低空隙率密水型瀝青混合料抗永久變形能力研究

高群花

摘要 水泥橋面鋪裝對(duì)于防水性能要求較高，采用低空隙率密水型瀝青混合料能夠提高鋪裝結(jié)構(gòu)壽命。但混合料抗永久變形的能力會(huì)受到影響，車轍病害成為主要考慮的因素。文章使用循環(huán)單軸壓縮（動(dòng)載荷蠕變）方法，研究不同空隙率和不同級(jí)配類型的低空隙率密水型瀝青混合料的抗永久變形能力，結(jié)果表明，SMA比AC級(jí)配類型更適用于低空隙率密水型瀝青混合料，能夠提供更好的抗永久變形能力。

關(guān)鍵詞 永久變形；瀝青混合料；低空隙率；橋面鋪裝

中圖分類號(hào) U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0092-03

0 引言

混凝土梁橋能夠保持長壽命使用的先決條件之一，是使用高質(zhì)量的瀝青層密封橋面[1]。橋梁結(jié)構(gòu)中的瀝青層由磨耗層和保護(hù)層組成，鋪設(shè)在防水層上。典型的鋪裝材料是瀝青混凝土（AC）和瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。瀝青含量的增加、空隙率的降低，以及橋面鋪裝的特定運(yùn)行條件均可能導(dǎo)致永久變形，從而形成車轍。在剛性橋面上，由車輛荷載引起的橋面鋪裝中的應(yīng)力和壓縮應(yīng)變是主要因素，鋪裝層的耐久性很大程度上取決于其抵抗永久變形的能力[2]。高壓縮應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致瀝青層在高溫下產(chǎn)生過大的黏塑性應(yīng)變。應(yīng)變的值取決于剛度模量，而剛度模量則由溫度、荷載頻率、加載時(shí)間和荷載值決定。在夏季高溫期，路面溫度達(dá)到70 ℃（空氣溫度為35 ℃）時(shí)，高壓縮應(yīng)變尤為危險(xiǎn)[3]。

傳統(tǒng)橋面鋪裝結(jié)構(gòu)包括兩層，每層厚度約為4 cm。如果結(jié)構(gòu)層的材料在低溫下具有增強(qiáng)的應(yīng)力和應(yīng)變衰減能力，并且在高溫下具有適當(dāng)?shù)膭偠?，則可以使用薄橋面。瀝青混合料技術(shù)要求用于保護(hù)層，不建議只使用瀝青瑪蹄脂，盡管其密封性高，但可能抗變形能力差。耐久和安全的橋面鋪裝需要正確選擇材料、適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和最高質(zhì)量的性能。除此之外，還可以通過使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如用改性瀝青和增加瀝青含量的SMA[4]，以及其他新材料和技術(shù)方案，如用聚合物改性瀝青或添加橡膠屑的混合物來實(shí)現(xiàn)。

瀝青混合料在表面高溫狀態(tài)下抗永久變形性能可以通過多種參數(shù)來表征，這些參數(shù)可對(duì)材料特性進(jìn)行復(fù)雜而精確的描述。評(píng)估抗永久變形能力最常用的方法是在60 ℃的循環(huán)荷載下檢測單層瀝青混合料的車轍深度和車轍變形[5]，采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)沖孔貫入法對(duì)瀝青瑪蹄脂的硬度進(jìn)行了評(píng)定。瀝青混合料抗永久變形性能也可以采用40～60 ℃高溫下的壓縮蠕變?cè)囼?yàn)來評(píng)估，稱為單軸重復(fù)壓縮蠕變，圓柱形樣品受到垂直壓縮載荷，該載荷可以是靜態(tài)的或循環(huán)的。此類試驗(yàn)通常在實(shí)驗(yàn)室無側(cè)限單軸加載的條件下進(jìn)行。壓縮蠕變法是測定循環(huán)荷載作用下具有高瀝青含量、高密實(shí)的瀝青混合料性能的有效方法，因此采用該方法來評(píng)估抗永久變形能力，同時(shí)為了對(duì)比不同級(jí)配下不同空隙率對(duì)混合料抗永久變形能力的影響，分析了AC和SMA兩種級(jí)配類型以及六種不同空隙率下混合料的單軸重復(fù)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果。

