桥面铺装抗推移沥青混合料设计及性能研究

唐乾富， 吴维平， 蔡文龙， 杨 响

(1.江西贛粤高速公路股份有限公司， 江西 南昌 333000； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司, 江苏 南京 211806)

桥面铺装抗推移沥青混合料设计及性能研究

唐乾富1， 吴维平1， 蔡文龙2， 杨 响2

(1.江西贛粤高速公路股份有限公司， 江西 南昌 333000； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司, 江苏 南京 211806)

在对桥面铺装抗推移混合料性能需求分析的基础上，采用SBS改性沥青与复合增效剂进行复合改性，开发出抗推移性能优异、施工和易性优良的AC-13C型抗推移混合料，提出相应的混合料的设计方法，并对其力学性能性能进行了深入评价，建立了相应的设计与性能指标体系。

桥面铺装； 沥青混合料； 抗推移设计； 力学性能

0 引言

我国大部分水泥混凝土桥面采用沥青混凝土铺装，由于沥青铺装层具有各项性能良好，后期可直接将铺装层铣刨便于养护[1]。但水泥混凝土桥面铺装技术研究在我国尚处于研究阶段，尚未建立完整的桥面铺装结构设计方法和相关规范。桥面沥青铺装层的各项性能直接影响到桥面的服务水平和行车安全，由于桥面承受交通压力较大，大部分桥面铺装层还未到设计使用年限就出现推移、拥包、松散、水损害、开裂等病害[2]。因此如何提高桥面铺装的耐久性，确保桥面铺装的服务水平，是当今急需解决的问题。桥面在服役过程中，同时受到拉应力和剪应力相互作用，需要提升铺装层沥青混合料抗拉和抗剪性能，本文对桥面铺装抗推移沥青混合料进行了设计和研究，在满足铺装层路用性能的同时又具有较长使用寿命和抗推移性，从而提升桥面铺装的耐久性，具有良好的经济效益和社会效益。

1 桥面铺装抗推移沥青混合料性能要求

桥面在服役过程中，同时承受较大的拉应力和剪应力，如桥面沥青混合料力学性能不足，防水粘层与桥面水泥混凝土板的粘结力不足，就会产生疲劳开裂、推移、拥包等病害[3]，因此，桥面铺装层沥青混合料应具备如下性能： ①高温稳定性较好，确保桥面铺装能够在高温季节，避免出现车辙、推移等病害； ②低温抗裂性能较好，确保桥面铺装在冬季寒冷季节具有良好的应力松弛性能，防止桥面铺装层开裂； ③抗水损害性能好，确保桥面铺装在雨水条件下不会出现剥落损坏现象，提升铺装的耐久性； ④抗滑性能好，确保潮湿桥面的行车安全，此外能够增加铺装层与桥面板的粘结性能；⑤耐久性好，混合料耐久性是指其具有良好的抗疲劳性能、水稳定性、抗老化性能，确保桥面铺装在苛刻的外界条件下具有良好的使用性能。

2 抗推移沥青混合料配合比设计

抗推移混合料主要是提升混合料的高温稳定性、低温抗裂性能、力学性能和疲劳性能，因此采用SBS和多链聚烯烃(为低熔点聚乙烯蜡，软链段大于20%的橡胶和硬链段的聚烯烃构成的热塑性聚烯烃弹性体，推荐掺量为0.35%)复合改性技术，用于提升混合料的各项性能，从而确保桥面铺装的耐久性。

2.1 原材料性能试验

对抗推移混合料所采用的原材料进行基本性能测试[4]，结果如表1和表2所示。

2.2 沥青混合料级配选择

抗推移混合料采用普通AC — 13的沥青混合料级配规范要求，具体见表3[5]。

表1 集料、矿粉基本性能矿料表观相对密度毛体积相对密度吸水率/%1#料2.9352.9120.272#料2.8422.8160.323#料2.7452.7060.534#料2.7012.6380.88矿粉2.692

