于沥青的密度略小于水，在轮胎驶过空隙口瞬间形成的负压作下，自由沥青就逐渐由下向上迁移，导致中下面层的大量集料裸露，形成内部松散；上面层空隙中塞满了自由沥青，乃至上溢泛油。其后果是：严重的沥青迁移，使路面损坏形成坑洞；较轻微的情况是在部分自由沥青堵塞了表面层空隙后，路面透水能力降低使沥青迁移不再继续，但路面中、下面层已存在一定程度的松散，给路面的整体性造成了损失，强度降低，特别是抗剪强度锐减，为多种路面病害的发生埋下了祸根，比之于表面松散后果更为严重。

采用高粘度改性沥青，其混合料路面可有效提高抗水害能力，原因

主要有两方面：（1）高粘度沥青与集料表面的机械粘附力大；（2）在混合料配合比设计时，沥青用量可选取马歇尔试验最佳沥青用量的上限甚至可酌情在略予放宽，只要抗高温变形的能力足够，沥青用量多一点，沥青膜厚一点，不但低温抗裂性能够增强，更重要的是压实度可以提高，空隙率减小。路面空隙率小，水不易侵入，防止了水对于中下面层及基层的损害；同时提高了面层的强度；减小了光和空气对于沥青的老化作用。空隙率是沥青路面建设质量的一个非常重要的因素。杭州湾跨海大桥采用高粘度改性沥青为路面结合料，混合料的浸水马歇尔残留稳定度达91.6%，表明沥青对集料的粘结力强，路面压实度接近甚至高于100%，空隙率仅为4%左右，证明桥面铺装必将表现出非常优秀的抗水害能力。

以上仅粗略分析了高粘度改性沥青对于防止或延缓车辙和水损害的作用，其实，采用高粘度改性沥青对于避免沥青路面所有病害的发生都是有利的。这里不再一一赞述。

3、广泛应用高粘度改性沥青，把路面建设质量提高到新水平。

杭州湾跨海大桥建成通车已整整一年，国内各地服务于道路建设的专家多已慕名莅临参观考察，在领略大桥雄姿的同时，也深为桥面铺装的质量而叹服。预期高粘度改性沥青在杭州湾跨海大桥沥青铺装层中的成功应用将成为一盏明灯，照亮国内所有的高等级沥青路面建设工程。

高粘度改性沥青的路用性能全面优良，应在道路工程中广泛地推广应用。针对业内可能存在的一些认识问题，在这里在作几点说明：（1）必要性

日本应用高粘度改性沥青较多，一是因为日本排水性路面铺设得

多，排水性路面要求沥青混合料必须具备较强的抗车辙变形、抗水剥落、抗老化等能力；二是强调桥面铺装必须用高粘度改性沥青，因为桥面铺装层在刚性的基层上，而且厚度小，在车辆荷载作用下，高温季节极易发生流动性剪切变形。发达国家对于非排水性的高等级路面，一般未提采用高粘度沥青的要求，因为他们多采用柔性基层，而且面层的厚度较大，面层发生流动性变形的可能性小。我国的情况不同，沥青路面多按强基薄面的原则设计，采用的是半刚性基层，而且气候条件较为恶劣，重载超载车又多，流动性剪切变形非常容易发生。因此，在普通的高速公路沥青面层中，也有必要采用高粘度改性沥青。

（2）经济性

国外高粘度沥青的价格成倍高于普通改性沥青，同时柔性基层上的面层不易发生流动性变形，因此发达国家的普通高速路上一般也未采用高粘度沥青。我国的情况不同，在杭州湾跨海大桥中所用的高粘度改性沥青各项技术性能达到并超过日本高粘度改性沥青的要求（低温延度远优于日本产品），但价格仅仅略高于普通SBS改性沥青，不到日本高粘度沥青售价的一半。从工程造价角度讲，能接受SBS改性沥青也就可以接受高粘度改性沥青。

（3）施工性

业内有人担心，应用高粘度改性沥青在混合料拌和时是否会太稠，碾压时混合料是否会太硬，实际的情况是：高粘度改性沥青的60℃动力粘度在1万Pa.s以上，甚至10多万Pa.s，但135℃运动粘度仍为2Pa.s 左右，与普通SBS改性沥青的和易性、碾压性完全一样。

结语：

高粘度改性沥青全面优良的技术经济性，已在杭州湾跨海大桥桥面铺装工程中得到明确的印证。国内沥青路面的设计原则、使用条件和目前病害情况表明：在高速公路上全面推广应用这种高性能沥青结合料，具有十分明显的必要性和可行性。