澆注式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)的評述

邵 莉，王 彬

（中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津市 300074）

1 概述

澆注式瀝青混凝土是在高溫狀態(tài)下（約220℃～260℃）進(jìn)行拌合，混合料攤鋪時(shí)流動性大，依靠自身的流動性攤鋪成型，無須碾壓，瀝青、礦粉含量較大，空隙率小于1%的一種特殊的瀝青混合物[1]。這種材料基本上無空隙，不透水，耐侵蝕性好，耐凍融循環(huán)能力強(qiáng)，是最為耐久的一種瀝青混合物；耐磨性優(yōu)良；變形能力強(qiáng)，低溫時(shí)不易產(chǎn)生裂紋；施工時(shí)無需碾壓，可以在低溫環(huán)境下進(jìn)行施工。因此這一材料在高速公路路面、大跨徑橋梁橋面鋪裝、隧道內(nèi)鋪裝，水工壩體心墻等防水結(jié)構(gòu)，人行道等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。它的應(yīng)用與研究在我國尚屬探索與發(fā)展階段，僅在香港青馬大橋等幾座大跨徑橋梁、某些城市的隧道內(nèi)鋪裝上得到了應(yīng)用。

澆注式瀝青混凝土作為一種懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度主要取決于瀝青與填料交互作用而產(chǎn)生的粘聚力，因此必須重視其高溫穩(wěn)定性。在混合料設(shè)計(jì)當(dāng)中，高溫穩(wěn)定性同樣是首要考慮的因素之一，而各國在指標(biāo)上的基本差異也主要是在該性能指標(biāo)上。德國采用40℃貫入試驗(yàn)方法，英日采用輪轍試驗(yàn)方法，俄羅斯采用高溫抗壓強(qiáng)度方法。我國地處世界最大的歐亞大陸板塊的東部，是季風(fēng)氣候最典型、最強(qiáng)烈的大陸，由于地形構(gòu)造與氣象規(guī)律的特殊性，我國廣大地區(qū)與世界同緯度地區(qū)相比，夏季炎熱，冬季寒冷，年溫差大[2]。因此在引進(jìn)這一新材料的時(shí)候，必須對其高溫性能重新評價(jià)，對試驗(yàn)方法、評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析研究。

2 貫入試驗(yàn)

澆注式瀝青混凝土技術(shù)在德國較為成熟，貫入試驗(yàn)也成為了世界各國評價(jià)澆注式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的基本方法，所采用的指標(biāo)為貫入度與貫入度增量。

貫入試驗(yàn)方法[3]（按照德國的規(guī)范規(guī)定內(nèi)容）如下：在瀝青混凝土試件（尺寸是100 mm×100 mm×50 mm或者是直徑100 mm、高度50 mm）表面上安置一個(gè)直徑是2.52 cm（面積是5 cm2）的金屬壓頭。壓頭上的荷載為514.8 N，荷載持續(xù)30 min后測定貫入深度，60 min后測定貫入度增量。試驗(yàn)時(shí)試件的溫度是40℃。根據(jù)德國的規(guī)范，貫入深度的范圍是1～6 mm，貫入度增量要求不大于0.4 mm。在一些國家貫入試驗(yàn)的試驗(yàn)條件略有不同，如匈牙利的試驗(yàn)溫度是20℃，而荷載的持續(xù)時(shí)間為5 h。國內(nèi)重慶交通科研設(shè)計(jì)院在引進(jìn)澆注式瀝青混凝土之后，開展了一些前期探索性研究。參照德國與日本規(guī)范的規(guī)定，提出試驗(yàn)溫度可以在40℃～60℃，貫入度標(biāo)準(zhǔn)為1～4 mm，見圖1、圖2。

圖1 貫入儀結(jié)構(gòu)圖

圖2 貫入試驗(yàn)變形曲線

可以看出，貫入深度均在4 mm以內(nèi)，貫入度增量隨油石比的增加逐漸增大；混合料變形均隨時(shí)間的增加而增大，增長趨勢隨時(shí)間增加和油石比的減少而逐漸變緩；有側(cè)限比無側(cè)限條件下的變形和增長趨勢要大得多。從有側(cè)限和無側(cè)限的試驗(yàn)結(jié)果來看，應(yīng)當(dāng)采用有側(cè)限貫入試驗(yàn)，它反映了材料的受力模式。貫入試驗(yàn)通過變形值評價(jià)瀝青混凝土的高溫抗變形能力，試驗(yàn)方法簡單，適宜推廣應(yīng)用，因此在我國應(yīng)用澆注式瀝青混凝土初始階段，可以參照德國規(guī)范的規(guī)定，采用這一試驗(yàn)方法及指標(biāo)評價(jià)瀝青混凝土，并作為混合料配合比設(shè)計(jì)的基本控制指標(biāo)，而試驗(yàn)溫度可以根據(jù)溫度區(qū)域分別規(guī)定一定的范圍。

3 輪轍試驗(yàn)

國外澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性采用英國車轍試驗(yàn)進(jìn)行檢測，以車轍深度和車轍率作為評價(jià)指標(biāo)。國內(nèi)澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測，以60℃動穩(wěn)定度不小于800次/mm作為評價(jià)指標(biāo)。重慶交通科研設(shè)計(jì)院以45 min和60 min的位移及60℃的動穩(wěn)定度作為評價(jià)指標(biāo)，在進(jìn)行大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，動穩(wěn)定度離散性大，數(shù)值在300～4 000次/mm之間變動。以江陰長江公路大橋橋面澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果[4]為例，見表1。

