高黏度改性沥青性能及在透水沥青路面中应用效果分析

高黏度改性沥青性能及在透水沥青路面中应用效果分析

黄灿奎

身份证号码：44050619930220071X

摘要：相较于已经大规模应用和扩展的密级配沥青混凝土（AC）、玛蹄脂碎石沥青混合料（SMA）、近些年来在基于传统的开级配磨耗层沥青混合料（OGFC）的研究基础上逐步引入和发展了新型的透水沥青路面（PA或PAC），由于其独特的特点较普通沥青路面功能更为突出，逐步成为从事道路技术人员的聚焦点。而高黏度改性沥青是透水性沥青路面发挥作用的主要原材料之一，其品质的高低直接影响到透水性沥青路面性能的优劣，因此高黏改性沥青正逐步成为海绵城市透水路面功能评价和应用研究的热点问题之一。通过高黏度原材料组成和现行主流的生产工艺过程，结合规范标准对高黏度沥青的评价方法、技术指标和性能要求，并通过已建成的透水路面项目在实际交通行驶中的效果，对部分国内外透水路面结构进行分析，对透水路面应用效果展开探讨和研究。

关键词：高黏度改性沥青、相关性能评价要求、透水沥青路面应用效果

引言

透水沥青路面在国外通常称为多孔隙沥青路面（Porous Asphalt Pavement），即其混合料孔隙率一般在18%以上，厚度一般为4～5cm的路面表层。由于其多孔隙结构特征，降水情况下雨水渗入路面内部并横向排出，从而消除严重影响行车安全的路表水膜，并具有降低交通噪音等特征。这种路面在雨雾天气里具有良好的抗滑和透水性能，因此又被称为透水沥青路面。近20年来，我国一些大中城市开始将透水性路面应用于高速公路、城市广场、停车场、人行道等工程中。在实际应用更加注重这种沥青路面的透水功能，即通过快速引导雨水、从而有效消除路面雨水径流来提高雨天交通行车安全。

透水沥青路面所使用的成品改性高黏度沥青对集料有持续的握裹力、较高的黏附力、较强的抗剥落性，并且能以较厚的薄膜包覆骨料，从而保证透水沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、抗飞散性、水稳定性、抗老化和抗疲劳性等耐久性要求。

1、高黏度改性沥青原材料生产工艺

针对我国长期以来铺设透水沥青道路出现的寿命短、骨料飞散、强度低等很不成功的现状，寻求研制出一种能够确保透水沥青路面高强度、高稳定性、耐久性性能好、水稳定性、透水寿命长等高品质的透水沥青道路用成品高黏度改性沥青。

1.1原材料组成

在传统70号或90号优质的道路石油沥青的基础上、或在SBS类改性沥青I-C级、I-D级沥青的基础上、以一定比例掺入添加进苯乙烯－丁二烯－苯乙烯、甲基丙烯酸、稳定剂、黏接剂、引发剂等混合组成为成品高黏度改性沥青。

1.2生产工艺

成品高黏度改性沥青是经过专业生产设备，采取特殊的生产工艺，通过长时间充分的物理研磨和化学改性后经过高速搅拌后生产的一种高黏度改性沥青。使添加剂分子均匀的包裹沥青分子，确保成品高黏度改性沥青的高品质、高性能。而采用高黏剂直接投入沥青拌合楼短时间在不到1分钟内生成的高黏沥青，无法使添加剂与沥青的充分融合，无法保证高黏沥青的质量，更无法保证透水沥青道路质量。目前较为成熟的高黏度改性沥青生产工艺流程详见下图1.1。

图1.1 生产工艺流程图

 图示字符意义：P1 高温罐、R1、R2溶胀罐、P2胶体磨、R3、R4发育罐、WN储存罐。      

2、高黏度改性沥青性能和技术要求

2.1高黏度沥青和普通改性沥青主要差异

高黏度改性沥青相较于普通道路使用的改性沥青，在一定的设备工艺和温度条件下通过掺加高分子材料（目前主要以高黏度添加剂为主）制备，成品具有较高动力黏度，在规范的马歇尔稳定度和流值的技术要求下，还具备抗飞散、抗水损害等性能技术要求的改良改性沥青。其与普通改性沥青最大的区别在于60℃动力黏度指标差别，高黏度沥青的60℃动力黏度远高于普通改性沥青的动力黏度，其值基本大于100000Pa·s且高于规范要求。