表2 沥青相对密度试验结果表沥青品种沥青相对密度SBS改性沥青1.013

表3 AC—13C沥青混合料级配要求筛孔/mm上限/%下限/%筛孔/mm上限/%下限/%16.01001001.1838.015.013.210090.00.628.010.09.585.068.00.320.07.04.7568.038.00.1515.05.02.3650.024.00.0758.04.0

依据规范(JTG F40 — 2004)设计要求，初选粗、中、细3个级配(级配1、级配2、级配3)，如表4和图1。根据当地的工程实际应用情况选择油石比，分别进行马歇尔试验。

表4 3种混合料的级配级配类型通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率/%16.013.29.54.752.36级配1100.096.770.039.427.4级配2100.097.072.643.230.3级配3100.097.375.347.133.3通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率/%1.180.60.30.150.07518.111.38.35.54.319.912.19.05.94.621.813.29.76.24.8

2.3 沥青混合料级配确定及油石比设计

参照以往江西省沥青路面AC — 13C的工程应用情况，选择油石比4.8%作为3种试级配用油石比，双面各击实75次成型马歇尔试件。马歇尔试验结果汇总如表5所示[6]。

由表5可以看出级配2体积指标满足要求，级配1和级配3体积指标不满足要求，结合当地情况及实践经验，选择级配2为设计级配。

图1 AC — 13C型3种试级配曲线图

按矿料比例配料，采用5种油石比进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表6。

表5 3种试级配马歇尔试验结果汇总表级配油石比/%毛体积相对密度计算理论最大相对密度空隙率/VV/%矿料间隙率/VMA/%饱和度VFA/%级配14.82.4722.6045.115.467.0级配24.82.4912.5974.114.471.7级配34.82.5152.5902.913.378.2技术要求//4.0～6.0*65～75 *注:要求空隙率4、5、6所对应的VMA最小值分别为14、15、16,当空隙率不是整数时,由内插确定要求的VMA最小值。

表6 AC—13C设计级配马歇尔稳定度试验结果级配类型油石比/%毛体积相对密度计算理论最大相对密度3.82.4642.6374.32.4792.617AC—13C4.82.4912.5975.32.5022.5785.82.5112.559要求//VV/%VMA/%VFA/%稳定度/kN流值/(0.1mm)6.614.654.912.8525.75.314.563.513.3227.24.114.471.713.9828.62.914.579.613.5129.61.914.687.112.9530.34.0～6.0*65～75≥8.015～40 *注:要求空隙率3、4、5所对应的VMA最小值分别为13、14、15,当空隙率不是整数时,由内插确定要求的VMA最小值。

根据马歇尔稳定度试验结果，确定最佳油石比为4.8%。霍尼韦尔添加剂占矿料的0.35%，相对应的沥青混合料性质如表7所示。

表7 沥青混合料体积性质表类别毛体积相对密度计算理论最大相对密度空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%饱和度VFA/%Pbe/%Vbe/%Vg/%粉胶比DP稳定度MS/kN流值FL/(0.1mm)设计结果2.4912.5974.114.471.73.989.8086.121.1613.9828.6技术要求实测计算4.0～6.0≥14.165～75///宜0.6～1.6≥815～40 注:Pbe为沥青混合料中有效沥青用量,%;Vbe为有效沥青的体积百分率,%;Vg为矿料的体积百分率,%;DA为沥青膜有效厚度,μm。

3 抗推移沥青混合料桥面铺装路用性能研究

3.1 水稳定性研究

浸水马歇尔试验结果如表8所示。

表8 浸水马歇尔稳定度试验结果混合料类型非条件(0.5h)空隙率/%稳定度/kN流值/(0.1mm)4.113.2329.3AC—13C4.012.9829.54.213.5628.9平均值4.113.2629.2条件(48h)空隙率/%稳定度/kN流值/(0.1mm)残留稳定度MS0/%要求/%4.211.6334.24.112.1336.189.5≥854.111.8233.74.111.8634.7

