沥青在高速上的现状及问题解决

摘 要

主要对改性沥青在高速公路路面工程中的现状，以及目前存在的问题进行研究。特别针对SBS，本文将着重探讨其性质特点以及应用前景，重点分析SBS在高速公路路面工程中的应用措施，包括严格选择SBS材料,通过正交分析试验法，对比各主要成分对沥青以及路面性能的影响，结合具体的案例，强化中层面, 施工控制、注重横缝处理技术等。有效应用SBS，不仅能够满足高速公路路面工程的施工需求，同时还能够有效提高高速公路的使用寿命，促进高速公路路面工程的稳固持续发展。本文案例以杭浦高速某标段上的SBS 改性沥青应用情况，在路面结构施工、养护，病害处理方面具体分析。

关键词：改性沥青；高速公路；改性机理;指标验证

 第一章绪论

目前，国内的现存的许多高速公路都使用SBS改性沥青进行施工，但是该材料的市价持续提升，并且先前使用该材料施工的道路开始展现出其弊端，比如损坏与破裂。于是，建设单位需要一种性价比更高的材料作为其替代品。在经过多个施工项目的尝试后，一些建设单位以及施工方发现特立尼达湖沥青（TLA）具有很大的储量以及优越的性能。因此，本命题的研究对象为TLA改性沥青在高速公路施工中的应用技术，主要讨论了以下内容：第一，TLA的改性机理；第二，TLA混合料性能的干扰因子；第三，TLA在湿热地区中的指标探讨；第四，TLA的配伍性及其室内工艺的探究，得出的主要结论如下：

① 通过4组实验可知，沥青质在沥青中的成分占比属于沥青软化点的重要影响因素，进而影响沥青的耐高温性。

② 相较于岩沥青以及基质沥青，TLA的芳香芬以及饱和芬含量较低，三者的胶质含量相近，而湖沥青的沥青质成分比另外二者要更高。

③ 在多组完全一致的液体中，分组放入同量不同类别的沥青，不同组沥青的接触角差异性较低。

④ 在多组完全一致的沥青中，分组加入同量不同类别的液体，接触角的差异较为显著，进一步研究发现，在一定范围内，其接触角与液体的张力呈正相关。

⑤对沥青分别进行干湿加工，发现进行了湿加工的沥青，其耐高温能力变化较小，原因为：TLA改性沥青在进行搅拌之前，由于灰分发生了一定的沉淀，使得TLA改性沥青从整体上看成分不均，这种情况无法规避，所以在加工工艺上，一般选取干加工法以确保加工产品更佳的性能。

⑥ 干、湿加工对TLA马歇尔稳定度（Marshall stability；MS）数值的干扰程度较低，而TLA本身的MS值完全符合工程规范的要求。因此，对TLA改性沥青来说，MS为非控制性指标。

⑦ SHRP研究成果的PG分级方法，能全面地评价特立尼达湖沥青改性沥青的性能。

⑧TLA和基质沥青之间不会产生不利于融合的物理化学反应，只需进行普通的加热及搅拌，TLA就能与其他沥青融合形成改性沥青。

 第二章SBS沥青改性机理分析

        2.1SBS沥青改性机理分析

SBS沥青组分的分析构成沥青的核心化学元素为C（80%-87%），其次为H(10%-15%),此外，沥青还含有镒、钙、 镣、饥、铁、镁、钠等元素，从物质层面看，沥青主要由两部分构成：第一，碳氢化合物；第二，非金属衍生物，沥青成分表见图2.1。

表2.1石油沥青其中的分子量以及元素组成和碳氢比

不少研究者尝试分析沥青的构成成分与路面性能之间的关联性。然而沥青的成分多样，许多研究者都难以进行更深一步的探讨。出于对沥青成分复杂性的考虑，研究者将沥青中化学性能接近的物质归于一个组内进行分析，这种方法称为组分分析法。《公路工程沥青及沥青合料试验规程》对该方法进行了详细的介绍，其主要分为两类：第一类，三组分分析；第二类，四组分分析。

其中，三组分分析要求将沥青分离为：胶质、油以及沥青质。国内生产的沥青中，沥青油含有较多的蜡质，因此在进行三组分分析前，需要将蜡质进行去除。在对沥青进行组分分离的过程中，需要使用选择性吸附法以及溶解法，综合命名为溶解-吸附法。其具体流程如下：

