■林瑞慧
（福建省公路水路建設投資有限公司，福州 350001）
半剛性基層瀝青混凝土路面作為我國主要的路面形式，存在的問題日益顯現，如達不到預期設計壽命和早期疲勞破壞等[1]。
深入分析瀝青混合料性能是了解路面病害成因和進行路面結構設計的基礎[2]。
要構建和完善更符合實際施工需求的路面設計理論，必須全面評估瀝青混合料的路用性能[3]。現有研究指出，SBS 改性瀝青的質量對瀝青混合料的路用性能有著顯著影響，并且SBS 的摻量直接關系到改性瀝青的性能水平。
因此，探究不同SBS 摻量下混合料的路用性能對于路面工程領域來說具有重要的研究價值[4]。
在我國，高等級公路的瀝青路面上面層通常采用較為成熟的AC 型（瀝青混凝土）和SMA 型（瀝青瑪蹄脂碎石混合料）瀝青混合料[5]。
在施工過程中，為了確保路面的耐用性和性能，面層瀝青混合料需要滿足比底基層和中面層更為嚴格的質量標準[6]。因此，本項目設計了AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的配合比，并對這些混合料進行了高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能、抗剪性能、抗壓性能、抗磨光耐久性的試驗，旨在研究SBS 改性劑摻量對瀝青混合料性能的影響，以期優化瀝青混合料的設計，提高路面的整體性能，延長道路使用壽命，提升行車安全性和舒適性。
1.1 試驗材料
1.1.1 瀝青材料
選用的基質瀝青為70# 道路石油瀝青，用于制備含有不同SBS 摻量的聚合物改性瀝青。其基本物理性能包括：針入度6.8 mm、軟化點47.5℃、延度41 cm、黏度198.8 Pa·s。
1.1.2 SBS 改性劑
在制備SBS 改性瀝青時，選用了燕山石化生產的星型SBS4303 和線型SBS1301，研究了不同種類和摻量的SBS 對改性瀝青性能的影響規律。相關的SBS 性能指標已詳細記錄在表1 中。
表1 SBS 聚合物改性劑的技術指標
1.1.3 其他材料
選用木質素纖維作為SMA 型瀝青混合料的加筋纖維。
所選用的骨料為漳平浩元玄武巖，其具備高密度、高強度和優異耐久性特點，同時有較多的天然節理。
作為填料使用的礦粉來自經過精細研磨而成的石灰巖，保證礦粉純凈無雜質。
1.1.4 試件制備
采用φ101.6 mm×63.5 mm 圓柱體試件成型，制備前將模具在烘箱中預熱1 h，將改性瀝青加熱至熔融狀態。
礦料烘干至恒重，將其放入拌合機中充分攪拌，拌和溫度依據瀝青的黏度設置。
拌和完成的瀝青混合料用小鏟再次拌勻，隨后填充到預熱的模具和套筒中。
在SBS 改性瀝青的制備工藝中，高速剪切攪拌的轉速設定為5 000 r/min，攪拌時間為40 min，溫度控制在180℃，在低溫攪拌發育階段，時間設定為2.75 h。
在SBS 聚合物改性劑的摻量方面，分別進行2%、3%、4%、5%和6%的摻量實驗。通過馬歇爾試驗，參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，結合不同油石比下瀝青混合料的各類性能指標，實驗得出，AC-13 型瀝青混合料的最佳油石比為4.96%，SMA-13 型混合料的最佳油石比為6.0%。
1.2 試驗方案
1.2.1 高溫穩定性測試
通過馬歇爾試驗測得穩定度與流值進行初步反映，再使用車轍試驗模擬現場環境，測試瀝青混合料高溫抵抗車轍能力。
1.2.2 水穩定性測試
通過浸水馬歇爾試驗測試其浸水殘留穩定度來表征瀝青混合料抗水損害、 抵抗剝落的能力；
通過在飽水狀態下凍融劈裂試驗測試其凍融劈裂強度比（TSR），評價瀝青混合料水穩定性。
1.2.3 低溫抗裂性測試
試驗分別比較不同SBS 摻量改性瀝青混合料的老化前與老化后的兩組低溫性能變化。
1.2.4 抗疲勞性能測試
采用四點彎曲疲勞壽命試驗，在疲勞試驗機上對待測混合料進行重復應變，測試其疲勞壽命。
試驗選用常應變加載模式，設定加載頻率為（10±0.1）Hz，溫度為（15±0.5）℃，恒定應變水平600 με，保持連續偏正弦波的加載波形，直到樣品的彎曲勁度模量降至初始值的一半結束試驗。
