鋼橋面鋪裝高彈改性瀝青混合料SMA10性能分析

劉 攀， 郝增恒， 盛興躍， 李 璐

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 401336)

鋼橋面鋪裝是直接鋪設(shè)在鋼橋面板上，與鋼橋面結(jié)構(gòu)共同承重的構(gòu)造物[1]。研究表明，鋼橋面鋪裝層最大拉應(yīng)力或拉應(yīng)變均出現(xiàn)在鋪裝層表面，其疲勞裂縫發(fā)展規(guī)律是由上面層向下面層擴展，這不同于普通的瀝青混合料路面[2]。因此，鋼橋面鋪裝上面層材料需要具有良好的抗裂性能。SMA混合料因優(yōu)異的性能，被廣泛用于鋼橋面鋪裝工程的上面層。目前，國內(nèi)應(yīng)用規(guī)模最大的鋼橋面鋪裝方案是“下面層澆注式瀝青混合料GA10+上面層改性瀝青混合料SMA”[3-5]。

用于改性瀝青混合料SMA的結(jié)合料主要分為高粘改性瀝青和高彈改性瀝青[6]。在我國公路建設(shè)早期，常采用高粘改性瀝青，但其混合料SMA抗裂性不足，橋面鋪裝出現(xiàn)了一定的開裂病害[7]。理論研究與工程實踐證明，高彈改性瀝青混合料SMA具有優(yōu)異的抗裂性能[5,8-9]，鋼橋面鋪裝層很少出現(xiàn)開裂病害。近年來，國內(nèi)大跨徑鋼橋面鋪裝上面層混合料多采用高彈改性瀝青混合料SMA[4，10-13]，如重慶朝天門長江大橋、安徽馬鞍山長江大橋、武漢沌口長江大橋、武漢青山長江公路大橋、福建平潭海峽大橋、滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋等重大重點工程。

瀝青結(jié)合料種類對混合料的性能有決定性影響，對結(jié)合料的選擇要綜合考慮各方面性能。李睿等[14]研究表明，相比普通SBS改性瀝青混合料，高彈改性瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能極為優(yōu)異，且混合料的性能與結(jié)合料的性能結(jié)果一致。王民等[15]對比分析了不同瀝青結(jié)合料的澆注式瀝青混合料的性能，結(jié)果表明，混合料的性能與其結(jié)合料類型存在一致性。歐陽男[16]研究了高彈改性瀝青和復(fù)合改性瀝青對澆注式瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明高彈改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和疲勞性能更優(yōu)，但復(fù)合改性瀝青混合料施工和易性更好。在此，本文選擇4種高彈改性瀝青和1種高粘改性瀝青，在相同條件下成型混合料SMA10，分析評價混合料的路用性能及其與結(jié)合料技術(shù)性能指標(biāo)間的聯(lián)系，為后續(xù)工程運用中結(jié)合料的選擇以及瀝青混合料性能的改善提供參考依據(jù)。

1 結(jié)合料性能分析

選擇4種高彈改性瀝青(分別記為改性瀝青A、改性瀝青B、改性瀝青C和改性瀝青D)和高粘改性瀝青(記為改性瀝青E)，其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。

從表1可以看出，高彈改性瀝青的綜合性能明顯優(yōu)于高粘改性瀝青。4種高彈改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)不盡相同，針入度(25 ℃)為65～78(0.1 mm)，軟化點均高于90 ℃，延度(5 ℃)均大于50 cm，旋轉(zhuǎn)粘度(175 ℃)為650 mPa·s～720 mPa·s，彈性恢復(fù)率均大于97%，與集料的粘附性等級均為5，殘留針入度比均大于70%，殘留延度均大于30 cm。其中改性瀝青A具有最大的高溫粘度、殘留針入度比及最高的軟化點，表現(xiàn)出更好的高溫性能和抗老化性能；改性瀝青C具有最大的低溫延度、彈性恢復(fù)率和針入度，表現(xiàn)出更優(yōu)異的低溫性能；而改性瀝青B和改性瀝青D的各項技術(shù)指標(biāo)居中。

結(jié)合料的技術(shù)指標(biāo)對混合料的路用性能有較大影響，進一步研究混合料SMA10的路用性能，并分析混合料性能與結(jié)合料技術(shù)性能指標(biāo)的聯(lián)系。

