在广泛调研已建寒冷或严寒地区抽水蓄能电站、渠道等防渗工程所采用改性沥青情况的基础上，研究了4个厂家13种SBS改性沥青样品。通过防渗层改性沥青混凝土初步试验发现，改性沥青混凝土冻断温度与SBS水工改性沥青低温技术指标脆点、5℃延度之间的关系密切。冻断温度与5℃延度、脆点的统计见表3.1.2。
从改性沥青混凝土冻断温度由低到高（对应改性沥青混凝土低温抗裂性能由高到低）的排序结果看，有6种改性沥青制_备的沥青混凝土冻断温度能低于呼蓄电站上水库极端最低气温-41.8℃，初步选定SK-2水工改性沥青（对应改性沥青混凝土冻断温度为-45.7℃）、水工改性沥青5号（对应改性沥青混凝土冻断温度为-45.4℃）继续进行试验研究。
表3.1.2 SBS改性沥青低温指标及改性沥青混凝土冻断温度统计
沥青混凝土低温冻断温度与改性沥青的脆点、5℃延度指标关系明显（图3.1.1），分别为正相关和负相关，相关系数均达到90%以上。当改性沥青的5℃延度不小于70cm、脆点不高于-22℃时，沥青混凝土的冻断温度可达到-40℃以下，由此改性沥青脆点、5℃延度的指标可作为寒冷及严寒地区工程选择改性沥青的依据。其他工程可根据严寒环境条件确定的设计冻断温度按图3.1.1相互影响规律调整改性沥青的脆点和5℃延度指标。
上水库工程极端最低气温为-41.8℃；100年超越概率的最低气温假定符合P-Ⅲ型曲线正态分布情况为-42.7℃。将-45℃作为沥青混凝土科研试验阶段设计的防渗层冻断温度和封闭层低温脆裂温度指标，预留裕度为-2.3℃。按照《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL 501—2010）规定，冻断温度可采用当地最低气温确定，因而采用-41.8℃作为设计极端最低气温也是符合规程规范的相关要求。为提高安全裕度确定-43℃作为出机口试件的冻断温度。满足不大于-41.8℃是最基本要求。
分析上述SBS水工改性沥青试验研究情况，根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL 501—2010_）和《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）聚合物改性沥青SBS类（Ⅰ类）Ⅰ-A级标准，并结合严寒环境工程特点，提出了严寒环境下面板封闭层、防渗层及加厚层的SBS改性沥青的技术要求，见表3.1.3。水工改性沥青的技术要求，尤其是薄膜烘箱前后的延度和脆点要求，可作为寒冷及严寒地区工程选择沥青的依据。
图3.1.1 改性沥青低温性能指标和沥青混凝土冻断温度的关系
表3.1.3 SBS改性沥青技术要求
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3.1.2.2 水工改性沥青研发
由于低分子量、低嵌段比的线形SBS，在常规的加入量下对于改善沥青高温性能作用并不理想，因此要兼顾高温性能就要增加改性剂的加入量，而这样又会导致大剂量改性剂如何稳定在沥青体系中的问题。故需要在加工工艺上进行改进，使各种材料相容并分散均匀，形成稳定的胶体结构，才能在保证沥青具有良好高温性能的前提下，更加突出沥青材料的低温抗裂特性。
原材料开发中，基质沥青采用辽河石化公司生产的牌号为C -130的极寒沥青基础料，改性剂优选低嵌段比的线形聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体，高含量的丁二烯嵌段又称为软段，具有良好的低温性能，又因为含有双烯键而具有一定的极性，与沥青保持良好的相容性。选择嵌段比为3∶7、SBS产品中低温性能最好的、分子量范围为50000～80000的线形SBS产品。
（1）稳定技术的开发与研究：
1）基质沥青与不同量SBS的相容性研究。以辽河低凝环烷基原油生产的重交通道路沥青与SBS具有良好的相容性，环烷烃和芳香烃含量高，是生产SBS的最佳原料沥青。但是沥青对于SBS的溶解能力是有限的，SBS的加入量在3%～5%时，稳定剂可以在外力作用下将SBS稳定分散在沥青中。采用C-130极寒沥青基础料为基质沥青，添加（5%～8%）SBS时改性沥青的稳定性；稳定剂按照加入量为0.2%～0.3%（WT%）。具体数据见表3.1.4。
表3.1.4 不同SBS添加量对改性沥青稳定性的影响
3.1.2.2 水工改性沥青研发
由于低分子量、低嵌段比的线形SBS，在常规的加入量下对于改善沥青高温性能作用并不理想，因此要兼顾高温性能就要增加改性剂的加入量，而这样又会导致大剂量改性剂如何稳定在沥青体系中的问题。故需要在加工工艺上进行改进，使各种材料相容并分散均匀，形成稳定的胶体结构，才能在保证沥青具有良好高温性能的前提下，更加突出沥青材料的低温抗裂特性。