①在沥青中加入C7H16液体使沥青质进行沉淀；

②使用硅胶对溶解物进行吸附；

③将吸附物封装于抽提仪中对油蜡进行提取；

④加入C8H10O以相同的步骤对沥青中是树脂进行抽提；

⑤使用C10H12O将油蜡蜡质进行沉淀；

⑥将油蜡混合物置于零下20摄氏度的温度下，静置至油蜡完全分离。

油分、胶质以及沥青质的性状见表2.2；沥青的化学组见图2.3。根据表2.3的数据可知，在同一粘度等级下，不同的原油产地会导致其化学组分不同。

表2.2石油沥青的三组分分析法中各种组分特征

表2.3石油沥青的化学组

四组分分离操作的具体流程如下：

①在沥青中加入C7H16液体使沥青质（At）进行沉淀；

②使用铝谱柱对溶解物进行吸附；

③使用C7H16对吸附物进行二次清洗得到饱和分（S）；

④使用C7H8清洗，得到反应物芳香分（Ar）；

⑤使用C2H60,C7H8的混合液进行清洗，得到胶质（R）。

SBS沥青中的沥青的组分分析基于T0618-1993标准对不同产地的同类沥青以及相同产地的不同类沥青采用四组分分析法，此外，出于研究全面性的考虑，在原先的基础上添加了齐鲁以及辽河等地的基质沥青进行分析，结果见表2.4。

表2.4沥青四组分的试验结果汇总表

由表2.4 可以看出

1）对于同号基质沥青，若原油所在地存在差异，那么基质沥青的组分也有着较大的区别。

2）对于相同的原油所在地，即使基质沥青的种类存在差异，沥青的S、Ar、R组分含量也无规可循。

3）对于相同的原油所在地，若基质沥青的种类存在差异，那么At组分含量与标号有着较大的关联性，与标号数值呈负相关关系。同时，软化点也与基质沥青的标号数值呈负相关关系。对实验得出数据进行均值计算，得出70#沥青的At组分含量相较于90#沥青的At组分含量高出了约12.5个百分点。根据上述的四组分分析可得：沥青的At组分含量与其软化点的相关性较高，即对沥青的耐高温性有着较大的作用。

4）基于上述探讨，可知SBS相较于岩沥青等天然基质沥青，其Ar组分以及S组分在沥青成分的占比中更低，R组分的含量相近，At组分的占比差异性较大，天然沥青的At组分含量更高。

2.2 SBS中灰分物理性质的研究

研究灰分的试验方法灰分是区分SBS改性沥青与其他基质沥青的重要参数。目前，相关化学研究者对SBS灰分的研究已较为完善。SBS属于一种共聚物，其天然形成过程需要经历约1亿年，化学性质较为稳定，所以，本命题将不进行有关SBS化学性质的研究。本文的2.2节将对SBS灰分进行四项物理参数的探讨，这四项物理参数包含：一，灰分的密度；二，灰分的粒度；三，灰分的接触角；四，灰分的表面自由能。

本节的研究选取了普适性较强的石灰岩矿粉作为研究的物料。灰分的粒径不大，但比表面积值较高，对研究用物料进一步分级，以目为单位，分为200,300,400,500,600这几个级次。SBS中的灰分来源于火山活性矿物质，而这些矿物质又由石英以及黏土构成，因此SBS的灰分的硬度较高。灰矿粉的成分为Ca4Al8Si8O32- H2O（水的分子量为18.664）与SiO2,火山爆发时石灰岩的温度约600摄氏度，因此，可使用高温煅烧（500°C）将沥青分离，进而获取所需的灰分。在成功地提取了SBS的灰分后，对其物理性质进行如下试验：

1、密度试验

灰分密度基于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000中的T0328-2000细集料表观密度试验（容量瓶法）。

2、 粒度试验

粒度试验指的是使用相关仪器采集粉体粒度的相关数据，并对这些数据的特征进行分析的一项工作。对于不同的研究需求，所需的表征指标是不一致的，最关键、适用范围最广的表征指标为粒度分布。

