中亞高寒地區(qū)SBS改性瀝青試驗研究及推廣應(yīng)用

摘 要：本文以哈薩克斯坦TKU公路改造項目為依托，進(jìn)行中亞高寒地區(qū)SBS改性瀝青試驗研究，對哈薩克斯坦基質(zhì)瀝青摻加不同比例的SBS改性劑、橡膠油，制備相應(yīng)的SBS改性瀝青，并對樣品進(jìn)行試驗檢測，得出滿足不同氣候分區(qū)要求的改性瀝青配合比，為SBS改性瀝青在哈薩克斯坦等中亞地區(qū)不同氣候分區(qū)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：哈薩克斯坦;改性瀝青;SBS改性劑;性能檢測;氣候分區(qū)

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

哈薩克斯坦共和國屬于典型的大陸性氣候，夏季炎熱干燥，冬季寒冷漫長，氣候條件極其惡劣，四季和晝夜溫差較大。哈薩克斯坦現(xiàn)有道路年代久遠(yuǎn)，病害嚴(yán)重，運(yùn)輸能力有限，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。為此哈薩克斯坦啟動了“光明大道”新經(jīng)濟(jì)計劃，將加強(qiáng)運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以重點(diǎn)口岸帶動周邊地區(qū)發(fā)展，加強(qiáng)地區(qū)間公路、鐵路和航空運(yùn)輸能力。在此背景下，中信建設(shè)承接了哈薩克斯坦TKU公路改造項目，本文依托此項目開展研究。受當(dāng)?shù)靥厥鈿夂驐l件影響，項目新建道路必將面臨長期、反復(fù)的夏季高溫、冬季嚴(yán)寒，以及融雪季節(jié)頻繁的凍融侵害，普通瀝青混合料路面的長期使用壽命難以保障。改性瀝青技術(shù)在國內(nèi)已具備相當(dāng)成熟的應(yīng)用，大量工程案例證明使用改性瀝青能夠大幅提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性，提高瀝青路面的使用壽命。

經(jīng)項目前期調(diào)研，哈薩克斯坦尚未大規(guī)模使用改性瀝青，本文通過對不同配方的SBS改性瀝青進(jìn)行室內(nèi)試驗研究，為哈薩克斯坦等中亞國家SBS改性瀝青的生產(chǎn)和使用提供參考依據(jù)。

1 哈薩克斯坦瀝青路面現(xiàn)狀及病害分析

哈薩克斯坦為地處中亞的內(nèi)陸國，國土幅員遼闊。屬嚴(yán)重干旱的大陸性氣候，夏季炎熱干燥，冬季寒冷少雪。1月平均氣溫-19℃至-4℃，7月平均氣溫19℃至26℃。冬季最低溫度能下降到-45℃，夏季高溫可達(dá)40℃以上，全年溫差可達(dá)80℃，是典型的高寒地區(qū)。其公路中大部分于二十世紀(jì)六十年代至八十年代完成設(shè)計施工，道路年久失修、病害嚴(yán)重，主要為裂縫、車轍、坑槽和松散等質(zhì)量病害，嚴(yán)重影響公路運(yùn)輸能力。

以上路面病害的形成，一是其所處高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)所致;二是其道路年久失修;三是當(dāng)?shù)刂芳夹g(shù)相對落后，大多沿用自前蘇聯(lián)，未能跟上當(dāng)今國際新材料新技術(shù)潮流。哈薩克斯坦常用的基質(zhì)瀝青質(zhì)量不穩(wěn)定，100/130#基質(zhì)瀝青針入度實測值接近規(guī)范下限，經(jīng)常會出現(xiàn)不合格情況。瀝青針入度偏低會影響瀝青混合料的低溫抗裂性，影響瀝青路面質(zhì)量。

2 SBS改性瀝青在中國同類地區(qū)的應(yīng)用

中國新疆地區(qū)和哈薩克斯坦氣候類型極為相似，SBS改性瀝青由于其良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，能夠有效地提高路面的使用壽命，在新疆已得到了廣泛的使用，已有17年的使用經(jīng)驗。

截至2020年底，中國高速公路通車?yán)锍桃殉^14萬公里（其中新疆高速公路總里程突破5 500公里），高速公路上面層基本都采用改性瀝青，其中95%以上改性瀝青為SBS改性瀝青。經(jīng)過多年使用，中國的SBS改性瀝青技術(shù)及生產(chǎn)工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，且通過使用SBS改性瀝青，中國高等級公路的質(zhì)量有了進(jìn)一步的提升。

3 SBS改性瀝青配合比研究

3.1 原材料

本試驗研究采用的瀝青為巴浦洛達(dá)爾及里海瀝青廠生產(chǎn)的БНД100/130基質(zhì)瀝青，改性劑采用俄羅斯“SBS L30-01”，橡膠油采用俄羅斯“Uniplast”。

3.2 改性瀝青制備工藝及配合比方案設(shè)計

首先將基質(zhì)瀝青在剪切機(jī)中加熱至120℃，然后加入橡膠油“Uniplast”攪拌30～40分鐘，將瀝青和橡膠油的混合料加熱至160℃，之后逐步加入聚合物改性劑“SBS L30-01”，將溫度升至170℃～175℃，剪切約4小時（若發(fā)現(xiàn)改性瀝青中還有大顆粒改性劑，可以適當(dāng)延長剪切時間）后得到改性瀝青樣品。SBS改性瀝青制備試驗方案見表3-1。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 改性瀝青常規(guī)試驗結(jié)果

按照СТ РК 2534-2014[2]試驗規(guī)程對按表3-1制備的4種SBS改性瀝青分別進(jìn)行性能指標(biāo)檢測，試驗結(jié)果見表3-2。

