高彈改性瀝青鋪裝材料路用性能研究

蔣知之

(鎮(zhèn)江市綜合交通事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 工程概括

五峰山長(zhǎng)江大橋是目前世界上跨度最大、運(yùn)行速度最快、運(yùn)行荷載最大的公鐵兩用橋。大橋全長(zhǎng)6.409 km，南北引橋主要為簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋跨度布置為：84 m+84 m+1092 m+84 m+84 m。橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)為：防水粘結(jié)層+下層澆筑式瀝青3.5 cm厚的GA10瀝青混凝土+粘結(jié)層+厚度為3.5 cm上層高彈改性瀝青SMA10。高彈改性瀝青混合料具有優(yōu)異疲勞壽命、良好的高低溫性能，適合于惡劣天氣、重載以及復(fù)雜交通狀況的橋面鋪裝[1]。

本文以五峰山大橋鋼橋面鋪裝研究為依托，重點(diǎn)圍繞瀝青鋪裝高溫性能和疲勞耐久性提升等方面進(jìn)行研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究了不同類型高彈瀝青混合料的路用性能及使用工藝，并對(duì)高彈SMA-10性能提升進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.1 高溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

本文采用車轍試驗(yàn)以檢驗(yàn)高彈改性AC-10瀝青混合料、半間斷型級(jí)配高彈瀝青混合料以及高彈SMA-10混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)條件：在(60±1)℃，(0.7±0.05)MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

高彈AC-10瀝青混合料60℃條件下動(dòng)穩(wěn)定度為4 650次/mm左右，雖然達(dá)到了規(guī)范中3 000次/mm的要求，但無(wú)法滿足五峰山跨江大橋高溫和重載使用條件。高彈復(fù)合級(jí)配瀝青混合料60℃條件下動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8 600次/mm左右；高彈SMA-10混合料60℃條件下動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8 300次/mm左右，抗車轍性能好。

2.2 低溫抗裂性實(shí)驗(yàn)

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)估三種材料的低溫抗裂性能：試驗(yàn)溫度-10℃，速率50 mm/min，試件尺寸250 mm×30 mm×35 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，三種瀝青混合料在低溫條件下彎曲應(yīng)變均大于規(guī)范要求的2 500 με，這與低溫條件下混合料動(dòng)態(tài)模量低、變形能力強(qiáng)的試驗(yàn)結(jié)果一致，保證了混合料在低溫狀態(tài)下的變形能力，提高了其抗裂性能。

2.3 水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)油石比及級(jí)配進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)三種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，三種瀝青混合料殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR均達(dá)到規(guī)范要求，高彈改性瀝青與礦質(zhì)集料粘附性能優(yōu)異，保證了混合料的水穩(wěn)定性。其中高彈SMA-10瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均在90%以上，具有很好的水穩(wěn)定性能，這是由于高彈改性瀝青SMA-10為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，0.075 mm通過(guò)率高，油石比高，瀝青膠漿與粗細(xì)集料具有良好的粘附性。

2.4 動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)

參照AASHTO TP-62試驗(yàn)方法，利用Superpave簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定了三種材料的動(dòng)態(tài)模量，動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)采用應(yīng)力控制方式。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 高彈混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，三種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均隨著溫度的升高而降低，隨著頻率的升高而增加。在低溫5℃、10 Hz條件下，高彈AC混合料的動(dòng)態(tài)模量為7 834 MPa，低溫下較低的動(dòng)態(tài)模量保證了其較好的抗裂能力；加載頻率為10 Hz時(shí)，低溫和常溫條件下，MGA的動(dòng)態(tài)模量分別為16 838、11 033 MPa，動(dòng)態(tài)模量適中，高彈SMA混合料模量高，保證了其在低溫條件下的具有一定的變形能力。

在高溫55℃、10 Hz條件下，高彈AC混合料動(dòng)態(tài)模量顯著降低，僅為445 MPa，混合料會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)變形，導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性不足。高彈MGA混合料和高彈SMA混合料模量較高，分別為1 752 MPa和900 MPa，具有較好的高溫穩(wěn)定性。

2.5 抗疲勞性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)于瀝青混合料的使用壽命，本次研究按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)變水平分別為500、600、700 με。將成型的400 mm×400 m×70 mm大車轍板試件切割成四點(diǎn)疲勞試件尺寸380 mm×63.5 mm×50 mm，試件數(shù)量9個(gè)，每個(gè)應(yīng)變水平采用三個(gè)平行試件進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命次數(shù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，從混合料疲勞壽命次數(shù)隨應(yīng)變水平變化趨勢(shì)可以看出，AC-10瀝青混合料應(yīng)變水平由500 με提高至600 με時(shí)，疲勞壽命有了大幅降低，疲勞性能相對(duì)較差。高彈MGA混合料在500 με條件下，疲勞壽命接近為27萬(wàn)次左右，在高應(yīng)變水平700 με條件下，疲勞壽命依然高達(dá)5萬(wàn)次以上，疲勞性能十分優(yōu)異。SMA-10瀝青混合料在500 με條件下，疲勞壽命達(dá)到20萬(wàn)次以上，在高應(yīng)變水平700 με條件下，疲勞壽命接近2.5萬(wàn)次具有優(yōu)異的疲勞性能。