1.2.5 抗剪性能測試
采用單軸貫入試驗測試不同SBS 含量的AC-13 型瀝青混合料的貫入強度，分析評價瀝青混合料的抗剪性能。
1.2.6 抗壓性能測試
在瀝青混合料高溫條件下，采用單軸壓縮試驗確定具有不同SBS 含量的AC-13 型瀝青混合料的單軸抗壓強度，探究瀝青混合料的抗壓性能。
1.2.7 抗磨光耐久性測試
開發一套路表功能加速磨光機， 模擬輪胎-路面磨耗作用下的不同SBS 摻量AC-13 型瀝青路面抗滑性能，如圖1 所示。
利用2 個真實充氣輪胎在待測試件表面施加荷載，根據試件表面構造紋理的不同，通過調整載荷大小、更換輪胎類型及尺寸，以及改變測試環境溫度，來模擬不同接地壓力條件下的效果。
同時，在磨耗測試過程中，采用灑水和噴砂技術來增強磨耗作用，模擬不利工況。
圖1 路表功能加速磨光機
（1）試驗方法。
①按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0703 方法制備尺寸為300 mm×300 mm×50 mm 的板塊試件。
②將試件放置于磨光試驗試模中，將試件連同試模置于試驗機的移動工作臺上固定。
調節工作臺位置，使試件位于磨光雙輪組正下方并固定工作臺。
向試件加載2.0 kN，磨光輪胎組位于試件中央部位，啟動磨光輪胎組速度控制，使雙輪組以45±2 r/min 的速度對試件進行旋轉磨光，工作臺往復移動方向與試件碾壓方向相同。
開啟移動工作臺系統，使工作臺以4.5 次/min 的速度前后往返移動。
③加速加載磨耗試驗一個磨光時段時間約30 min，磨光試驗為5 個時段，即5 個時段試件被輪胎磨光12 000 次。每個磨光時段結束后，用水清洗試件表面，待試件表面干燥后進行抗滑性能檢測。
（2）BPN 數據處理。
①計算每個測點5 個擺值的平均值，作為該測點的擺值BPNT，取整數。
②擺值溫度修正：當溫度為T（℃）時擺值BPNT應按式（1）換算成標準溫度20℃。
式中：BPN20為換算成標準溫度20℃時的擺值；
BPNT為溫度T 時測得的擺值；
BPN0為溫度修正值，見表2。
表2 溫度修正值
2.1 SBS 摻量對瀝青高溫穩定性能的影響
2.1.1 SBS 摻量對馬歇爾穩定度的影響
如圖2 所示， 隨著SBS 含量的增加，AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的馬歇爾穩定性顯著提高， 這歸因于SBS 改性劑增強了瀝青的黏結作用，從而提升了混合料在高溫條件下的穩定性。
然而，當SBS 含量達到4%時，AC-13 型瀝青混合料馬歇爾穩定性的增長開始放緩，表現為曲線上升的斜率減?。?br>
而SMA-13 型瀝青混合料在SBS 含量達到4%后，其穩定性增速雖然減緩，但隨著SBS 摻量的進一步增加，穩定性的提升速度再次加快，導致曲線呈現先緩后急的走勢。
圖2 SBS 摻量對瀝青混合料馬歇爾穩定度的影響
2.1.2 SBS 摻量對動穩定度的影響
如圖3 所示，SBS 的加入顯著提升了AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的動穩定性能。當SBS 含量達到2%時，AC-13 型瀝青混合料的動穩定度為2 600 次/mm，SMA-13 型瀝青混合料為3 900次/mm。隨著SBS 含量增至5%， 這2 種混合料的動穩定度分別提高到了6 600 次/mm 和7 300 次/mm。SBS 摻量從2%增至3%時，混合料的動穩定度增幅較?。?br>從3%增至5%時，增幅顯著；
而從5%增至6%時，增幅減緩。
從試驗數據分析，4%的SBS 摻量既能保證瀝青混合料良好的高溫性能， 又兼顧了經濟因素，是較為理想的選擇。
圖3 SBS 摻量對瀝青混合料動穩定度的影響
2.2 SBS 摻量對瀝青水穩定性能的影響
2.2.1 SBS 摻量對浸水馬歇爾穩定度的影響如圖4 所示，隨著SBS 摻量的增加，瀝青混合料浸水馬歇爾穩定度和浸水殘留穩定度也相應的不斷提高，但增幅略有不同。