普通改性沥青修筑的透水沥青路面施工后不久，在夏季高温环境和繁忙的重载交通条件下，就出现了路表骨料飞散和严重的车辙变形。经过大量的理论专题研究和施工应用，在添加了高黏度成品改性沥青后，弥补了常见透水沥青路面的抗飞散、抗车辙变形的缺陷特点，出自透水沥青路面的耐久性和功能的持续性的考虑，高黏度改性沥青被较多地使用。

2.2添加高黏剂对高黏度沥青性能影响

高黏剂是以高分子聚合物为主要成分，以增强沥青绝对黏度、增强集料与沥青之间的黏结性能为目的，经过一定设备、工艺合成并制备成为均匀颗粒状的改性材料。

根据日本对成品高黏沥青放在高倍显微镜下观察，添加剂分子均匀的包裹基质沥青分子，对于骨料的握裹力均高于沥青分子对于骨料的握裹力，这就体现在它的高韧黏性100.8 N•m，高韧性为53.8 N•m，60℃动力黏度为124597.3 Pa•s。而采用即直投式高黏沥青生产出来的高黏度沥青对于骨料的握裹是大部分沥青分子与少部分高黏剂分子对骨料的握裹，由于沥青分子对于骨料的握裹力低于高黏剂分子对于骨料的握裹力，因此直投式高黏沥青握裹力下降，其结构不相同、性能不相同、质量不相同、寿命也不同。

2.3高黏度改性沥青技术评价

根据国内外目前相关标准和针对材料适宜性应用的要求，在我司试验室进行对高黏度改性沥青进行试验，试验结果见表2.3，检验依据参考住建部颁发的推荐性标准CJJ/T 190-2012《透水沥青路面技术规程》，试验结果均满足要求，高黏度改性沥青的技术要求详见表2.3。

表2.3 高黏度改性沥青试验结果和技术要求

3、高黏度改性沥青的优点

3.1生产优势。成品高黏度改性沥青可以长途运输，可以长时间储存，不会变质。使用时加热输送到沥青拌合楼，按照一定比例与骨料混合，生产出透水沥青道路用高黏度沥青混合料，按国家规范要求铺设透水沥青道路。传统沥青拌合站无需增加设备，无需增加摊铺和辗压设备。

3.2低碳环保、节约原材料、响应碳中和理念。透水沥青路面空隙率为18%～25%，在同等质量情况下，比传统沥青路面大20%以上，油石比和比重与传统SMA相比低得很多，因此，透水沥青路面可节约原材料20%以上。根据2014年统计，全国使用沥青混合料4.8亿吨，如果都采用透水沥青道路，可节省沥青混合料9600万吨，其中节省沥青480万吨，大大减少二氧化碳的排放。

降低路面PM 2.5污染，减少周围雾霾天气。透水沥青道路采用高韧高弹性能沥青，具有高抗磨耗性，大大减少行车产生的橡胶轮胎与沥青的微粒污染，路面的空隙又可将微粒吸收，下雨天时被冲洗，减少PM 2.5污染，清新空气，减少城市雾霾天气。

3.3提高耐久性。高黏度改性沥青可以提高透水沥青混合料的抗水稳定性、抗车辙能力和抗飞散损坏，提高路面耐久性，适用于高温气候条件和重载交通条件。透水沥青道路沥青和骨料之间是点接触，按空隙存在的三种形式分为有效空隙、无效空隙、半有效空隙，总空隙为18%～25%。该结构形式要求高黏度改性沥青必须具有与传统普通沥青无法比拟的高强高弹、耐久、抗老化的特点。

4、高黏度改性沥青在透水路面应用效果分析和评价

4.1降低路表和路面内部温度，缓解周边地区热岛效应。这主要得益于透水沥青路面内部的多空隙连通通道，这些多空隙形成的连通通道有利于路表高温的消散，不致于集中在路表面，大空隙能够迅速排出受到太阳辐射的热能，有效抑制夏日路表温度的显著升温，利用其多空隙构造，路表太阳产生的热量往基层深处传递，能使热量逐步衰弱，从而降低了路面内部温度，进而提高路面的高温稳定性和耐久性。基于经验的统计表明，夏季的常见沥青路面路表能达到约55～65℃，而透水沥青铺设的路面，夏季路表温度能够相比同地区的传统沥青路面降低约8～10℃。透水沥青路面也因此能够缓解黑色沥青路面吸热导致的夏季热浪现象，提高交通车辆出行和周边居民的舒适度。

