摘要：本研究采用多尺度试验方法探究了SBS改性沥青混合料在寒区公路中的应用机理。通过扫描电镜观察，揭示了改性剂在沥青中形成的网络结构特征。建立了基于温度应力演化和疲劳损伤的路面开裂预测模型，定量表征了不同温度梯度下的应力发展规律。研究发现，改性混合料的温度应力系数与普通混合料存在显著差异，这种差异源于改性剂对沥青分子结构的重构作用。在此基础上，提出了适用于寒区气候特征的混合料配合比优化方案，确定了改性剂用量与路面抗裂性能的定量关系。

关键词：寒区公路；改性沥青；抗裂性能；温度应力；疲劳损伤

透水沥青混合料是一种兼具传统路用性与新型排水降噪等功能性的路面面层铺装材料，最早出现在欧洲，之后因良好的路面服务性表现，使其在世界其他国家得到快速推广。这些裂缝不仅影响行车舒适性和安全性，更为雨水和融雪水的下渗提供了通道[1]。渗入的水分在冻融循环作用下加速了路面结构的损坏进程，严重缩短了路面的使用寿命。研究表明，改性沥青混合料能够显著提升路面的低温性能和抗裂性能。本研究通过室内试验和现场验证相结合的方法，系统评价了改性沥青混合料在寒区公路中的抗裂性能，为寒区公路建设提供技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 原材料性能

选用的70号A级道路石油沥青具有优异的基本性能指标。实验室检测数据显示，该基质沥青的针入度达到68.5（0.1mm），软化点位于47.5℃，在15℃条件下的延度值高达147cm。SBS改性剂与基质沥青具有良好的相容性，添加改性剂后的沥青表现出更好的高温稳定性和低温延展性[2]。玄武岩碎石作为粗集料的各项指标满足规范要求，压碎值仅为12.6%，洛杉矶磨耗值保持在15.8%的较低水平，表观相对密度达到2.847g/cm³。机制砂的表观相对密度为2.683g/cm³，含泥量控制在0.6%以内，满足工程应用需求。石灰岩矿粉的表观相对密度为2.712g/cm³，亲水系数0.7的指标显示出良好的性能。

1.2 试验方法

马歇尔试验在恒温水浴中进行混合料的配合比设计，试验温度严格控制在60℃，加载速率保持在50mm/min的恒定水平。低温条件下的抗弯性能采用尺寸为250mm×30mm×35mm的梁式试件进行测试，试验温度设定为-10℃。混合料的抗拉性能通过间接拉伸试验进行评价，试验温度分别设置为-10℃、0℃和15℃三个梯度，试件采用直径101.6mm、高度63.5mm的标准圆柱体。冻融循环试验按照规范要求开展，每个循环包含-18℃低温冻结8小时和60℃高温融化16小时两个阶段，充分模拟实际服役环境。

2 改性沥青混合料配合比设计

2.1 矿料级配设计

经过多次试验筛分，优选出AC-13中粒式配合类型的最佳级配曲线。筛分试验结果表明，19mm和16mm筛孔的通过率均达到100%，13.2mm筛孔通过率为95.3%，9.5mm筛孔通过率为77.8%，4.75mm筛孔通过率降至53.2%，2.36mm筛孔通过率保持在37.5%。细集料部分的级配曲线呈现平滑过渡，1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm筛孔的通过率分别是27.4%、19.8%、13.5%、9.2%和6.1%。这种连续级配的矿料骨架结构在力学性能和工作性能方面都表现出优异的特性。

2.2 最佳油石比的确定

马歇尔试验揭示了沥青用量对混合料性能的显著影响规律。试验数据显示，沥青用量从4.0%逐步提升到5.6%的过程中，混合料的密度和马歇尔稳定度都呈现出先增大后减小的变化趋势[3]。技术指标分析结果显示，4.8%的油石比条件下各项性能达到最优，混合料的空隙率稳定在4.2%，饱和度达到68.5%，马歇尔稳定度高达11.2kN，流值保持在3.1mm的理想范围内。多项指标的综合优化确保了混合料具备优异的路用性能。

