不同瀝青結合料的澆注式瀝青混合料性能對比分析

王 民，包廣志，李 璐，楊心瑤

(1. 重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336； 2. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

澆注式瀝青混合料鋪裝體系近年來逐漸成為大跨徑鋼橋面主流鋪裝形式。基于鋼橋面鋪裝的特殊性，瀝青結合料作為澆注式瀝青混合料的重要構成部分，應具有良好的抗熱老化性及溫度穩(wěn)定性，并在使用溫度區(qū)域內(nèi)具有較高的黏度，在施工溫度區(qū)域內(nèi)具有較低的黏度[1-2]。根據(jù)我國高溫、超載的特點，要求澆注式瀝青混合料在高溫條件下具有較好的穩(wěn)定性。因此在借鑒德國和日本澆注式瀝青混合料的基礎上對瀝青做了進一步改進。早期我國常采用SBS改性瀝青與15%～25%湖瀝青混配，后期則多采用聚合物復合改性瀝青，而香港較多工程采用70#直餾瀝青復配湖瀝青[3-5]。筆者針對3種瀝青結合料開展實驗研究。3種瀝青結合料依次為：聚合物復合改性瀝青(1#)、湖瀝青復合改性瀝青(2#)、硬質(zhì)瀝青改性瀝青(3#)。

這3種瀝青結合料組成不同，性能存在較大差異，適用范圍不盡相同，盡管在我國均有成功案例，但其耐久性還有待于進一步觀測。

筆者通過3種瀝青結合料及其混合料性能的綜合評估，為澆注式瀝青混合料的瀝青結合料選擇提供指導。

1 瀝青結合料性能試驗分析

1.1 瀝青結合料基本性能分析

對3種瀝青結合料1#、2#和3#分別進行針入度、軟化點及延度實驗，實驗結果見表1。

表1 瀝青結合料性能指標實驗結果

從表1可以看出：

1)針入度大小隨測試溫度升高而增加，2#的針入度指數(shù)絕對值最小，即溫度敏感性最小，較為穩(wěn)定。

2)1#瀝青軟化點的溫度最高，約為3#瀝青的2倍。

3)3種瀝青的延度均隨溫度升高而變大，在5 ℃時1#仍具有最好的延展性。由于天然硬質(zhì)瀝青的加入，2#瀝青緊跟其后，3#瀝青最小。

澆注式瀝青混合料的生產(chǎn)運輸溫度在220～240 ℃之間，且需要不少于1 h的存儲，高溫攪拌存儲會造成引起瀝青熱老化，使得瀝青混合料抗裂性能大幅度衰變[6-8]。因此有必要采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTOFT)(163 ℃、75 min)對3種瀝青的抗老化性能進行評價，實驗結果見表2。

表2 不同結合料的RTFOT實驗結果

由表2數(shù)據(jù)可以看出：3種瀝青結合料在經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后性能都發(fā)生了一定的衰變，表現(xiàn)為黏度增加、針入度降低、軟化點升高，延度降低。3#瀝青以基質(zhì)瀝青為主受老化影響大，針入度降低接近50%；2#瀝青由改性瀝青與天然瀝青復配而來，受影響較??；1#瀝青在開發(fā)過程中，已考慮超熱老化問題，摻加了相應的抗老化劑，因此老化程度最小。

1.2 瀝青結合料流變性能

對3種瀝青結合料用車轍因子G*/sinδ來評價其抗永久變形的能力。實驗設備用美國TA公司生產(chǎn)的AR-2000型動態(tài)剪切流變儀。實驗在58、64、70、76、82、88、94 ℃等7個溫度下采用應變控制模式，應變值γ=12%。試驗頻率設置約為1.59 Hz，平板直徑為25 mm，瀝青膜厚度為1 mm[9]。試驗方法參考AASHTO標準TP5,試驗結果見圖1。

圖1 不同結合料車轍因子測試結果

由圖1可以看出：3種瀝青結合料受溫度影響較大。隨著溫度的增高，結合料的G*/sinδ降低。在鋼橋面鋪裝層使用溫度區(qū)間內(nèi)，1#瀝青的G*/sinδ明顯高于2#和3#，即高溫抗變形能力最優(yōu)。

2 瀝青混合料性能試驗分析

2.1 原材料及配合比

粗集料和細集料均采用江蘇矛迪產(chǎn)的玄武巖，礦粉采用重慶產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，原材料各項參數(shù)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》的相關要求。

根據(jù)《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南》中相應規(guī)定，進行配合比設計。GA10的礦料級配曲線見圖2。3種瀝青混合料的最佳油石比依次為7.9%、8.5%和9.0%。

圖2 澆注式瀝青混合料GA10級配組成

采用3種瀝青結合料制備澆注式瀝青混合料試件，進行流動性、靜態(tài)貫入度及增量、車轍動穩(wěn)定度及四點彎曲疲勞等實驗，具體實驗流程按照《公路鋼箱梁橋面鋪裝設計與施工技術指南》。

2.2 流動性

3種澆注式瀝青混合料流動性實驗結果見表3。

表3 不同瀝青結合料的澆注式瀝青混合料流動性實驗結果

由表3可見，3種澆注式瀝青混合料在最佳油石比條件下的流動性雖均滿足規(guī)范要求20 s以內(nèi)，但相對于其它兩種混合料，3#瀝青的混合料流動性最差。3#瀝青的油石比最高，但由于大比例湖瀝青的加入，礦物質(zhì)含量較高，實際有效瀝青含量并不高，流動性較差。

2.3 高溫穩(wěn)定性

采用靜態(tài)貫入度及增量、動態(tài)貫入度對3種不同瀝青結合料的澆注式瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進行評價。