從表3-2四種摻配比例的改性瀝青試驗數(shù)據(jù)可知，摻入1.8%橡膠油和3.0%SBS改性劑或摻入3.0%橡膠油和3.5%SBS改性劑所得的改性瀝青標(biāo)號為50/70;而摻入2.5%橡膠油和3.0%SBS改性劑或摻入3.5%橡膠油和3.5%SBS改性劑所得的改性瀝青標(biāo)號為70/100。所得的不同標(biāo)號的改性瀝青均符合規(guī)范СТ РК 2534-2014[2]的要求。

通過上述試驗數(shù)據(jù)可知，SBS聚合物改性瀝青中“SBS L30-01”改性劑的合理摻量為瀝青質(zhì)量的3.0%～3.5%。

3.3.2 檢測改性瀝青的高溫和低溫性能

通過DSR動態(tài)剪切試驗和低溫彎曲蠕變BBR試驗測定上述4種SBS改性瀝青Superpave技術(shù)規(guī)范的高溫和低溫性能。試驗結(jié)果見表3-3：

由表3-3試驗數(shù)據(jù)可知，基質(zhì)瀝青添加1.8%橡膠油+3%SBS配制的瀝青膠結(jié)料勁度S（MPa）和速率m-value滿足-34℃條件下Superpave低溫穩(wěn)定性的要求;

基質(zhì)瀝青添加2.5%橡膠油+3%SBS配制的瀝青膠結(jié)料和添加3.0%橡膠油+3.5%SBS配制的瀝青膠結(jié)料的勁度S（MPa）和速率m-value滿足-40℃條件下Superpave低溫穩(wěn)定性的要求;

基質(zhì)瀝青添加3.5%橡膠油+3.5%SBS配制的瀝青膠結(jié)料的勁度S（MPa）和速率m-value滿足-46℃條件下Superpave低溫穩(wěn)定性的要求。

改性瀝青的高溫穩(wěn)定性分別為：

基質(zhì)瀝青+1.8%橡膠油+3.0%SBS—71.5℃;

基質(zhì)瀝青+2.5%橡膠油+3.0%SBS—63.2℃;

基質(zhì)瀝青+3.0%橡膠油+3.5%SBS—69.8℃;

基質(zhì)瀝青+3.5%橡膠油+3.5%SBS—67.5℃;

通過上述分析，得出不同外加劑摻量制備的改性瀝青PG分級如表3-3所示。

參照以下哈薩克斯坦氣候分區(qū)圖可見，本文選配的四種SBS改性瀝青配合比設(shè)計方案能夠滿足哈薩克斯坦各種氣候分區(qū)要求，在實際施工時可依據(jù)項目所在地不同的氣候分區(qū)合理選用，為SBS改性瀝青技術(shù)在哈薩克斯坦等中亞地區(qū)的推廣及應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

4 哈國既有應(yīng)用案例

在哈薩克斯坦A-2公路（霍爾果斯-阿拉木圖-奇姆肯特-烏茲別克斯坦邊境）鋪設(shè)了500米SBS改性瀝青SMA-20試驗段，其SBS改性瀝青的配方與TKU公路改造項目的試驗配方相似。經(jīng)過檢測，所鋪設(shè)的SMA-20改性瀝青混合料各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。經(jīng)過現(xiàn)場相關(guān)試驗檢測，通車后的SBS改性瀝青路面高溫和低溫性能較好，路況較普通瀝青路面路況較好，無車轍、裂縫等質(zhì)量問題。

在哈薩克斯坦已有SBS改性瀝青試驗段施工，結(jié)合本文的相關(guān)研究，可以在哈薩克斯坦不同的氣候分區(qū)分別開展SBS改性瀝青的試用，為其在哈薩克斯坦等中亞地區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)幫助。

5 結(jié)論及建議

通過對四種不同配比的改性瀝青進(jìn)行試驗研究可知，各摻配比例的改性瀝青均能夠滿足規(guī)范要求。

四種比例的改性瀝青PG分級分別為PG64-46、PG64-40、PG58-40、PG70-34能夠滿足哈薩克斯坦各種氣候分區(qū)（圖3-1）的要求，在實際施工時可依據(jù)項目所在不同的氣候分區(qū)合理選用改性瀝青配合比。

本次是通過試驗室制備改性瀝青樣品進(jìn)行研究試驗，在工廠或現(xiàn)場生產(chǎn)時需依據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行微調(diào)。

哈薩克斯坦常用的另外兩種100/130#基質(zhì)瀝青（里海、奇姆肯特）試驗指標(biāo)和巴浦洛達(dá)爾有較大差距，這兩種基質(zhì)瀝青對應(yīng)的改性瀝青配合比需經(jīng)過試驗研究確定。

綜上所述，哈薩克斯坦現(xiàn)有公路病害嚴(yán)重，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，其路面質(zhì)量病害的主要原因為瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及瀝青和集料的粘附性較差，急需優(yōu)質(zhì)瀝青。而SBS改性瀝青有較好的高溫穩(wěn)定性、良好的低溫抗裂性，能夠提升抗老化和抗疲勞性能，改善和集料的粘附性，能夠有效延長路面的使用壽命。因此在哈薩克斯坦使用SBS改性瀝青非常有必要，而且有非常廣闊的應(yīng)用前景。

通過本文的研究，為SBS改性瀝青技術(shù)在哈薩克斯坦及其他中亞國家公路領(lǐng)域的推廣和使用提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]哈薩克斯坦技術(shù)法規(guī)與質(zhì)量委員會.CT PK 1226-2003，瀝青針入度測定方法[S].

作者簡介：魏慶剛（1979-），男，山東陽谷人，本科，高級工程師，研究方向：公路工程。