冻融劈裂强度试验结果如表9所示。

表9 冻融劈裂试验结果混合料类型非条件条件TSR/%空隙率/%劈裂强度/MPa空隙率/%劈裂强度/MPa实测值要求5.11.19754.90.9818AC—13C5.21.19894.80.993282.3≥804.91.21354.90.98224.91.18995.00.9926平均值5.01.20004.90.9875

从表8和表9中数据可知，设计的复合改性AC — 13C抗推移混合料的浸水马歇尔及冻融劈裂均满足相关规范要求。

3.2 高温稳定性研究

在(60±1)℃，(0.7±0.05)MPa条件下进行车辙试验，试验结果如表10所示。

表10 车辙试验动稳定度混合料类型油石比/%动稳定度/(次·mm-1)12AC—13C4.81202312115动稳定度/(次·mm-1)变异系数/%3平均要求实测值要求1218312107≥80000.7≤20

从车辙试验结果可知，在60 ℃条件下其动稳定度达到12000次/mm，高于规范要求的50%，可见掺入采用SBS和多链聚烯烃复合改性技术能够明显提高混合料的高温性能。

3.3 低温稳定性研究

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 — 2011)中的规定进行低温弯曲破坏试验。试验结果如表11。

表11 梁底最大弯拉应变Hon7456添加量/%破坏时梁底最大弯拉应变εB破坏时的抗弯拉强度RB/MPa破坏时的弯曲劲度模量/SB/MPa0.353287.6με9.02737.6

试验结果表明： 沥青混合料低温弯曲破坏试验的结果较好，满足规范要求。

4 抗推移沥青混合料力学性能研究

4.1 动态模量试验

进行15 ℃动态模量试验，无围压的情况下测定0.1～25 Hz等9种频率下的动态模量，试验结果如表12和图2。

从表12可以看出，复合改性AC — 13C沥青混合料在15 ℃、10 Hz下的动态模量大于14000 MPa，高于普通AC — 13混合料的10000 MPa，说明掺入多链聚烯烃能够提高混合料的动态模量，且已达到高模量沥青混合料的技术标准。这是由于掺入改性剂后，能够提高混合料内部集料与沥青之间的粘结力，使得混合料更易形成稳定密实的结构，从而提高了混合料的抗变形能力。

表12 掺不同改性剂的AC—13C混合料的动态模量试验结果混合料类型不同荷载频率下的动态模量/MPa25Hz20Hz10Hz5Hz2Hz1Hz0.5Hz0.2Hz0.1HzAC—13C166871650914963136291173010328895871885985

图2 15 ℃，复合改性剂AC — 13C混合料的动态模量

相位角测试结果如表13和图3。

从表13可以看出，复合改性AC — 13C沥青混合料的相位角随着荷载频率的增加而降低，说明在高频荷载作用下，该混合料对荷载反应较小，具有较好的抗变形能力。

表13 掺不同改性剂的AC—13C混合料的相位角试验结果混合料类型不同荷载频率下的相位角θ/(°)25Hz20Hz10Hz5Hz2Hz1Hz0.5Hz0.2Hz0.1HzAC—13C13.5113.6714.7115.4517.5519.1420.6623.0224.98

图3 15 ℃，掺复合改性剂的AC — 13C混合料的相位角

动态模量评价指标结果如表14。

表14 掺复合改性剂的AC—13C混合料E*/sinθ试验结果混合料类型不同荷载频率下的E*/sinθ5Hz10Hz复合改性AC—13C45760.6237634.79普通AC—1341268.5735828.89

15 ℃时的动态模量评价指标E*/sina是判断混合料的抗车辙能力，掺加多链聚烯烃能够改善AC — 13混合料的抗车辙能力。

4.2 高温蠕变试验

高温稳定性是评价沥青混合料耐久性的重要指标，本文采用60 ℃动态蠕变试验研究沥青混合料的高温性能，以评价混合料高温条件下的抗变形能力。复合改性AC — 13C沥青混合料的60 ℃的蠕变试验结果如图4。