3、粒度的相关测试简介

1）颗粒：

颗粒定义为粒径在毫米级别以下的任意形状的物质。从狭义范围来讲，一般认为颗粒属于固体，然而将定义范围扩大，一些液体也可以称为颗粒。从定义层面看，颗粒比较容易理解，然而由于多数颗粒的形状不一，致使其粒度分布的检测过程变得困难。

具体颗粒形状如图2.1 所示

图2.1 颗粒较为普遍的形状

2）粉体：颗粒集合。

3）粒度：颗粒横截面的最大长度。

4）粒度分布：由专用仪器测定，用于反映不同粒径的颗粒在粉体中的占比分布情况，以百分数的形式表示，主要包含两种统计方式：其一为累计分布，其二为区间分布。前者又称为积分分布，以等差固定粒度值为参考点，统计大于或小于这些值的累积颗粒比例。后者又称为微分分布，表示在等差粒度值区间中，符合相应各区间粒度值的颗粒的比例。

5）粒度分布具体相关的表示方法：

a. 表格法：使用表格将颗粒的粒度分布情况进行记录。

b. 图形法：以粒度为横轴坐标，以对应的比例为纵轴坐标，建立直角坐标系，将各坐标点连接成曲折的直线或光滑的曲线，反应粒度的分布情况。

c. 函数法：表示颗粒的粒度与相应比例的函数关系，通过数学表达式来反映粒度分布情况，现存的应用范围较广的相关式子为Rosin-Rammler公式。

灰分物理特性试验结果及其分析基于2.2.1中密度试验，分别对石灰岩矿粉和TLA所含的灰分在25°C的外界条件下进行密度检测，具体检测结构如下表2.5：:

表2.5灰分、矿粉表观相对密度试验结果（试验温度25°C）

通过观察表2.5的具体数据可知：石灰岩矿粉密度比TLA所含有的灰分密度小0.225。

基于2.2.1中粒度试验，分别对石灰岩矿粉和TLA所含的灰分在25°C的外界条件下进行粒度检测，其检测结果表明：

①石灰岩矿粉颗粒直径与筛网直径存在良性变化关系，即随着筛网直径的增大，颗粒直径也会随之增大。

②石灰岩矿粉的比表面积与筛网直径存在数量级关系，随着筛网直径的增大，矿粉比表面积会随之减少。

接触角试验（一）接触角的测定意义

一般认为，接触角为固液气三种状态边缘交界处互相形成的夹角，如下图2.2。经相关实验证明，接触角是判断固液之间是否充分浸润的重要指标。一般来说，固液之间的接触角越小，两者之间的浸润程度越高。除此之外，浸润程度还能反应两种物质之间的粘附性，浸润越充分，粘附性能越强。

图2.2液-固、夜-液表面的接触角示意图

（二）接触角测量方法

一般而言，最常见的固液接触角的测量方法是毛细管上升法，又被称为灯芯法。该方法的具体操作为：记录液体在一定时间内的的上升或下降高度，运用Washbum方程进行计算，最终确定固液接触角的大小。

毛细管上升法的试验原理为：由于粉状固体是以颗粒状态存在的，相互间有一定的间隙，一般将这种间隙称为毛细管。此时，由于受到外部液体的压力和重力作用，液体逐渐渗透入颗粒之间的间隙。除此之外，由于液体渗透进颗粒间的间隙，形成了一种表面张力，通过测量固液之间这种表明张力可以算出具体的接触家大小。

毛细管上升法的检测方法为：通过灯芯法的柱状灯芯技术来测定出表面能的相关参数，在实际的相关试验之中，截取内径大约为3mm的标准的移液管大概长10cm作为柱管。同时也要将1.8g的粉末装入到柱管之中，可以直接放入到玻璃容器的底部，量取大约2ml的被测液体放入到玻璃容器之中，放入到玻璃容器之后就开始测量，浸渍的时间和浸渍的距离，同时基于公式来计算相应的接触角。试验时的温度宜控制在25±1℃, 并且每个数据应该取做三次重复试验之后的平均值。