針對AC-13 型瀝青混合料，SBS 摻量為2%時浸水馬歇爾穩定度約為8.5 kN，SBS 摻量達到4%時浸水馬歇爾穩定度約為11.5 kN，此時增幅出現拐點，開始下降；
當SBS 摻量處于2%～5%時，浸水殘留穩定度從86.5%增加至95.5%，且增幅趨于穩定，而當SBS 摻量大于5%，浸水殘留穩定度受SBS 摻量的影響不大。
針對SMA-13 型瀝青混合料，當SBS 摻量為2%時，浸水馬歇爾穩定度約為8.2 kN，浸水殘留穩定度約為89.6%；
當SBS 摻量達到5%時，浸水馬歇爾穩定度約為11.5 kN，浸水殘留穩定度約為93.0%；
當SBS 摻量在2%～3%時，瀝青混合料的浸水殘留穩定度伴隨SBS摻量的增加而增大，但增幅較?。?br>SBS 摻量從3%開始，殘留穩定度增幅較大且趨于穩定，SBS 含量在2%～6%的范圍內，浸水馬歇爾穩定度呈現出近似線性的增長趨勢。
2.2.2 SBS 摻量對混合料凍融前后的劈裂抗拉強度影響
如圖5 所示，瀝青混合料的劈裂抗拉強度隨著SBS 含量的增加而不斷提高。
SBS 摻量為2%時，AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度分別達到1.14 MPa 和0.92 MPa；
SBS 摻量增至5%時，這一數值分別上升至1.16 MPa 和1.14 MPa。SBS 摻量在2%～3%之間，瀝青混合料的劈裂抗拉強度雖然隨SBS 含量增加而提升，但增幅相對較小；
隨著SBS 摻量的進一步增加，增幅擴大；
在SBS 摻量達到4%和5%時，AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度均出現拐點，之后AC-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度增長率放緩，而SMA-13 型瀝青混合料則表現出先升后降的趨勢。當SBS 摻量達到6%時，SMA-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度大致穩定在1.15 MPa 左右。
圖5 SBS 摻量對瀝青混合料劈裂抗拉強度的影響
如圖6 所示，隨著SBS 摻量的增加，瀝青混合料凍融后劈裂抗拉強度和凍融劈裂抗拉強度比也不斷提高，但AC-13 型瀝青混合料增幅趨勢基本相同，SMA-13 型瀝青混合料增幅趨勢略有不同。從凍融后劈裂抗拉強度分析，SBS 摻量為2%時，AC-13型和SMA-13 型瀝青混合料凍融后劈裂抗拉強度分別為0.91 MPa 和0.78 MPa，隨著SBS 摻量增加，強度增幅逐漸升高；
當SBS 摻量增至5%時，二者凍融后劈裂抗拉強度分別為0.985 MPa 和1.00 MPa，增幅開始下降。從凍融劈裂抗拉強度比值來看，SBS摻量從2%提升至5%期間，AC-13 型瀝青混合料的比值從80%增至85%，SMA-13 型瀝青混合料的比值從84.3%微增至85%。當SBS 摻量達到6%時，這一比值進一步提高至86.5%和90.2%。
圖6 SBS 摻量對瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度的影響
2.3 SBS 摻量對瀝青高溫穩定性能低溫抗裂性能的影響
如圖7 所示，隨著SBS 摻量的增加，瀝青混合料的低溫最大彎拉應變先增大后減少。在SBS 摻量分別為5%和4.5%時，AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的最大彎拉應變達到峰值。
對于AC-13 型瀝青混合料，SBS 摻量由2%增至3%時， 其抗彎拉強度由10.10 MPa 降至9.97 MPa；
當摻量增至4%，抗彎拉強度回升至10.30 MPa；
隨著SBS 摻量繼續增加，抗彎拉強度呈現波動，但總體上隨著SBS 摻量增加而上升， 波動范圍在9.95～10.35 MPa 之間，變化幅度不超過5%。
相比之下，SMA-13 型瀝青混合料的抗彎拉強度隨著SBS 摻量的增加先是上升，在4.5%摻量時達到最大值約11.50 MPa，隨后強度下降。