1 材料與試驗(yàn)方法

對(duì)兩種混合料AC（AC-10）、SMA（SMA-10）的不同級(jí)配類型，共6種瀝青混合料進(jìn)行了抗永久變形試驗(yàn)，后綴為A（AC-A和SMA-A）的混合料瀝青含量為5%，后綴為B（AC-B和SMA-B）的混合料瀝青含量為6%，后綴為C（AC-C和SMA-C）的混合料瀝青含量為7%。要求設(shè)計(jì)級(jí)配曲線如圖1所示。

粗集料和細(xì)集料均采用玄武巖集料，原材料性能均符合規(guī)范要求。

瀝青混合料采用聚合物改性瀝青PMB45/80-55，瀝青含量變化范圍為5%～7%。所有瀝青混合料的計(jì)算空隙率如表1所示。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011），由密度和體積密度計(jì)算空隙率。

瀝青混合料采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型，在直徑100 mm、高150 mm的圓柱形鋼模中進(jìn)行壓實(shí)。根據(jù)150 mm壓實(shí)高度控制，壓實(shí)溫度為160 ℃。每種混合料制作5個(gè)平行試樣，通過增加瀝青含量實(shí)現(xiàn)低空隙率，以此獲得具有豐富瀝青砂漿和高瀝青含量的瀝青混合料試樣，即密水型瀝青混合料，并進(jìn)行了抗永久變形的性能測試。

為了評(píng)估瀝青混合料SMA和AC的抗永久變形能力，試驗(yàn)方案采用了單軸循環(huán)壓縮（動(dòng)載蠕變）法，該方法有效表征了低空隙率密水型瀝青混合料的高溫性能。

單軸循環(huán)壓縮法測試瀝青混合料的抗永久變形性能，用恒定的應(yīng)力荷載反復(fù)多次作用于試樣。測試包括3 600個(gè)加載循環(huán)，試驗(yàn)溫度為50 ℃，對(duì)每種瀝青混合料的5個(gè)平行試件均進(jìn)行了測試。試樣呈圓柱形，直徑100 mm，高150 mm，加載壓力為100 kPa。試驗(yàn)設(shè)備采用UTM-25，利用LVDT位移傳感器測量變形，測得最終試樣變形的周期-應(yīng)變曲線。

2 單軸循環(huán)壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖2、圖3所示，給出了不同空隙率下SMA和AC混合料的單軸循環(huán)壓縮抵抗永久變形的測試結(jié)果。

根據(jù)圖2所示的SMA混合料試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該SMA均具有較高的抗永久變形能力。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是在對(duì)循環(huán)壓縮試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行初步評(píng)價(jià)和比較的基礎(chǔ)上確定的。在初始測試階段，垂直應(yīng)變顯著增加，隨之應(yīng)變趨于穩(wěn)定。當(dāng)空隙率為3.6%和1.3%時(shí)，圖的斜率相似，說明彈性部分在復(fù)合材料中占主導(dǎo)地位。SMA混合料抗永久變形性能高的原因很可能是選用了合適的間斷級(jí)配的承載板。

根據(jù)圖3所示的AC混合料的試驗(yàn)結(jié)果可知，與SMA混合料相比，AC混合料抗永久變形能力更低。與SMA混合料相似，在車轍初期垂直應(yīng)變大幅增加，之后應(yīng)變趨于穩(wěn)定。與空隙率為3.7%的混合料相比，空隙率為1.5%的混合料斜率更大，說明隨著復(fù)合材料中瀝青含量的增加，瀝青部分占主導(dǎo)地位。與SMA相比，AC對(duì)空隙率的變化更為敏感。

如圖4所示，給出了空隙率最低的SMA（SMA-C）和AC（AC-C）的抗永久變形性能的比較。

對(duì)比SMA-A和AC-A兩種空隙率最高的瀝青混合料抗永久變形性能試驗(yàn)，可以看出它們?cè)跇蛎驿佈b結(jié)構(gòu)中的作用相似。兩種混合物的應(yīng)變?cè)黾樱▓D的斜率）相似。然而，AC混合料具有更大的變形，這可能導(dǎo)致其與SMA相比抗永久變形能力降低。這是由于其級(jí)配中碎細(xì)集料量較高。