在计算固液之间的表面张力是计算固液接触角大小的重要参数之一。检测时机为当液体完成浸润固体所用的时间，除此之外，还可以记录一定时间内液体变化的高度。通过这两种方法都可以测量出固液之间间隙的直径，也就是毛细管的直径。根据测量出的数据，结合Washbum方程就可以计算出接触角的具体大小。

矿粉的接触角试验结果及分析水、甘油以及甲酰胺这三种液体的表面能参数已知，如下表2.13所示。运用控制变量法，选择这三种液体分别计算出它们与沥青之间的接触角大小。

表2.13沥青接触角测量过程中采用的三种液体的表面能参数汇总表

由表2.13可以看出:

①水、甘油以及甲酰胺三种液体的分别使用之后沥青接触角差异不大，则可以说明沥青接触角受到这三种液体影响不大。

②使用同类型沥青分别与三种不同的液体进行接触角试验，最终得出的试验数据表明：随着液体表明张力的增大，与沥青之间的接触角随之增大。

沥青表面自由能参数计算在2.2.3节中了解到毛细管上升法可以建立固液接触角的大小。在2.2.4节中，基于控制变量法，用三种不同的液体分别测量与沥青之间的接触角，并通过分别测量三种液体与沥青之间的表明张力，计算出它们之间的表明能和自由能。基于以上测量步骤，再加入范德华自由能计算公式，就可以进一步计算出每个粉体的表面能范德华分量/及矿粉的表面自由能Lewis酸碱性分量，最终计算数据如下表2.6所示：

表2.6粉体表面能相关参数汇总表

通过分析表2.6的具体数据可以得出以下结论：随着矿粉颗粒直径的增大，其表明能各种分能也随之增大。500目以上矿粉表明能以及表明能各分能显著大于灰分的表明能以及表明能各分能。

 第三章SBS沥青改性沥青混合料路用性能影响因素分析

       3.1  正交试验因素、水平的确定与正交表的选择

TLA改性沥青混合料受到众多因素的相互影响，基于沥青类型的选择以及SBS掺量对沥青进行室内试验。但是，SBS中灰分含量不确定，在进行相关室内试验时是一个不可忽视的因素。因此在对沥青进行室内试验前，先要对SBS掺量进行研究分析。主要研究方向包括：SBS的添加方式、各材料配比率、SBS的使用量以及沥青的基本类型。正是如此，室内试验分别以SK70#、TPK70#、ZH70#等三种沥青来做试验，分为三种等级配比，其中SBS的掺量分别为0%、25%、33.3%。除此之外，还基于SBS添加方式新设了一个对照组，一组SBS的添加方式为干拌，另一组为湿拌。最终试验数据如下表3.1所示：

表 3.1 正交表 Li8 (2*X37 )

3.2 正交试验结果

基于表3.1中的试验安排，运用控制变量法进一步对每组进行再次试验。分别从材料、掺量、级配的组合进行了稳定度、动稳定度等试验，结果见表3.2、表3.3。

表3.2马歇尔稳定度正交试验结果统计表

表3.3正交试验车辙试验结果统计表

3.3正交试验结果分析

正交实验具有两种分析方法：其一为直观分析法；其二为对比分析法。

① 对比分析法

指的是对不同的实验结果进行对比，定性地加以阐析，这种方法的优点在于分析过程简洁，缺点在于说服力不足。

② 直观分析法

该方法指的是对各影响因子的平均极差值进行求取，根据这些值来进行直观的感受，其中，平均极差值指的是上限值与下限值的差值，通过直观分析法能够直观地找到与效果相关性最大的因子或因子组合。

1）各实验组合均符合标准MS值要求。

2）当掺加SBS后，对流值的影响较弱。

3）当SBS进行加湿处理后，SBS的掺量值的加大对混合料稳定度的变化不产生作用。

4）对SBS进行干加工后，沥青混合料稳定度的变异系数明显下降，且在一定范围内，SBS的掺量与混合料的稳定度呈正相关关系。

5）通过分析对比SBS干加工与湿加工后的结果，得出SBS改性沥青湿加工法收效低的原因为：改性沥青在进行搅拌之前，由于灰分发生了一定的沉淀，使得SBS改性沥青组分的分布不均，这种情况无法规避，所以在加工工艺上，一般选取干加工法以确保加工产品更佳的性能。