图4 复合改性的AC — 13C沥青混合料在60 ℃下的蠕变曲线

由蠕变曲线可以看出，复合改性的AC — 13C沥青混合料在700 kPa荷载作用下，荷载重复加载次数高达13211次，最终微应变为50002με。蠕变劲度模量曲线如图5。

图5 蠕变劲度模量曲线

可以看出: 复合改性的AC — 13C沥青混合料的初始蠕变劲度模量为263.9 MPa，最终破坏时的蠕变劲度模量为14 MPa，说明在加载阶段，沥青混合料的蠕变变形随时间延长而增加,说明劲度模量随时间延长而降低。而稳定期的斜率则反映的是试件在加载过程中变形发展的速度的快慢，从图中可以看出曲线较为平稳，斜率较小，说明变形增加缓慢，进一步说明混合料的高温性能较好。

4.3 疲劳试验

本文采用梁式试件四点弯曲疲劳试验(采用应变控制，应变水平分别为400με，500με和600 με)来评价复合改性AC — 13C沥青混合料的疲劳性能。试验结果表15。

表15 掺复合改性剂的AC-13C沥青混合料的疲劳性能检测结果试验编号应变水平疲劳寿命/次初始劲度模量/MPa滞后角/(°)累积耗散能/MPa1400με165470980817.9469.26212500με6463011347.7616.32264.50013600με83408864.7424.5541.55661

从上表数据可知，疲劳次数随着控制应变的增大而减小，低应变的疲劳寿命较长，在400με的作用下，疲劳次数高达165470，根据资料可知，普通AC — 13沥青混合料在400με的作用下，疲劳次数为25000左右，可见掺改性剂可以明显改善混合料的疲劳性能。从表15可知，疲劳次数随着控制应变的增大而减小，低应变的疲劳寿命较长。

从图6可知: 沥青混合料的疲劳方程采用线性函数模型拟合效果较好，得出lgNf与lgε之间的关系式为：

图6 lgNf与lgε关系曲线图

lgNf=-0.648 8lgε+5.9471；

R2=0.9568。

5 结束语

本文通过开展抗推移混合料配合比设计，并对掺复合改性剂的AC — 13C沥青混合料进行路用性能及力学性能研究，得出以下结论：

1) 根据抗推移混合料设计结果，油石比为4.8%，多链聚烯烃改性剂占矿料的0.35%，相对应的沥青混合料各项体积指标满足规范要求。

2) 对抗推移混合料进行路用性能评价，其浸水马歇尔残留稳定度达到89.5%，在60 ℃条件下其动稳定度达到12000次/mm，低温弯拉应变3287.6με，均远远高于规范要求，可见掺入复合改性剂能够明显改善混合料的各项性能。

3) 动态模量试验结果表明复合改性技术能够很好地改善AC — 13C沥青混合料的动态模量；高温蠕变试验结果表明，复合改性的AC — 13C沥青混合料在700kPa荷载作用下，荷载重复加载次数高达13211次，说明混合料的高温性能较好；疲劳试验结果表明，复合改性的AC — 13C沥青混合料在400 με的作用下，疲劳次数高达165470次，可明显改善混合料的疲劳性能。

[1] 王笃喜.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装防水粘结层的性能研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[2] 贾锦绣.沥青路面与桥面铺装抗剪特性研究[D].西安:长安大学,2011.

[3] 黄卫,刘振清.大跨径钢桥面铺装设计理论与方法研究[J].土木工程学报,2005(1):51-59.

[4] JTG E42 — 2005,公路工程集料试验规程[S].

[5] JTG F40 — 2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

[6] JTG E20 — 2011, 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

2016-11-16

唐乾富( 1959-) ，男，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。

1008-844X(2017)01-0107-05

U 443.33

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