2.3.1 靜態(tài)貫入度。

圖3、圖4是不同澆注式瀝青混合料貫入度實驗結果。實驗溫度分別采用40 ℃(國外規(guī)范標準要求的實驗溫度)、60 ℃(國內(nèi)規(guī)范標準要求的實驗溫度)及70 ℃(鋼橋面鋪裝可能出現(xiàn)的最高使用溫度)。

圖3 不同溫度下的貫入度

圖4 不同溫度下的貫入度增量

由圖3、圖4可以看出，溫度的變化對澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響十分明顯。在溫度升高條件下，貫入度和貫入度增量值均增大，但增大幅度不一樣。

在高溫階段(60～70 ℃)，1#瀝青的澆注式瀝青混合料貫入度變化較緩，說明該澆注式瀝青混合料對溫度的敏感性相對于其它兩種較小。從圖4可以看出，1#瀝青的澆注式瀝青混合料的貫入度增量最小，其次是2#和3#為結合料的澆注式瀝青混合料，且在高溫階段以1#為結合料的澆注式瀝青混合料的貫入度增量增長速率變緩。因此，從整體來看以1#為瀝青結合料的澆注式瀝青混合料受高溫條件影響最小。

2.3.2 動態(tài)貫入度

按照德國TPA-StB《路用瀝青混合料測試技術規(guī)范》，采用平壓頭進行動態(tài)貫入度實驗中，將面積為2 500 mm2(直徑為56.42 mm)的平壓頭置于一底面磨平的圓柱體澆注式瀝青試件(直徑150 mm、高60 mm)的中心位置，對試件施加壓力脈動荷載，以2 500次循環(huán)加載所產(chǎn)生的貫入深度作為評價指標[10]，記錄下與加載循環(huán)次數(shù)相關的重復加載產(chǎn)生的動貫入度。

表4為3種澆注式瀝青混合料的動態(tài)貫入度實驗結果。實驗溫度分別采用40 ℃(國外規(guī)范標準要求的實驗溫度)和60 ℃(國內(nèi)規(guī)范標準要求的實驗溫度)。

表4 動態(tài)貫入度實驗結果

同樣從表4可以看出，溫度的改變對澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性極其不利。隨著溫度升高，貫入度增大，只是3種澆注式瀝青混合料的貫入度增幅不同。以1#和2#為結合料的澆注式瀝青混合料的貫入度變化幅度小于以3#為結合料的澆注式瀝青混合料。

2.4 低溫抗裂性

采用低溫彎曲試驗來評價混合料在低溫條件下抵抗變形的能力，實驗結果見表5。

表5 3種澆注式瀝青混合料低溫彎曲實驗結果

由表5可以看出，3種澆注式瀝青混合料彎拉應變大小順序為：以1#為瀝青結合料的澆注式瀝青混合料>以2#為瀝青結合料的澆注式瀝青混合料>以3#為瀝青結合料的澆注式瀝青混合料。其中3#瀝青的混合料的彎拉應變略低于技術要求。硬質(zhì)改性瀝青的天然瀝青含量高，硬度大，本身低溫延度就差，因而混合料的低溫彎曲性能非常差。聚合物復合改性瀝青GA10低溫抗變形能力最好，主要源于所用瀝青結合料，其針入度較大、 5 ℃延度超過20 cm。

2.5 疲勞性能

通過四點小梁彎曲疲勞試驗評價3種澆注式瀝青混合料的疲勞性能。控制水平分別為600 με、400 με，采用正弦波、10 Hz加載頻率，在15 ℃下測試3種澆注式瀝青混合料的疲勞次數(shù)。實驗結果見表6。

表6 不同澆注式瀝青混合料疲勞實驗結果

從表6可以看出，在600 με條件下，1#瀝青混合料的疲勞次數(shù)最大。1#瀝青的混合料和2#瀝青的混合料疲勞次數(shù)達到100萬次時，試件尚未破壞，而3#瀝青的混合料在加載初期出現(xiàn)斷裂損壞。400 με條件下3種混合料的疲勞性能與600 με的規(guī)律一致。1#瀝青混合料疲勞次數(shù)是3#瀝青混合料的5倍。由此可見3種不同瀝青的混合料疲勞性能差異非常大。

在3種瀝青結合料中，聚合物復合改性瀝青1#具有最好的延展性，在反復彎曲的過程中，能吸收較多的彎曲應變能，阻止瀝青混合料的開裂。而硬質(zhì)瀝青改性瀝青因為湖瀝青或者低標號瀝青，使得瀝青混合料脆性較大，彎曲勁度模量較大，很難通過自身的變形來消去外界施加的能量，使得疲勞性能較差。

3 結 語

1)從3種瀝青結合料的性能來看，聚合物復合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫延性最佳，硬質(zhì)瀝青改性瀝青的高、低溫性能最差，前者的車轍因子G*/sinδ達到了后者的2～5倍。

2)3種瀝青混合料的各項性能與瀝青結合料具有一致性。當溫度達到70 ℃，3種混合料的靜態(tài)貫入度差異達到9.0%和28.4%；聚合物復合改性瀝青的極限彎拉應變分別超過湖瀝青復合改性瀝青、硬質(zhì)瀝青改性瀝青22.8%、61.2%。

3)從3種瀝青結合料及混合料性能評價結果可以看出，1#和2#的瀝青混合料指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，3#的瀝青混合料低溫彎拉應變略低于技術要求和疲勞性能較差。其中聚合物復合改性瀝青具有明顯的綜合性能優(yōu)勢，湖瀝青復合改性瀝青及硬質(zhì)瀝青復合改性瀝青相對較差，僅在特定條件下具有一定適用性。