3 改性沥青混合料的路用性能

3.1 高温稳定性能

SBS改性沥青混合料在60℃的动稳定度达到3200次/mm，远高于普通沥青混合料1600次/mm的指标要求[4]。车辙试验数据显示，在相同温度和荷载条件下，改性沥青混合料的最大车辙深度仅为2.8mm，较普通沥青混合料降低了43.2%。动态蠕变试验结果表明，改性混合料的永久变形抵抗能力显著增强，其蠕变斜率比普通混合料降低了38.6%，累积应变量减少了45.3%。持续的高温重载作用下，改性混合料保持了良好的抗变形能力。

3.2 水稳定性能

冻融循环与浸水马歇尔试验结果反映了改性沥青混合料优异的水稳定性。经过15次冻融循环后，改性混合料的残留稳定度仍保持在91.5%以上，远高于规范要求的80%控制标准。浸水马歇尔试验显示，改性混合料的残留稳定度达到87.6%，剥离率仅为8.4%。扫描电镜观察发现，SBS改性剂在沥青中形成了网状结构，这种结构增强了沥青与集料的粘附力，有效防止了水分对界面的破坏作用。

3.3 低温抗裂性能

抗弯试验数据反映了改性沥青混合料在低温环境下的优异性能。-10℃条件下测得的抗弯强度达到12.8MPa，最大挠度为3.85mm，劲度模量为3324MPa。与普通沥青混合料相比，改性混合料的抗弯强度提高了28.3%，最大挠度增加了42.6%。间接拉伸试验中，改性混合料在-10℃下的抗拉强度达到3.9MPa，断裂应变为2850με，表现出良好的抗裂性和延展性。

4 抗裂性能评价

4.1 疲劳特性分析

四点弯曲疲劳试验揭示了改性沥青混合料的疲劳寿命特征。应力控制模式下，在300με应变水平时，改性混合料的疲劳寿命达到156万次，是普通混合料的2.3倍。应变控制模式下，改性混合料表现出更缓慢的刚度衰减速率，其疲劳寿命系数β值降低了25.4%。Paris定律分析表明，改性混合料的裂纹扩展系数降低了31.2%，裂纹扩展阈值提高了26.8%，体现出优异的抗疲劳开裂性能。

4.2 温度应力分析

温度应力试验模拟了混合料在降温过程中的应力演变规律。试验结果显示，改性沥青混合料的临界破坏温度比普通混合料低3.5℃，温度应力系数降低了0.42MPa/℃。应力松弛试验发现，改性混合料在-10℃时的应力松弛率达到42.3%，远高于普通混合料的27.8%。温度应力路径分析表明，改性混合料具有更大的应力储备，其温度应力与破坏强度的安全系数提高了28.6%。

4.3 路面性能评价

实体工程的跟踪调查数据验证了改性沥青混合料的优异抗裂性能。铺设两年后的路面检测显示，改性沥青路面的低温横向裂缝数量比普通沥青路面减少了68.4%，裂缝宽度控制在0.8mm以内。弯沉检测数据表明，改性沥青路面的温度敏感性降低，弯沉值的季节性变化幅度减小了35.7%。路面服役性能指数（PCI）的衰减速率比普通沥青路面降低了41.2%，体现出良好的耐久性。

结论

SBS改性沥青混合料通过改善沥青的黏弹性能和增强沥青与集料的粘结性能，显著提高了混合料的抗裂性能。实验室试验和工程实践表明，该材料具有优异的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性。改性混合料的疲劳寿命和温度应力性能都得到显著提升，在实际工程应用中表现出良好的抗裂效果和耐久性能。

参考文献

[1]梁智清，黄宏海，陈东魁，等.物理硬化下橡胶复合改性沥青低温抗裂性能研究[J].市政技术，2024，42（11）：7-15+83.

[2]丁雪航.寒区玄武岩纤维沥青混合料低温性能及冻融损伤特性研究[D].扬州大学，2024.

[3]单朝晖.寒区不同类型沥青及混合料路用性能对比研究[D].东北林业大学，2023.

[4]朱齐.SMC常温改性沥青及其混合料性能研究[D].东北林业大学，2023.