3 高彈SMA-10性能提升研究

由前述力學(xué)分析可知，在高溫條件下，澆筑式瀝青混凝土層的模量急劇降低，提高上面層高溫穩(wěn)定性，對(duì)于降低鋪裝層車轍病害的發(fā)生具有積極作用。高彈瀝青上面層作為直接承受車輛荷載和外部自然環(huán)境的表面層，其路用性能的優(yōu)劣對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)使用壽命有重要影響。因此，本文對(duì)同時(shí)提升高彈瀝青上面層的高溫穩(wěn)定性和低溫柔韌性進(jìn)行了研究。

3.1 添加外摻劑

復(fù)合多效增強(qiáng)劑特點(diǎn)為含有羰基基團(tuán)的多鏈聚烯烴，熔點(diǎn)為120℃～140℃。會(huì)通過(guò)相似相容原理進(jìn)入瀝青中，降低瀝青的黏度，促使混合料在降低拌和溫度下仍然具備可靠的壓實(shí)黏度。此外羰基基團(tuán)由于和瀝青之間的極性相差很大而不溶于瀝青，羰基基團(tuán)上的氧原子會(huì)與集料表面的Ca2+，Mg2+等金屬離子形成配位鍵，降低瀝青與集料之間摩擦力，起到溫拌作用。配位鍵的形成增大了瀝青與集料之間的抗剝落性能，混合料的抗水損害明顯得到提升。當(dāng)瀝青和集料溫度低于復(fù)合多效增強(qiáng)劑的熔點(diǎn)時(shí)，復(fù)合多效增強(qiáng)劑在瀝青混合料中以固態(tài)形式存在，黏度顯著增大，提升了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.2 級(jí)配優(yōu)化

礦料級(jí)配對(duì)混合料的高溫性能有極大影響，SMA-10混合料為典型的間斷級(jí)配，其混合料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，按其級(jí)配上下限進(jìn)行的配合比設(shè)計(jì)具有較好的骨架結(jié)構(gòu)[2]。其級(jí)配范圍較廣，且在生產(chǎn)過(guò)程中SMA一般按級(jí)配中值進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步提高混合料的高溫穩(wěn)定性，可按級(jí)配中值與級(jí)配下限之間進(jìn)行控制，使混合料具有更優(yōu)良的骨架結(jié)構(gòu)。

3.3 優(yōu)化后SMA-10路用性能

為了提高澆筑式瀝青鋪裝上面層性能，在進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)使用了粗型SMA-10級(jí)配，以增強(qiáng)混合料的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)在混合料中摻入0.35%的復(fù)合增效劑，以期達(dá)到提高SMA10高低溫性能的目的。通過(guò)配合比設(shè)計(jì)，SMA-10最佳油石比為6.0%，合成級(jí)配如表6所示。

表6 SMA-10合成級(jí)配

為了研究?jī)?yōu)化后SMA-10的路用性能，按配合比進(jìn)行拌和了瀝青混合料，對(duì)成型相應(yīng)試件進(jìn)行了車轍試驗(yàn)以及小梁彎曲試驗(yàn)。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，優(yōu)化后最佳油石比降低為6.0%，動(dòng)穩(wěn)定度提升到14 000次/mm左右，提高了76%，表明優(yōu)化后SMA-10的高溫抗車轍性能得到顯著提高。此外，優(yōu)化后SMA-10的低溫彎曲應(yīng)變?yōu)? 140 με，與優(yōu)化前相比提高了6%，有略微提高?？傮w而言，經(jīng)過(guò)級(jí)配優(yōu)化并摻入復(fù)合增效劑后，SMA-10瀝青混合料在保證低溫抗裂性的同時(shí)，高溫抗車轍性能有了大幅度提高。

4 不同高彈混合料綜合比較

如表7所示，為不同類型高彈瀝青混合料性能綜合對(duì)比。

綜合對(duì)比高彈SMA、高彈AC和高彈MGA三種混合料性能，高彈SMA和高彈MGA綜合性能優(yōu)于高彈AC，可以更好地滿足五峰山鋼橋高溫重載使用條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)三種不同高彈改性瀝青混合料進(jìn)行了性能的試驗(yàn)研究，并對(duì)高彈SMA-10進(jìn)行了性能提升研究，重點(diǎn)提升鋪裝上面層材料的低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能，得到以下結(jié)論。

1)高彈SMA和高彈MGA高低溫模量均明顯高于高彈AC，高低溫條件下均具有較高的強(qiáng)度；MGA混合料則具有“低溫模量低，高溫模量高”的特性，兩者均可提高混合料在低溫下抗裂、高溫下抗車轍的綜合性能。

2)高彈SMA和高彈AC瀝青混合料均具有良好的水穩(wěn)定性能。

3)高彈SMA和MGA混合料60℃條件下動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8 000次/mm左右，相比高彈AC混合料抗車轍性能更好。

4)高彈SMA和MGA均具有良好的疲勞性能，且在各應(yīng)變水平下均明顯高于AC-10瀝青混合料，尤其是在高應(yīng)變水平下的疲勞性能。

5)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的高彈SMA混合料高溫抗車轍性能得到顯著提升，同時(shí)其低溫抗裂性有小幅度改善。

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