基于橋面鋪裝的多種瀝青混合料性能研究

謝勝加，蔡蕓飛，陳向科，程志強，賀俊璽

[1.上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433；2.上海綠色路面材料工程技術研究中心，上海市 200433；3.上海滬申高速公路建設發(fā)展有限公司，上海市 200063；4.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市 201804]

0 引 言

橋面鋪裝是橋梁行車體系的重要組成部分，既可以保護橋面板免受車輛、雨水等環(huán)境因素的影響，又可以承受車輛荷載并分散橋面板的應力[1，2]。然而由于材料特點及環(huán)境因素的耦合影響，作為鋪裝層材料的瀝青混凝土一直是水泥混凝土橋面鋪裝體系的薄弱環(huán)節(jié)。隨著交通量的持續(xù)增長和重型車輛荷載的增加，在高溫和長時間車輛循環(huán)荷載作用下，鋪裝層瀝青混合料很容易因抗永久變形能力不足引發(fā)車轍等病害，從而影響行車體感[3，4]。

瀝青的黏彈性受交通荷載、極限服役溫度或溫度變化影響較大，可能發(fā)生車轍、疲勞開裂或溫縮裂縫等病害[5]。因此，提高鋪裝材料的性能對延長使用壽命是至關重要的。

目前橋面鋪裝材料主要為SBS/ 高黏/ 高彈/ 重載等改性瀝青混合料。苯乙烯-丁二烯- 苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）是目前最有效且最常用的瀝青改性劑，SBS 改性瀝青表現(xiàn)為兩相結構，即富瀝青質相和富SBS 相，SBS 和瀝青都能保持各自的基本結構和物理特性。SBS 吸收瀝青中的輕質組分而溶脹，從而體積分數(shù)大于質量分數(shù)[6-8]。當SBS 含量較少時，改性瀝青中富瀝青質相為連續(xù)相、富SBS 相為分散相[9-11]。隨著SBS 含量的增加，改性瀝青熔融黏度增大，可能會導致施工和易性變差、離析風險增加，材料熱儲存不穩(wěn)定[12-13]。提高SBS 與瀝青之間的相容性、降低熔融黏度、延長剪切發(fā)育的時間可以使改性劑均一分布，對于高含量SBS 改性瀝青達到預期的性能是至關重要的。高黏改性瀝青因其高溫抗車轍性能好、對集料附著力強而被廣泛應用。將7%的SBS 改性劑與4%的增粘樹脂復合改性基質瀝青，可以制備出具有良好路用性能的高黏瀝青。在基質瀝青中加入6%的SBS、4%的糠醛精油、0.2%的硫，所制備出的高黏度改性瀝青則可以改善瀝青的整體性能[14-16]。高彈改性瀝青SMA-10，往往被認為具有更好的低溫抗裂性和疲勞性能。李攀研究了一種適用于山區(qū)橋面鋪裝的高彈改性瀝青混合料，增強了其瀝青混合料的抗老化性和疲勞性能[17，18]。澆注式瀝青混凝土則是在高溫狀態(tài)下進行拌合，依靠自身的流動實現(xiàn)密實成型，僅需用簡單的攤鋪整平即可完成施工，并能達到規(guī)定的密實度和平整度。由于澆注式瀝青獨特的防水、抗老化性能和抗疲勞性能，目前也已被廣泛應用于橋面鋪裝[19]。

因此，本文基于AC-10、AC-13、AC-20、GA-10、SMA-10 以及SMA-13 六種級配，采用SBS 改性瀝青、高黏改性瀝青、高彈改性瀝青、重載交通改性瀝青以及澆筑式瀝青五種瀝青，進行混合料路用性能研究，進一步探究適用于橋面鋪裝的瀝青混合料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所采用瀝青主要為：SBS 改性瀝青、高黏改性瀝青、重載交通專用改性瀝青、高彈改性瀝青以及澆筑式改性瀝青，其性能指標見表1～表5。

表2 高黏改性瀝青性能指標

表3 重載交通專用改性瀝青性能指標

表4 高彈改性瀝青性能指標

表5 澆筑式改性瀝青性能指標

礦粉是在瀝青混合料中填充微小空隙的材料，主要有兩個作用，一是填充瀝青混合料的空隙，二是和瀝青共同形成膠漿，提高混合料自身的強度和穩(wěn)定性。本研究采用石灰?guī)r礦粉，其性能指標見表6。