3.4 杭浦高速某标段SBS改性沥青应用场景

SBS 改性沥青的生产配合比验证阶段由于影响沥青质量以及其使用后路面对行驶车辆的服务能力的因素较多，本命题采用正交实验，选出具有代表性因素。将各种原料按不同比例配合而成的沥青进行混合试验，检测合格后，将进行路面试铺，然后对其实行马歇尔试验检验和沥青含量、筛分试验，在规范的原料配合比中各级颗粒的粒径情况应有0.075mm、2.36mm、4.75mm 以及公称最大粒径筛孔26.5mm 的通过率约为目标各材料的比例关系所设定的值，同时要防止在0.3mm~0.6mm这个区间出现峰值。通过上述实验来计算出可以符合正常生产的配合比。

（1）为了计算出符合标准的目标与生产配合比，对试料的制作过程要采用标准比例，生产出符合实际情况的试料。

（2）每组试件个数Superpave 方法一律用2 个，马歇尔一律用6 个。

（3）根据沥青粘度与温度的曲线确定试件的试样的成型时的温度，在等粘温度不确定的情况下，可以按照开始击实温度不低于140℃这个标准来试验，实验过程中的模具需要进行预热。

（4）通过表干法的单位体积的颗粒质量来计算出底层沥青混合料式样的密度。

（5）通过T0711真空法进行每天两次计算分析，确定沥青试料理论角度上的最大密度。同时通过计算出每天平均沥青用量来校验，二者误差小于0.005时取二者中较大的值作为标准量，在误差大于0.005时，应该分析误差产生原因，去除不当误差后再确定标准值。通过JTGF40 B·5·10 规定来计算沥青混合料的试样体积标准量

（6）为了保障试验结果的规范性、一致性，旋转压试件的各个部分操作都因该分开进行。

SBS 沥青混合料在高速上应用的拌制要求（1）在沥青伴和过程中，要记录伴和过程中的温度以及各种配料的使用剂量，同时还要测量拌合楼各阶段的材料使用量以及温度；对材料使用剂量与温度的测量自动化程度不足的拌合机不能投入使用。

（2）拌和时间由试拌确定。沥青结合料必须全部被集料颗粒包裹住，同时要规范沥青混合料的均匀度。

（3）混合材料的均匀度必须要符合标准，混合过程出现的异常现象比如是否具有花白料、冒青烟等情况，要及时分析处理。若沥青混合料质量不达标，必须对其进行回收处理，同时要找出异常原因。对沥青的大规模生产之前，工作人员还要观察沥青混合料的外部特征是否与试验样本相接近。

（4）对沥青混合料的混合过程每天都要从拌合机采取混料样本，对其进行马歇尔试验和抽提筛分试验，检测其是否符合生产标准。每班组织一次旋转压实试验。

沥青混合料的运输和摊铺沥青混合料必须严格把关运输过程中的温度，用数显热电偶温度计来对其进行测量，温度计需要插入15cm左右。运输沥青的卡车会设置有专门用来测量沥青温度的测量孔，孔口与箱底的距离大概为30cm。沥青运输车向拌合机取料过程中，运料要分堆装设，避免出现粗集料与细集料的分离。运输车应该有较高混合料的伴和能力与较快的铺设速度，为了使摊铺工作顺利进行，摊铺机前应设置5辆运料车。同时为了避免环境污染以及对混合料进行保温，运料车在卸料过程应该装设密封性良好的篷布覆盖设施。为了避免运料车与摊铺机冲撞，在摊铺过程中运料车应该与摊铺机保持安全距离，约为10到30厘米。运料车卸料过程必须挂空挡，方便摊铺机对其推进。

为了提高沥青路面的平滑度、整齐度，摊铺过程必须匀速稳定，尤其对沥青上面层。对路面的摊铺速度要依据沥青产量、机械设备的现况以及摊铺路面要求的尺寸等等来决定，按13m/min予以调整选择，摊铺过程做到缓慢、匀速、连续，摊铺过程尽可能不要间歇，禁止因为吃午饭等原因而停止摊铺。争取做到每天收工停机一次。用机械摊铺的沥青没有被压路机压实之前，工作人员要避免在路面行走，摊铺过程尽可能避免补工检修，只有在特殊情况下，如局部离析，在工程师的指导参与下，允许用人工找补或更换混合料，当施工失误比较大时，因该直接铲除相关部分，同时还需优化施工方法。通过非接触式平衡梁装置来控制下面层沥青的摊铺厚度，根据铣刨宽度配置摊铺机数量及类型；摊铺过程由两台摊铺机工作时，前摊铺机过后，摊铺层纵向接缝上应呈斜坡，后方摊铺机应跨缝5~10cm 摊铺。两台摊铺机应该保持在10cm以内的距离。