原材料开发中，基质沥青采用辽河石化公司生产的牌号为C -130的极寒沥青基础料，改性剂优选低嵌段比的线形聚苯乙烯-丁二烯热塑性弹性体，高含量的丁二烯嵌段又称为软段，具有良好的低温性能，又因为含有双烯键而具有一定的极性，与沥青保持良好的相容性。选择嵌段比为3∶7、SBS产品中低温性能最好的、分子量范围为50000～80000的线形SBS产品。
（1）稳定技术的开发与研究：
1）基质沥青与不同量SBS的相容性研究。以辽河低凝环烷基原油生产的重交通道路沥青与SBS具有良好的相容性，环烷烃和芳香烃含量高，是生产SBS的最佳原料沥青。但是沥青对于SBS的溶解能力是有限的，SBS的加入量在3%～5%时，稳定剂可以在外力作用下将SBS稳定分散在沥青中。采用C-130极寒沥青基础料为基质沥青，添加（5%～8%）SBS时改性沥青的稳定性；稳定剂按照加入量为0.2%～0.3%（WT%）。具体数据见表3.1.4。
表3.1.4 不同SBS添加量对改性沥青稳定性的影响
从表3.1.4中数据可以看出，当SBS加入量在5%时，离析试验结果接近≤2.5℃技术要求；当SBS加入量在6%～8%时，离析试验结果未满足技术要求；并且随着加入比例的增大，不稳定现象越发突出。说明普通稳定技术对于大剂量的SBS稳定效果很不理想。
2）高性能稳定剂不同加入量对改性沥青性质的影响。鉴于普通稳定剂不能满足高掺量SBS改性沥青稳定性技术要求，经过大量试验，在C -130中添加不同比例高性能稳定剂对改性沥青的稳定效果，SBS的加入量为7%，稳定剂的加入量为0.15%～0.30%。试验结果表明改性沥青的稳定效果依稳定剂加入量不同而有所不同，随着稳定剂加入量的增加，离析试验结果趋于理想。对于C- 130沥青，0.2%～0.3%的加入量是适宜的，可以保持沥青拥有较好低温特性的前提下，提高沥青的力学性能；少于0.2%时，离析试验结果不能满足要求，而在0.3%加入量时，黏度相对增加较大。
添加不同量稳定剂生产的SBS改性沥青性质见表3.1.5。
表3.1.5 稳定剂不同加入量对改性沥青性质的影响
从表3.1.4中数据可以看出，当SBS加入量在5%时，离析试验结果接近≤2.5℃技术要求；当SBS加入量在6%～8%时，离析试验结果未满足技术要求；并且随着加入比例的增大，不稳定现象越发突出。说明普通稳定技术对于大剂量的SBS稳定效果很不理想。
2）高性能稳定剂不同加入量对改性沥青性质的影响。鉴于普通稳定剂不能满足高掺量SBS改性沥青稳定性技术要求，经过大量试验，在C -130中添加不同比例高性能稳定剂对改性沥青的稳定效果，SBS的加入量为7%，稳定剂的加入量为0.15%～0.30%。试验结果表明改性沥青的稳定效果依稳定剂加入量不同而有所不同，随着稳定剂加入量的增加，离析试验结果趋于理想。对于C- 130沥青，0.2%～0.3%的加入量是适宜的，可以保持沥青拥有较好低温特性的前提下，提高沥青的力学性能；少于0.2%时，离析试验结果不能满足要求，而在0.3%加入量时，黏度相对增加较大。(www.xing528.com)
添加不同量稳定剂生产的SBS改性沥青性质见表3.1.5。
表3.1.5 稳定剂不同加入量对改性沥青性质的影响
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3）高性能稳定剂对不同SBS加入量改性沥青性质影响。在确定高性能稳定剂对SBS的稳定效果及添加的适宜范围后，开展了相同添加量的稳定剂生产不同级别SBS改性沥青的性能考察。从表中数据可以看出，稳定剂对于SBS具有良好的稳定效果，与C -130基质沥青也具有良好的相容性，当稳定剂的加入量为0.25%时，对于6%～9%的SBS都能较好地稳定在沥青中。但当SBS加入量高于9%时，稳定效果稍差。具体试验数据结果见表3.1.6。
表3.1.6 稳定剂对不同SBS加入量改性沥青性质的影响
3）高性能稳定剂对不同SBS加入量改性沥青性质影响。在确定高性能稳定剂对SBS的稳定效果及添加的适宜范围后，开展了相同添加量的稳定剂生产不同级别SBS改性沥青的性能考察。从表中数据可以看出，稳定剂对于SBS具有良好的稳定效果，与C -130基质沥青也具有良好的相容性，当稳定剂的加入量为0.25%时，对于6%～9%的SBS都能较好地稳定在沥青中。但当SBS加入量高于9%时，稳定效果稍差。具体试验数据结果见表3.1.6。
表3.1.6 稳定剂对不同SBS加入量改性沥青性质的影响