表1 澆注式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果比較

可以看出，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了英國的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，卻沒有達(dá)到中國高速公路的基本標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，這與兩國所處的地理位置和具有的氣候特征關(guān)系密切，同時(shí)也是由車轍試驗(yàn)這種試驗(yàn)方法所決定的。車轍試驗(yàn)是一種工程試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果是工程指標(biāo)而不是力學(xué)參數(shù)，因此目前還不能用于理論計(jì)算[5]。另外，車轍試驗(yàn)結(jié)果也受許多因素，如材料性質(zhì)、瀝青用量、混合料級配、試驗(yàn)溫度以及路面組成結(jié)構(gòu)等影響。所以，組合結(jié)構(gòu)的車轍試驗(yàn)比混合料車轍試驗(yàn)更能反映實(shí)際路面車轍情況。

4 高溫下抗壓強(qiáng)度

前蘇聯(lián)道路聯(lián)盟在澆注式瀝青混凝土應(yīng)用研究結(jié)論中，采用兩個(gè)指標(biāo)預(yù)估評價(jià)其抗變形穩(wěn)定性：貫入度（按照德國方法），50℃瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度。表2和圖3所列為該研究單位的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]。

表2 材料技術(shù)指標(biāo)

圖3 貫入度、密度、馬歇爾穩(wěn)定度和超聲波速與瀝青用量的關(guān)系

最終提出澆注式瀝青混凝土的物理－力學(xué)特性基本指標(biāo)應(yīng)該滿足以下要求：碎石式瀝青混凝土的礦料間隙率不大于20%，砂粒式的不大于22%；體積殘留空隙率不大于2%；體積含水率不大于1%；貫入深度對于碎石式瀝青混凝土在1～4 mm之間，對于砂粒式在3～6 mm之間；50℃極限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa。

一些國家規(guī)定采用抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，特別是高溫（50℃）抗壓強(qiáng)度，澆注式瀝青混凝土允許值比碾壓瀝青混凝土低一些。但抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中所記錄的破壞荷載極限值經(jīng)常表現(xiàn)得不夠精確。

有些學(xué)者在進(jìn)行這方面研究的時(shí)候，對比了馬歇爾穩(wěn)定度、貫入度、高溫抗壓強(qiáng)度以及一種無破損檢測的試驗(yàn)方法之間的相互關(guān)系。其結(jié)論表明，由低的馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)（對應(yīng)的是高的貫入度）和低的密度值所確定的瀝青用量是富余的（與碾壓瀝青混凝土而言）。瀝青混凝土當(dāng)中超聲波振動傳播速度的改變很好地符合上述指標(biāo)與瀝青用量之間的關(guān)系。

5 結(jié)論與展望

由于澆注式瀝青混凝土在德國等國家的應(yīng)用較為成熟，貫入試驗(yàn)這一方法已經(jīng)得到普遍的認(rèn)可。因此可以將貫入度與貫入度增量作為澆注式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性評價(jià)的基本指標(biāo)，同時(shí)輔以組合結(jié)構(gòu)的車轍試驗(yàn)，具體的標(biāo)準(zhǔn)有待深入的研究確定。

澆注式瀝青混凝土的力學(xué)性能更主要的取決于膠漿性能，同時(shí)這一材料由于膠漿的粉膠比大、瀝青粘度大，因此低溫可能變脆進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，這一問題前蘇聯(lián)的同行已經(jīng)予以重視，并進(jìn)行了大量的研究，但我國尚屬空白，可以從流變學(xué)的角度對膠漿進(jìn)行研究，考慮高、低溫性能的綜合評價(jià)。在高溫方面，筆者已經(jīng)進(jìn)行了初步的探討，發(fā)現(xiàn)車轍因子G*/sinδ與粉膠比呈良好的線性關(guān)系，同時(shí)高粉膠比延緩了改性瀝青彈性的喪失，提高了其高溫穩(wěn)定性。澆注式瀝青膠漿的高、低溫性能還有待于進(jìn)一步研究。

[1]李洪濤,黃衛(wèi).澆注式瀝青混凝土在日本橋面鋪裝上的應(yīng)用[J].華東公路,1999(3):39-42.

[2]香港天文臺氣象資料[EB/OL]http://gb.weather.gov.hk/wxinfo/climat/world/chi/world_climat_c.htm.

[3]DIN-Taschenbuch 76 Verkehrswegebauarbeiten VOB/StLB/STLK[Z].

[4]江陰長江公路大橋橋面澆注式瀝青混凝土鋪裝研究技術(shù)報(bào)告[R].江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,東南大學(xué)交通學(xué)院.2000,35.

[5]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6]張力,陳仕周.鋼橋面鋪裝技術(shù)的研究與發(fā)展[J].公路,2001(1):3-6.

[7]Л.Б.Гезенцвей,Н.В.Горелышев,А.МБ огуславский,И.В.КоролевПодред,ЛВГезенцвеяДорожныйасфальто бетон[J].Транспорт.,1985,252-267.

[8]呂偉民.瀝青混合料設(shè)計(jì)原理與方法[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2001,299-305.