4.2降低路面噪音，减少噪音污染。降低车辆行驶过程中与路表摩擦的交通噪音（吸收发动机等的机械噪音，缓冲轮胎噪音等），减少噪音污染，提高周围人居环境质量。透水沥青路面有20%左右的空隙，透水沥青路面构造深度大且存在大量的空隙，这些较大范围孔隙和相互连通通道形成一个消散空间让轮胎与路面摩擦接触产生的噪音逐渐被吸收，在轮胎行驶转动过程、振动过程中吸收、声能逐渐衰减至消失，因而具备良好的吸音弱噪性能，从而降低路面噪音。经国内华南理工大学、武汉理工大学对透水沥青道路的实际检测，透水沥青路面噪音：比SMA路面和普通沥青混凝土路面降低至少3dB～4dB。

4.3改善雨天和夜间行驶的舒适性，提高车辆行驶安全性，减少行车事故。由于其路表面开级配的组成，通过内部互相连通空隙的渗流和分支透水作用，能迅速降低路表积水水位和消散短期的急剧降水，能够减少行车溅水和水珠分散雾化现象，提高驾驶视线，减少雨天夜间灯光的路面反射、减少炫目，减少雨天交通事故率。根据日本道路公团公开的统计资料，使用透水沥青混合料的路面， 高速公路交通事故数量每年从2981件降低为488件，铺设透水沥青混合料路面后，雨天事故率与普通路面晴天事故率较为相近，事故率的数据表明，在其统计路段内有效减少了雨天交通事故率约8成。

4.4抗滑性能高，减少行车制动距离，显著提高交通安全。透水沥青路面目前在国外已经大范围使用，在国内也已经呈逐步扩大化地趋势开始推广，笔者通过对深圳市部分透水路面的摆值和构造深度进行检测，发现PAC路面实测BPN值可达70以上，新建PAC路面构造深度基本上能达到2mm以上，均远超出规范中的技术要求，抗滑的两个主要指标明显优于传统的沥青路面，说明PAC路面具有较好的抗滑性能。其表面较大的构造深度和突出被沥青膜紧紧包裹的粗骨料会增加与行车轮胎的摩阻力，和普通道路沥青路面同等路况相比，能减少刹车制动距离，表现出良好的抗滑特性。雨天路表的积水可以通过透水沥青路面内部通道迅速排除，进而消除路表水膜，并增大轮胎与路面之间的摩擦阻力，在降雨环境驾驶的抗滑安全特性显得尤为突出，减少了行车制动距离，提高了行车安全性。

4.5路面空隙受透水路面结构的影响，透水功能出现变化。透水沥青路面结构多采用单层结构，路面厚度主要区间在25～40mm之间，40mm厚度的占据大多数，路面类型以PA-13、OGFC-13为代表，笔者查阅相关资料搜集了部分国内外相关道路项目，汇总了部分透水沥青路面工程应用情况，详见表4.5。大部分实体工程在通车2～4年内运营状况良好，没有出现大的功能缺陷，个别在使用3年左右出现空隙堵塞现象，渗水功能下降，少数出现了不同程度的病害；主要是由于单层透水沥青路面表层采用的是较大工程粒径集料主导的开级配，细颗粒泥土和灰尘在行车过程中容易随着气流卷入或路表径流进入单层路面内部，随着时间会逐步堆积和积堵，在路面运营后未能及时对透水沥青路面进行清扫和路面洁净度的维护，从而导致透水路面形成堵塞，减少了路表下的大范围孔隙，致使透水路面失去透水降噪等功能。