（2）工艺配方的确定与优化。在稳定技术开发研究试验基础上，确定了稳定剂的加入量为0.3%，SBS的加入量为9%；由于12号样品的低温延度试验结果与预期技术要求仍有差距，为了改善成品沥青的低温性能，添加一定量的相容剂，加入量为4%～6%。
从研究数据来看，相容剂的加入显著改善改性沥青的低温特性，软化点也有一定增加，离析试验结果更为理想。当相容剂的加入量在5%和6%时，产品满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40—2004）中I -A改性沥青的技术要求。具体数据见表3.1.7。
表3.1.7 相容剂对不同SBS加入量改性沥青性质的影响
（2）工艺配方的确定与优化。在稳定技术开发研究试验基础上，确定了稳定剂的加入量为0.3%，SBS的加入量为9%；由于12号样品的低温延度试验结果与预期技术要求仍有差距，为了改善成品沥青的低温性能，添加一定量的相容剂，加入量为4%～6%。
从研究数据来看，相容剂的加入显著改善改性沥青的低温特性，软化点也有一定增加，离析试验结果更为理想。当相容剂的加入量在5%和6%时，产品满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40—2004）中I -A改性沥青的技术要求。具体数据见表3.1.7。
表3.1.7 相容剂对不同SBS加入量改性沥青性质的影响
（3）结论。根据13号、14号、15号试验室小样配方先后进行中间试验产品生产，试生产了3批严寒水工改性沥青样品分别是水工改性沥青1号、水工改性沥青3号、水工改性沥青5号。将这些样品送科研单位进行高温流淌试验及低温冻断试验等沥青混合料的综合性能试验。沥青指标和沥青混凝土冻断温度具体数据见表3.1.8。从试验结果表明3种沥青中间试验产品制备的沥青混凝土冻断温度分别为-44.3℃、-44.3℃和-45.4℃，均满足不大于-43℃的技术要求，其中水工改性沥青5号沥青混凝土冻断温度不大于-45℃。
表3.1.8 中间试验样品分析数据
（3）结论。根据13号、14号、15号试验室小样配方先后进行中间试验产品生产，试生产了3批严寒水工改性沥青样品分别是水工改性沥青1号、水工改性沥青3号、水工改性沥青5号。将这些样品送科研单位进行高温流淌试验及低温冻断试验等沥青混合料的综合性能试验。沥青指标和沥青混凝土冻断温度具体数据见表3.1.8。从试验结果表明3种沥青中间试验产品制备的沥青混凝土冻断温度分别为-44.3℃、-44.3℃和-45.4℃，均满足不大于-43℃的技术要求，其中水工改性沥青5号沥青混凝土冻断温度不大于-45℃。
表3.1.8 中间试验样品分析数据
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根据改性沥青试生产过程中的样品性能测试，结合其他沥青厂家沥青样品性能测试，重点对沥青低温延度、脆点等指标和沥青混凝土冻断温度的相关性分析，对改性沥青生产技术标准进行了必要调整，对沥青脆点和低温延度要求提高。调整后的改性沥青生产技术标准见表3.1.9。
表3.1.9 水工改性沥青技术指标（控制生产）
根据改性沥青试生产过程中的样品性能测试，结合其他沥青厂家沥青样品性能测试，重点对沥青低温延度、脆点等指标和沥青混凝土冻断温度的相关性分析，对改性沥青生产技术标准进行了必要调整，对沥青脆点和低温延度要求提高。调整后的改性沥青生产技术标准见表3.1.9。
表3.1.9 水工改性沥青技术指标（控制生产）
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依据科研单位进行的沥青混合料试验结果，确定了工艺方案与配方的可靠性。为了进一步提高产品的低温性能，对配方进一步进行了优化，经过大量的实验研究，开发出极寒水工改性沥青，产品低温性能经科研单位再次检测满足沥青混凝土冻断温度不大于-45℃的技术要求，高温性能试验在70℃条件下不流淌，产品胶体结构均匀稳定，离析试验满足要求。常规分析结果满足调整后的水工改性沥青技术要求。
依据科研单位进行的沥青混合料试验结果，确定了工艺方案与配方的可靠性。为了进一步提高产品的低温性能，对配方进一步进行了优化，经过大量的实验研究，开发出极寒水工改性沥青，产品低温性能经科研单位再次检测满足沥青混凝土冻断温度不大于-45℃的技术要求，高温性能试验在70℃条件下不流淌，产品胶体结构均匀稳定，离析试验满足要求。常规分析结果满足调整后的水工改性沥青技术要求。
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