抗彎拉強度的提升通常伴隨著最大彎拉應變的增加，從而改善了瀝青的低溫抗裂性能。
因此，在4.5%的SBS 摻量下，SMA-13 型瀝青混合料展現出最佳的低溫抗裂性。
圖7 SBS 摻量對瀝青混合料低溫抗彎拉強度和應變的影響
如圖8 所示，在低溫環境中，SBS 摻量增加對瀝青混合料彎曲勁度模量產生了顯著影響。當SBS 摻量從2%增至3%，彎曲勁度模量下降最快。
隨著SBS摻量繼續提高，試驗曲線開始趨于平緩。到達5%的SBS 摻量時，AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的彎曲勁度模量降到了最低點，分別為2 550 MPa 和2 660 MPa。
瀝青彎曲勁度模量越小，抵抗變形的能力越好，瀝青的低溫抗裂性就越好，此時的低溫抗裂性達到最佳。然而，當SBS 摻量繼續增加，彎曲勁度模量逐漸變大，低溫抗裂性逐漸降低。
圖8 SBS 摻量對瀝青混合料低溫彎曲勁度模量的影響
2.4 SBS 摻量對瀝青抗疲勞性能的影響
如圖9 所示，AC-13 型瀝青混合料的疲勞壽命隨著SBS 摻量增加逐漸增加，初始階段增加較為緩慢，隨后加速，最終趨于穩定。
當SBS 摻量達到6%時，疲勞壽命達到峰值，約為23 500 次。
但根據整體曲線的放緩趨勢可以判斷出，疲勞性能仍存在可增長的些許空間，且AC-13 型瀝青混合料的疲勞性能應存在一個臨界點。
對于SMA-13 型瀝青混合料，SBS 摻量的增加對其疲勞壽命有一定影響，表現為一條平滑的增減曲線。
隨著SBS 摻量的增加，疲勞壽命先上升后下降， 并在5%的摻量達到最高值，為24 500 次。
疲勞壽命次數越高，瀝青的抗疲勞性越好，此時SMA-13 型瀝青混合料的抗疲勞性達到最佳。
圖9 SBS 摻量對瀝青混合料疲勞壽命的影響
如圖10 所示，瀝青混合料的UTM 初始勁度模量隨著SBS 摻量的增加呈現出中間快兩頭慢的下降趨勢。
勁度模量越大，抗變形能力越差，抗疲勞性能越差。AC-13 型瀝青混合料的初始勁度模在SBS 摻量為6%達到最小值，約為5 200 MPa，且整體下降趨勢表明勁度模量仍有進一步降低的空間，這將有利于提高材料的抗疲勞性能。
SMA-13 型瀝青混合料的UTM 初始勁度模量隨著SBS 摻量的增加逐漸降低直至放緩。當SBS 摻量從2%增加到3%時，UTM 初始勁度模量由6 500 MPa 下降至6 300 MPa；
當SBS摻量增至4%時，勁度模量大幅下降至5 400 MPa；
但隨著SBS 摻量由4%增加至6%時，勁度模量在一個相對穩定的范圍內（5 250～5 400 MPa）波動，此時瀝青的抗疲勞性能達到最優狀態。
圖10 SBS 摻量對瀝青混合料初始勁度模量的影響
2.5 SBS 摻量對瀝青單軸貫入強度的影響
進行5 組不同SBS 改性劑摻量（分別為2%、3%、4%、5%、6%） 的AC-13 瀝青混合料試件在20℃、40℃和60℃3 個溫度條件下的單軸貫入強度試驗。將試驗得出的貫入強度作圖擬合，如圖11 所示。
圖11 貫入強度隨摻量變化的關系
隨著溫度從20℃升高至60℃， 相同SBS 摻量的AC-13 瀝青混合料貫入強度逐漸降低。
在相同溫度條件下，隨著SBS 摻量的增加，混合料的貫入強度普遍上升，例如在20℃時強度從10.5 MPa 增至12.7 MPa，40℃時強度從3.9 MPa 增至6.0 MPa，以及60℃時強度從1.1 MPa 增至2.1 MPa。
但當SBS 摻量從4%增至5%時，混合料貫入強度的增幅變小或甚至不再增長， 這是因為SBS 用量較少時，增加SBS 用量能增強SBS 改性瀝青的黏結性能及集料間的黏聚力，但當SBS 用量過多，則吸收過多的瀝青油分，減少瀝青的輕質組分，進而降低與集料的黏結能力。按照密級配原則構成的結構，瀝青混合料的強度主要依賴于瀝青黏結料的黏聚力，輔以集料間的嵌擠力和內摩擦阻力。混合料中的瀝青膠結接材料將集料進行黏結，形成有機整體。
黏結性較高的瀝青能夠賦予瀝青混合料較大的黏滯阻力和黏聚力，從而增強瀝青混合料的整體強度。
2.6 SBS 摻量對瀝青單軸抗壓強度的影響
5 種不同的SBS 改性劑摻量下AC-13 型瀝青混合料試件的單軸抗壓強度試驗結果見表3、圖12～13。