表6 礦粉性能指標

纖維作為穩(wěn)定劑加入到瀝青混合料中可有效提高瀝青混凝土的低溫抗裂、高溫抗車轍等路用性能。本研究所采用的纖維穩(wěn)定劑為木質素纖維，其作用機理是纖維的加入增加了瀝青的黏度，使瀝青牢牢地裹附在集料的表面，纖維作為改性劑大大改善了瀝青的抗老化能力，使得瀝青混合料在外荷載與溫度等環(huán)境因素作用下可以獲得更長的使用壽命，研究采用木質素纖維用量為瀝青混合料質量的0.3%。木質素纖維性能指標見表7。

表7 木質素纖維性能指標

1.2 試驗方法

本研究采用了六種級配，即AC-10、AC-13、AC-20、SMA-10、SAM-13、GA-10，見圖1。其瀝青混合料配合比設計依照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）進行。采用13 種瀝青混合料進行性能研究，即：AC-10 高彈改性、AC-10 普通改性、AC-13 普通改性、AC-20 高黏改性、GA-10 澆筑瀝青、SMA-10 高彈改性、SMA-10 高黏改性、SMA-10 普通改性、SMA-13 高彈改性、SMA-13 高黏改性、SMA-13 普通改性、AC-20 重載改性、SMA-13 重載改性，其油石比見圖2。

圖1 瀝青混合料配合比

圖1 瀝青混合料配合比

圖2 不同瀝青混合料的油石比設定

本文對上述13 種不同的瀝青混合料分別進行車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、單軸貫入試驗、動態(tài)模量試驗、劈裂試驗、疲勞試驗，以綜合研究其路用性能。

2 結果與討論

2.1 體積參數(shù)

瀝青混合料的體積參數(shù)反應了壓實后瀝青混合料各組成材料之間質量與體積的關系，與其路用性能有著緊密的關系，本文13 種瀝青混合料的體積參數(shù)見圖3、圖4。

圖3 瀝青混合料空隙率

圖4 瀝青混合料飽和度

結合圖2 不同瀝青混合料的油石比變化以及圖2～圖4 可知，SMA 類瀝青混合料油石比整體高于AC 類瀝青混合料，隨著最大粒徑提高，瀝青混合料油石比有所減小。高黏和高彈改性瀝青對于SMA 類瀝青混合料影響低于AC 類瀝青混合料。需要注意的是GA 澆筑式瀝青混合料油石比高于其他類混合料，這與其特殊的結構組成有關，需要在施工過程具有較好的流動性。AC-20 和SMA-13 重載改性混合料的油石比小于對應級配高黏或高彈改性瀝青混合料。

相比于AC 類瀝青混合料，SMA 類瀝青混合料具有更為嚴格的空隙率要求（3%～4%），故整體空隙率要低于AC 類瀝青混合料。隨著最大粒徑的提高，瀝青混合料的空隙率有所增加。由于具有較高的油石比以及細集料，GA 澆筑式瀝青混合料具有最小的空隙率。相比于AC-20 高黏改性瀝青混合料，AC-20重載改性瀝青混合料具有更低的空隙率。

SMA 類瀝青混合料的飽和度則要高于AC 類瀝青混合料，其中隨著最大粒徑增加，瀝青混合料飽和度降低。GA 澆筑式瀝青混合料具有最高的飽和度由于較高的油石比。

2.2 高溫車轍試驗

瀝青混合料是溫度敏感性材料，溫度較低時表現(xiàn)為彈性性質，隨著溫度升高，逐漸表現(xiàn)為粘彈性，溫度升高到一定程度后表現(xiàn)為彈塑性。目前高溫穩(wěn)定性分析常用試驗為車轍試驗，在車輛荷載的作用下路面發(fā)生較大變形，當荷載消失后有部分變形無法恢復，稱之為殘留變形，形成車轍病害。各種混合料車轍試驗結果見圖5、圖6。