表1 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

2 混合料性能分析

2.1 原材料選擇

粗集料和細(xì)集料均采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，纖維采用聚酯纖維。原材料的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表2～表5。

2.2 配合比及試驗方法

根據(jù)礦料篩分結(jié)果，改性瀝青混合料SMA10的級配設(shè)計見表6。改性瀝青混合料SMA10用結(jié)合料采用改性瀝青A、改性瀝青B、改性瀝青C、改性瀝青D和改性瀝青E，油石比采用6.0%，聚酯纖維用量為混合料總質(zhì)量的0.25%，拌和溫度為180 ℃，拌和時間為180 s。在此條件下拌制5種改性瀝青混合料SMA10，分別成型馬歇爾試件、高溫車轍試件、低溫三點彎曲試件和四點彎曲疲勞試件。按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的測試方法，進行改性瀝青混合料SMA10的性能試驗，系統(tǒng)評價其路用性能。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

2.3 路用性能對比試驗

2.3.1 力學(xué)性能

馬歇爾穩(wěn)定度可作為混合料力學(xué)強度的評定指標(biāo)。對改性瀝青混合料SMA10進行馬歇爾試驗，試驗溫度為60 ℃，結(jié)果見表7。

表5 聚酯纖維技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

從表7可知，5種混合料SMA10的空隙率和馬歇爾穩(wěn)定度均滿足技術(shù)要求。高粘改性瀝青混合料SMA10的馬歇爾穩(wěn)定度大于高彈改性瀝青混合料SMA10，說明高粘改性瀝青混合料SMA10具有更高的力學(xué)強度。針對高彈改性瀝青混合料SMA10而言，SMA10-A的馬歇爾穩(wěn)定度最大，其后依次為SMA10-B、SMA10-D和SMA10-C。高彈改性瀝青A的軟化點和高溫粘度均高于高彈改性瀝青B、C和D，這表明高彈改性瀝青混合料SMA10的力學(xué)強度與瀝青結(jié)合料的軟化點和高溫粘度有密切的關(guān)聯(lián)。

表6 改性瀝青混合料SMA10設(shè)計級配

表7 改性瀝青混合料SMA10馬歇爾試驗結(jié)果

2.3.2 高溫性能

鋼橋面鋪裝要求混合料具有良好的高溫性能。對改性瀝青混合料SMA10進行車轍試驗，試驗溫度為60 ℃和70 ℃，結(jié)果見表8。

表8 改性瀝青混合料SMA10車轍試驗結(jié)果

從表8可知，相同試驗溫度下，4種高彈改性瀝青混合料SMA10的動穩(wěn)定度要低于高粘改性瀝青混合料SMA10，且車轍深度更大，說明高彈改性瀝青混合料SMA10的高溫性能較高粘改性瀝青混合料SMA10差，但完全滿足技術(shù)要求(夏炎熱區(qū)70 ℃動穩(wěn)定度≥3 000次/mm，夏涼區(qū)60 ℃動穩(wěn)定度≥3 000 次/mm)。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的動穩(wěn)定度大小順序為：SMA10-A>SMA10-B>SMA10-D>SMA10-C，與馬歇爾穩(wěn)定度的規(guī)律一致，即力學(xué)強度高的混合料SMA10，其高溫性能同樣優(yōu)異。結(jié)果表明，高彈改性瀝青混合料SMA10的高溫性能與瀝青結(jié)合料的軟化點和高溫粘度有明顯的相關(guān)性，即軟化點和高溫粘度越高的高彈改性瀝青，其混合料SMA10具有更優(yōu)的高溫穩(wěn)定性。據(jù)此，針對高溫重載地區(qū)，可優(yōu)先采用高彈改性瀝青A。

2.3.3 低溫性能

鋼橋面鋪裝要求混合料具有良好的低溫性能。對改性瀝青混合料SMA10進行低溫彎曲大梁試驗，試件尺寸為300 mm×100 mm×50 mm，試驗溫度為-10 ℃，結(jié)果見表9。