圖12 不同溫度、摻量的最大荷載
圖13 不同溫度、摻量的抗壓強度
表3 摻量AC-13 瀝青混合料單軸壓縮試驗數據
相同溫度條件下，SBS 摻量對混合料抗壓強度影響較為顯著，隨著SBS 摻量的增加，抗壓強度逐漸增大。
如在40℃下，當SBS 摻量從2%增加至6%，抗壓強度從1.42 MPa 提升至1.93 MPa，增幅達到35%；
在50℃下，抗壓強度從0.96 MPa 增至1.39 MPa，增幅為45%；
而在60℃時，抗壓強度則從0.75 MPa 顯著提高到1.32 MPa，增幅高達76%。
產生這一現象的原因是，在單軸壓縮試驗中，未施加側限壓力（無側限）的瀝青混合料在初始階段會發生集料的遷移與壓密，隨著壓實過程的完成，繼續加載時混合料會向外膨脹并最終出現開裂破壞。而SBS 改性劑結合了橡膠的彈性特性和樹脂的熱塑性能，隨著SBS摻量的增加， 瀝青的回彈性能和黏結性能大大提高，從而使得混合料在向外擠脹的過程中具有更強的性能。
溫度由40℃升高至50℃時，相同SBS 摻量瀝青混合料的抗壓強度衰減幅度最大是在摻量2%時，抗壓強度衰減了32%；
衰減幅度最小是在摻量5%時，抗壓強度衰減了25%。溫度由50℃升高至60℃時，抗壓強度衰減幅度達到最大是在摻量2%時，抗壓強度衰減了22%；
衰減幅度最小是在摻量6%時，抗壓強度衰減了5%。
因此，可以得出結論，試驗過程中溫度從40℃升至60℃時，隨著溫度的升高以及SBS摻量的增加，SBS 摻量對抗壓強度的影響愈加顯著。
2.7 SBS 摻量對瀝青抗磨光耐久性的影響
不同SBS 摻量AC-13C 車轍板試件150 min磨光周期BPN 變化曲線如圖14 所示。
隨著SBS 摻量的增加，AC-13 型瀝青混合料的BPN 值越大，這是由于隨著SBS 摻量的增加，SBS 改性劑的模量遠比集料的小，瀝青混合料整體剛度降低，從而增大了擺式儀橡膠片與車轍板的接觸面積，接觸面積越大，擺值越大。進行了150 min 磨光周期試驗后，2%SBS 摻量的車轍試驗BPN 值下降最多，這由于SBS的摻量較低對瀝青性能提高較少， 試驗過程中，水對瀝青膜有乳化作用，使瀝青膜變薄，瀝青黏聚力降低，同時混合料受到輪胎壓力、摩擦力和離心力作用，瀝青膜在集料表面分布不均勻，尖角處瀝青膜較薄，在應力作用下容易破裂，使瀝青膜從集料表面剝落，黏結力下降，造成集料容易從混合料中掉落，抗磨光耐久性降低。
當SBS 摻量大于2%后，BPN 值下降的趨勢較為一致，這是因為當摻量大于2%，SBS 改性劑充分吸收了瀝青中的輕油組分，使非極性的輕油組分轉變為極性較大的膠質和瀝青質，瀝青的極性分量增加，由極性分量產生的黏附功也更大，因此，使瀝青與集料的黏附性能更好，抗磨光耐久性更強。
圖14 不同SBS 摻量AC-13C 車轍板試件150 min磨光周期BPN 變化曲線
在瀝青路面工程中，穩定性和耐久性是關鍵的性能指標，它們受到多種因素的影響，包括原材料特性、混合料設計以及改性劑的使用。
本文聚焦于SBS 改性劑對瀝青混合料性能的影響，并得出以下結論：（1）SBS 改性劑含量的提升能夠增強瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性和低溫穩定性，但這種增強效果在SBS 摻量超過5%后增長放緩。
特別是當SBS 摻量超過5%，瀝青混合料的低溫性能反而會下降，因此推薦的SBS 最佳摻量應在4%至5%之間。此外，隨著SBS 摻量的增加，瀝青混合料的初始勁度模量降低，但疲勞壽命延長，表明耐久性能得到了提高。
（2）溫度對瀝青混合料的抗壓和抗剪強度有顯著影響。
在相同的SBS 摻量下，隨著溫度升高， 瀝青混合料的抗壓和抗剪強度會逐漸下降。（3）在相同的溫度條件下，增加SBS 摻量會導致瀝青混合料的抗壓和抗剪強度上升。
（4）通過旋轉磨光試驗， 在加載2.0 kN 和45±2 轉/min 的條件下，SBS 摻量越高，瀝青混合料的抗磨光耐久性越好。
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