圖5 瀝青混合料動穩(wěn)定度試驗結果

圖6 60 min 永久變形深度（單位：mm）

根據(jù)圖5、圖6 可知，細粒式AC 類混合料的動穩(wěn)定度要小于細粒式SMA 類瀝青混合料，說明SMA類混合料具有較好抵抗車轍能力。AC-20 和SMA-13 高黏改性瀝青具有較高的動穩(wěn)定度。相比于高彈改性瀝青，高黏改性瀝青可以更好地提高瀝青混合料抵抗車轍能力，從而提高高溫性能。由于高彈改性瀝青具有較高比例的彈性組分，AC-10、SMA-10 和SMA-13 高彈改性瀝青混合料的60 min永久變形高于其他普通改性和高黏改性瀝青混合料。GA-10 澆筑式瀝青具有最低的動穩(wěn)定度以及最大的變形深度，但滿足了對應規(guī)范要求（大于500）。AC-20 和SMA-13 重載改性瀝青混合料動穩(wěn)定度小于對應級配高黏改性瀝青混合料，且具有較大的變形深度，說明其抵抗車轍能力稍弱于高黏改性瀝青混合料。

2.3 低溫彎曲試驗

瀝青混合料的低溫彎曲試驗是直接測量在低溫環(huán)境下三點荷載下梁試件的彎曲抗拉強度和低溫剛度模量。在試驗過程中，梁的中部受到剪切力和彎矩的影響，可以有效地模擬汽車載荷作用下材料的應力狀態(tài)。其試驗結果見圖7。

圖7 低溫小梁彎曲破壞應變試驗結果

根據(jù)圖7 可知，GA-10 澆筑式瀝青混合料具有最大的彎拉應變。相比于普通改性瀝青，高彈改性瀝青與高黏改性瀝青均可以增加混合料的最大彎拉應變，從而提高瀝青混合料抵抗低溫開裂的能力，高彈改性瀝青對于彎拉應變提升效果更顯著。需要注意的是，高彈改性瀝青對于SMA-13 級配提升效果一般。重載改性瀝青混合料的最大彎拉應變要大于對應高黏改性瀝青混合料，說明重載改性瀝青在提高混合料抵抗低溫開裂能力上要強于高黏改性瀝青。

2.4 浸水馬歇爾試驗

水損害是瀝青路面的主要病害之一，水由于車輛車輪動態(tài)荷載作用，進入路面空隙中，產生動水壓力或者真空負壓抽吸，如此反復循環(huán)，水分會逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低并逐漸喪失粘結力，進而產生瀝青混合料掉粒、松散，形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等損壞現(xiàn)象。浸水馬歇爾試驗以殘留穩(wěn)定度比表征水穩(wěn)定性，其試驗結果見圖8。

圖8 瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度結果

根據(jù)圖8 可知，AC 類瀝青混合料隨著集料最大粒徑增加浸水殘留穩(wěn)定度增加，GA-10 澆筑式瀝青由于油石比高以及空隙率小的特點具有最高的浸水殘留穩(wěn)定度。AC-10 普通改性混合料的浸水殘留穩(wěn)定度最低。高黏和高彈改性瀝青可以提高瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度，提高水穩(wěn)定性。相比于高黏和高彈改性瀝青，SMA-13 重載改性瀝青混合料具有更高的浸水殘留穩(wěn)定度。

2.5 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗能將實際道路表面受到的水危害集中并強化體現(xiàn)，在很短時間內能夠模擬瀝青路面長時間受到水損害，較為直觀觀測路面實際工作環(huán)境，其試驗結果見圖9。

圖9 瀝青混合料凍融抗拉強度比試驗結果

根據(jù)圖9 可知，GA-10 澆筑式瀝青凍融劈裂強度依然較高，試驗結果和浸水馬歇爾試驗結果有較好的關聯(lián)，進一步證明其良好的水穩(wěn)定性。對AC-10和SMA-13 混合料，浸水馬歇爾強度與凍融劈裂強度相關性較差。對于SMA10 混合料，高黏和高彈改性瀝青均可以提高凍融抗拉強度比。就整體而言，SMA-13 和AC-20 重載改性瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性。

2.6 單軸貫入試驗

單軸貫入試驗評價瀝青混合料的抗剪性能，貫入強度越大，混合料的高溫抗剪性能越好。且其對瀝青混合料產生的剪應力狀態(tài)基本與實際瀝青路面相似，甚至重合。試驗結果見圖10。