改性沥青压实成型通过压路机压实沥青混合料，对保证摊铺质量尤为重要。选择合适的机械设备以及压路方法，保障施工质量，提高成型速度，保证路面的凭证性以及提高其压实度。在混合料各项标准正常的前提下，对沥青混合料的压实过程尽可能保持比较高的温度。为了保障横向面层的压实度、平整度，禁止使用轮胎压路机进行初压。对于含有易碎的材料的沥青，一般使用轮胎压路机进行压路，尽量不使用钢轮压路机。压路过程必须要平缓、匀速，碾压速度方面要综合考虑压路类型和压路机的选择。按照下表3.4选用进行选择。

表3.4压路机机具对照表

第四章总结

本命题通过对原料的对比分析，精确对比了SBS改性沥青与传统粉改性沥青，充分研究了两者的生产流程，不同原料的配比下两种沥青的性能以及不同混合料的实用性，针对其提出了试验路后期病害调查方案，同时分析了二者的实用性以及对社会的经济效益，并得出以下分析结果。

（1）测定SBS改性沥青的软化温度、针入度以及5℃延度以及弹性恢复等性能为指标，计算制造这种沥青的各个参数标准如下：剪切时间40min, 温度170℃,速率5000r/min；测定橡胶粉改性沥青的软化温度、针入度、℃延度以及弹性恢复等性能为指标, 计算制造这种沥青的各个参数标准如下：剪切时间60min,温度200℃,速率7000r/min。

（2）综合灰分、矿粉的物理特性以及接触角试验，同种液体与多种沥青混合料相混合，其交界处的夹角度数接近，这体现了不同的沥青种类并不会对接触角的变化产生影响。

（3）不同种类的液体与同种沥青混合料进行混合的时候，接触角会有一定的差异，这体现了液体表面张力会影响到接触角的变化，液体表面张力越小，接触角越小。这一规律与粉体是同样的。

（4）根据大量的国产车辙与汉堡车辙的对比试验分析可知，SBS改性沥青相比于传统沥青其动稳定度相当大，这体现了SBS改性沥青更能适应高温状态；对不同沥青进行大量正交试验，得知SBS改性沥青相比于传统沥青其抵抗变形的能力更强，说明SBS改性沥青混合料具有更好的的低温抗裂性能。

（5）通过SBS 改性沥青的正交分析，可以得出当掺加SBS后，对流值对沥青质量的影响较小，采用湿法工艺对SBS沥青进行加工，当增加其SBS的占比量后，对沥青的动稳定性影响较小。经过大量的试验，对比干、湿法试验结果的差异性，得出采用湿法工艺加工的沥青，SBS改性沥青在加工过程中由于灰分发生了一定的沉淀，直接导致了SBS沥青量与灰分含量分配不合理，进而导致了沥青高温性能较差。在对沥青进行湿法加工时难以避免上述情况的发生，因此，为了得到性能更完善的沥青，一般采取干法加工工艺。

（6）通过杭浦高速某标段SBS 改性沥青的应用场景，在前期选材、压实、摊铺、养护阶段，SBS 改性沥青都具有非常广泛的经济和社会效益。

参考文献

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致谢

在本论文的写作过程中，我的指导老师对本论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心的指导，使我对沥青有了深刻的认识，并最终得以完成毕业论文，对此，我发自内心的表示我最衷心的感谢。感谢指导老师给予帮助，老师的高深造诣与严谨求学的治学精神将永远激励着我，在论文中给我提出宝贵意见的老师，你们督促我进一步完善我的论文内容。在此谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！

沥青在高速上的现状及问题解决

价格 ¥9.90 发布时间 2022年12月24日

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