由圖4可以看出，SMA-C和AC-C兩種混合料的變形試驗(yàn)結(jié)果相差很大。當(dāng)AC的空隙率為1.5%時(shí)，可以認(rèn)為AC為密實(shí)型。然而，AC-C混合料應(yīng)變的大幅增加表明該混合料處于“流動(dòng)狀態(tài)”，混合料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的剪切變形，無法在橋面結(jié)構(gòu)中有效抵抗車轍變形，特別是在夏季高溫環(huán)境下。與SMA混合材料相比，該材料在更大范圍內(nèi)是黏性的。SMA-C混合料變形水平保持穩(wěn)定增加，施加的應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)近似恒定。

如圖5、圖6所示，分別為采用單軸循環(huán)壓縮法對(duì)不同空隙率的SMA和AC混合料進(jìn)行動(dòng)載蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)累積變形和變形率的結(jié)果。

由圖5、圖6可以看出，兩種混合料僅在最高空隙率時(shí)存在相似之處。隨著混合料的空隙率下降，蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果有很大不同，SMA保持了試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，而AC蠕變顯著增加，這表明了該混合料對(duì)空隙率變化的敏感性。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的抗永久變形敏感性在很大程度上取決于其級(jí)配。通過相關(guān)性分析和方差分析，SMA混合料具有較高的膠漿結(jié)構(gòu)，其變形敏感性不會(huì)隨著空隙率的減少而顯著增加。對(duì)于連續(xù)級(jí)配的AC混合料，隨著空隙率的減少，其抗永久變形能力大幅降低。此外，在單軸循環(huán)壓縮試驗(yàn)中，瀝青混合料的空隙率與瀝青混合料的抗永久變形能力之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性（Pearson相關(guān)系數(shù)r=0.68）。

增加SMA和AC混合料的瀝青含量對(duì)降低其抗永久變形性能的作用機(jī)制是不同的。SMA混合料特點(diǎn)是間斷骨架型級(jí)配，由粗集料相互嵌擠而成的骨架結(jié)構(gòu)旨在傳遞車輛荷載。增加瀝青含量來減少這類混合料的空隙率并不會(huì)顯著降低其抗永久變形能力。瀝青填充骨架顆粒之間的空隙，而不改變其骨架結(jié)構(gòu)。AC混合料是連續(xù)級(jí)配，增加瀝青含量可顯著降低集料間的接觸，因此，其抗永久變形能力降低。

3 結(jié)論

橋梁瀝青混合料的設(shè)計(jì)與用于地面的瀝青混合料不同。這些混合料的主要特點(diǎn)是密封性和抗永久變形。瀝青含量的增加和橋面的特定使用條件可能導(dǎo)致永久變形，從而形成車轍。各種瀝青混合料可用于橋面施工，在實(shí)際工程中，通常包括AC和SMA兩種典型的級(jí)配類型。該研究對(duì)低空隙率密水型瀝青混合料的抗車轍性能進(jìn)行了比較，利用單軸循環(huán)壓縮試驗(yàn)測試了不同空隙率的瀝青混合料的抗永久變形能力。形成如下結(jié)論：

（1）在空隙率為1.3%～3.6%的范圍內(nèi)，SMA具有較高的抗永久變形能力，表明在高溫下，彈性部分在其黏彈性力學(xué)行為中占據(jù)主導(dǎo)地位。

（2）當(dāng)AC的空隙率在1.5%～3.7%之間時(shí)，其抗永久變形（蠕變）能力變差，特別是在空隙率較低的情況下，這表明在高溫下，其黏彈性力學(xué)行為中黏性部分占主導(dǎo)地位。

（3）由于可能設(shè)計(jì)出更高的膠體結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮采用SMA作為低空隙率下抗永久變形的混合料，與AC相比，SMA具有在低空隙率情況下更好的抗車轍性能。

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