圖10 單軸貫入抗剪強度試驗結果

根據(jù)圖10 可知，高黏和高彈改性瀝青能夠改善大部分瀝青混合料的抗剪性能。GA-10 澆筑式瀝青混合料具有最低的抗剪強度以及最差的高溫抗剪性能。SMA-13 和AC-20 重載改性瀝青混合料明顯優(yōu)于其他混合料，說明重載改性瀝青對混合料的抗剪性能有較好的提升效果。

2.7 劈裂抗拉強度試驗

劈裂試驗是將載荷通過壓條作用在圓柱形試件上，將試件劈裂直至破壞，通過施加壓力使試件產生拉伸應力來間接測量材料的抗拉強度，試驗結果見圖11。

圖11 劈裂抗拉強度試驗結果

根據(jù)圖11 可知，GA-10 澆筑式瀝青混合料的抗劈裂性能較好。從級配角度上來看，SMA 類瀝青混合料抗劈裂強度高于AC 類瀝青混合料，這是因為SMA 類瀝青混合料屬于骨架密實類，集料的嵌擠起到了抵抗劈裂荷載的作用。對于SMA 類瀝青混合料，高黏改性瀝青和高彈改性瀝青比普通改性瀝青具有更好的抵抗劈裂抗拉的能力。重載改性瀝青對于瀝青混合料的劈裂抗拉能力有顯著提高，提升效果好于其他改性瀝青。隨著試驗溫度提升為20℃，重載改性瀝青混合料劈裂強度均有所減小，SMA-13 和AC-20 重載改性瀝青混合料的劈裂強度分別降低了15.0%和13.6%。

2.8 動態(tài)模量試驗

理論上分析動態(tài)模量更符合實際鋪裝層結構的受力情況，其不僅反映應力與應變的力學性質，更主要反映了不同荷載下材料的動態(tài)響應特性。因此，研究鋪裝層瀝青混合料在動態(tài)荷載作用下的性質和變化規(guī)律，確定其相關參數(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。試驗前將試件放置于溫控箱保溫5 h，試驗溫度20℃，頻率10 Hz，試驗結果見圖12。

圖12 20℃10 Hz 瀝青混合料動態(tài)模量試驗結果

根據(jù)圖12 可知，AC 類瀝青混合料隨著最大粒徑的增加，動態(tài)模量逐漸增加。就級配而言，同種改性瀝青AC 類與SMA 類混合料動態(tài)模量相近，沒有相差太大。相比于普通改性，高黏改性對于瀝青混合料的動態(tài)模量有提升的效果，但高彈改性會起到降低的效果。AC-20 和SMA-13 重載改性瀝青混合料具有最大的動態(tài)模量，說明重載瀝青表現(xiàn)出較好的改性效果。

3 結 論

（1）GA 澆筑式瀝青混合料的油石比遠高于SMA類與AC 類瀝青混合料，重載瀝青混合料其油石比低于高黏、高彈以及SBS 改性瀝青混合料。SMA 類瀝青混合料的孔隙率小于AC 類，但瀝青飽和度大于AC 類。

（2）基于級配設計，車轍試驗、單軸貫入試驗均表明，GA 類澆筑式瀝青混合料性能最差，SMA 類優(yōu)于AC 類。劈裂試驗與疲勞試驗表明，SMA 類優(yōu)于AC 類。低溫彎曲試驗與浸水馬歇爾試驗表明，GA 類澆筑式瀝青混合料性能最優(yōu)。凍融劈裂試驗與動態(tài)模量試驗表明，SMA 類與AC 類無明顯差異性。故級配SMA 類優(yōu)于AC 類，GA 澆筑式瀝青混合料高低溫性能差異較大。

（3）基于瀝青種類，車轍試驗表明，高黏類瀝青混合料性能最優(yōu)，其次為高彈類和重載類，SBS 改性類最差。低溫彎曲試驗表明，高彈類瀝青混合料性能最優(yōu)，重載類優(yōu)于高黏類，最后為SBS 改性類。浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、單軸貫入試驗、劈裂試驗、動態(tài)模量試驗均表明，重載類瀝青混合料性能最優(yōu)，高彈類較差。