表4.5 透水沥青路面工程应用情况

现阶段较大规模应用的透水路面主要是双层结构，有别于初期的单层结构，主要是通过将透水沥青路面在单层的路面结构上进行改良及优化其使用性能。结构层次一般设计搭配为细骨料+粗骨料（上面层采用细骨料，下面层铺筑粗骨料）。双层结构的功能性较单层透水沥青路面更好，优势也足够明显，弱化了单层透水路面的缺点，补充了其不足，下层采用的粗骨料在保证其路面透水功能和抗滑性能不受较大的影响的前提下，能够避免车辆行驶过程中产生的尘土和杂物堵塞路表的孔隙结构中。

双层透水沥青路面的上面层是以公称最大粒径不超过13.2mm为代表的细集料组成结构，而下面层以公称最大粒径大于16mm为代表的为粗集料组成结构的双层，这两层由粗细集料组成的结构层组成了透水沥青路面。上面层的细料多孔隙结构在路面上形成相对比较密闭的结构能够有效地阻挡粗颗粒的尘土掉入下面层，起到一个过滤的作用，形成一道保护屏障；下面层粗集料多孔隙结构得到上层的细级配多孔结构的过滤和阻挡之后，大大减少了了尘土和杂物进入孔隙结构堵塞概率。同时由于较粗粒径的尘土和杂物大部分被上面层结构过滤性地阻挡在上面层细料之外，结合目前道路的日常维护水平，使用现有的路面清洁技术能够很好地清理掉上面层及其以上的粗颗粒粒径的尘土。当交通量较大的透水沥青路面路段上行驶的各类车辆，特别是泥头车等，要采取加盖防护措施，避免车内物品散落，污染、堵塞路面空隙。为了保持透水沥青道路的透水性能，有条件的应每半年高压冲洗或负高压吸附，清洁空隙中污染物，延长路面透水寿命。

5、结语

高黏度改性沥青作为一种新型推广的黏韧性能优异的有机胶结材料（其60℃的动力黏度实测基本≥100000Pa·s，黏韧性和韧性更是远超普通的改性沥青），与粗细集料黏结包裹效果较好（尤以碱性石料黏附包裹为佳），在PA、PAC透水沥青混合料受到紫外线、空气、高低温、大气降水等不利气候因素影响下，充分发挥其自身的优点，能保证透水沥青混合料在满足现行规范技术要求的前提下，保持在浸水稳定性的基础上、同时具备高温稳定性与低温抗裂性。随着高黏度添加剂品种种类的研发和改良，高黏度改性沥青的性能各项指标较常见的基质石油和改性沥青而言，添加了高黏度等外掺剂后明显改善了道路石油沥青的性能，因此选用合适高黏度改性沥青这种新型改良材料在透水沥青路面（PA、PAC）施工应用和推广在具有重要的实用意义价值和潜在的趋势发展需求。

国外相关理论发展和专项课题研究起步较早，在美国和日本的施工技术和专业理论研究趋向成熟，在上个世纪末已在一些地区开展并大范围使用。相对而言，国内引入研究时间较短，主要以参考和借鉴国外的相关技术资料为主，国内相关规范和工程技术性文献较少，可用于施工指导的理论尚存空白。但发展速度和趋势较快，趋势逐步往高等级类型的道路项目里推广使用。在国内目前主要集中在华东、华南沿海等降水丰富的地区，在湿润雨水环境中新建项目透水功能良好，基于上述应用结果分析能有效地减少交通事故率，提升了行驶安全。但透水沥青路面和密级配沥青路面相比也存在着弱势和不足，在道路交通运营过程中路面的耐久性不足和由于其多空隙构造容易堵塞引起的透水性能下降是目前遇到的主要功能性缺陷和质量通病问题之一，也是目前沥青路面领域相关学者和专家研究的主要课题。耐久性不足和功能性下降随着交通量的增加（尤其在重载交通和极重交通路段）和后期养护管理工作的缺失会逐步发展为病害，因此，目前研究方向和课题主要集中在透水沥青混合料耐久性改善和路表空隙堵塞的清洁养护。

参考文献：

[1]《透水沥青路面现状与发展》——杨星皓等.

[2]住房和城乡建设部推荐性标准：《透水沥青路面技术规程》CJJ/T 190-2012.

[3]交通运输部推荐性标准：《排水沥青路面设计与施工技术规范》JTG/T 3350-03——2020.

[4]日本道路协会：透水性铺装技术指针（案）[M].东京：丸善株式会社，1996.