表9 改性瀝青混合料SMA10三點彎曲試驗結(jié)果

從表9可知，5種改性瀝青混合料SMA10的低溫抗彎應(yīng)變均大于6 000，滿足技術(shù)要求。其中，高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫抗彎應(yīng)變?yōu)?10 000～11 320，明顯高于高粘改性瀝青混合料SMA10的7 813。高彈劑的摻入使得改性瀝青混合料的低溫變形能力大大增強，可承受更高極限應(yīng)變，解決了鋼橋面鋪裝混合料SMA10的開裂問題。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫抗彎應(yīng)變大小順序為：SMA10-C>SMA10-D>SMA10-B>SMA10-A，這與瀝青結(jié)合料的低溫延度和彈性恢復(fù)率大小順序一致，表明高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫抗裂性同瀝青結(jié)合料的低溫延度和彈性恢復(fù)率具有較好的相關(guān)性。低溫延性越好的高彈改性瀝青，其混合料SMA10具有更佳的低溫抗裂性。據(jù)此，針對寒冷地區(qū)，可優(yōu)先采用高彈改性瀝青C。

2.3.4 水穩(wěn)定性能

混合料水穩(wěn)定性能的優(yōu)劣同樣關(guān)乎鋼橋面鋪裝的服役狀況。對改性瀝青混合料SMA10進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，結(jié)果見表10。

表10 改性瀝青混合料SMA10水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

從表10可知，5種改性瀝青混合料SMA10的浸水殘留穩(wěn)定度均大于90%，其順序為：SMA10-D>SMA10-C>SMA10-E>SMA10-B>SMA10-A，凍融劈裂強度比均大于85%，其順序為：SMA10-B>SMA10-D>SMA10-E>SMA10-C>SMA10-A。整體而言，5種改性瀝青混合料SMA10的水穩(wěn)定性能相差不大。5種瀝青結(jié)合料與集料具有良好的粘附性(粘附等級均為5)，因此其混合料SMA10的水穩(wěn)定性能優(yōu)異，能有效抵擋水的侵蝕。

2.3.5 疲勞性能

鋼橋面鋪裝疲勞問題一直是世界性難題。對改性瀝青混合料SMA10進行四點彎曲疲勞試驗，試驗溫度為15 ℃，結(jié)果見表11。

從表11可知，相同條件下，高彈改性瀝青混合料SMA10的勁度模量為1 900 MPa～2 300 MPa，明顯小于高粘改性瀝青混合料SMA10的3 275 MPa。

表11 改性瀝青混合料SMA10四點彎曲疲勞試驗結(jié)果

發(fā)生疲勞時高彈改性瀝青混合料SMA10變形能力較大，疲勞壽命提高20倍左右，因此其疲勞性能更為優(yōu)異。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的疲勞次數(shù)大小順序為：SMA10-C>SMA10-D>SMA10-B>SMA10-A，這與瀝青結(jié)合料的低溫延度和彈性恢復(fù)率大小順序一致，延展性越好的高彈改性瀝青，在反復(fù)彎曲過程中，能吸收較多的彎曲應(yīng)變能，阻止混合料SMA10的開裂。試驗結(jié)果表明，高彈改性瀝青混合料SMA10的疲勞性能同瀝青結(jié)合料的低溫延度和彈性恢復(fù)率具有較好的相關(guān)性。針對疲勞耐久性要求較高的工程，可優(yōu)先采用高彈改性瀝青C。

3 結(jié)論

本文針對4種高彈改性瀝青混合料SMA10及高粘改性瀝青混合料SMA10展開研究，主要得出以下結(jié)論：

1) 4種高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫性能和疲勞性能顯著優(yōu)于高粘改性瀝青混合料SMA10，而力學(xué)性能和高溫性能則略差于高粘改性瀝青混合料SMA10。

2) 高彈改性瀝青混合料SMA10的路用性能與其結(jié)合料的性能密切相關(guān)。相同條件下，軟化點和高溫粘度越高的結(jié)合料，其混合料SMA10的力學(xué)性能和高溫性能越優(yōu)異；低溫延度和彈性恢復(fù)率越大的結(jié)合料，其混合料SMA10的低溫性能和疲勞性能更佳。4種高彈改性瀝青與集料的粘附性良好，其混合料SMA10均表現(xiàn)出優(yōu)異的水穩(wěn)定性能。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的性能各有優(yōu)劣，可根據(jù)實體工程所在地的環(huán)境及設(shè)計要求進行材料選擇。

3) 改性瀝青SMA10的性能不是單純地受結(jié)合料中某項技術(shù)指標(biāo)的影響，是一個比較復(fù)雜的綜合影響的結(jié)果。因此，高彈改性瀝青的性能如何影響混合料SMA10的路用性能，還有待更多的試驗進一步驗證。