大型钢桥桥面铺装用高黏沥青混合料的研究

任瑞波，耿立涛，王玉恒，刘占斌

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250101；2.青岛市公路规划设计院有限公司，山东 青岛 266102）

大型钢桥桥面铺装用高黏沥青混合料的研究

任瑞波1，耿立涛1，王玉恒2，刘占斌1

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250101；2.青岛市公路规划设计院有限公司，山东 青岛 266102）

随着交通运输产业的发展，大型钢桥的数量增多，研究适用于大型钢桥桥面铺装的新型材料具有重要意义。文章基于马歇尔设计方法，围绕研发的新型高黏沥青材料，通过混合料的配合比设计与室内性能试验，分析了高黏沥青混合料 SMA-5的最佳级配比例、性能表现及其机理。结果表明：设计确定的最佳沥青用量为6.7%，高黏沥青混合料在60和70℃动稳定度分别为12513和3759次／mm；低温弯曲试验与冻融劈裂试验的结果满足规范要求，与环氧沥青混合料的试验结果相当；在高应变水平下，高黏沥青混合料的疲劳性能优于环氧沥青混合料；沥青的高黏特性以及粗集料形成的嵌挤结构是该混合料具有优秀路用性能与力学性能的主要原因。

道路工程；高黏沥青混合料；试验评价；性能试验；沥青玛蹄脂碎石混合料

0 引言

随着我国经济快速增长，桥梁的建设有了长足的进步，大中型钢桥以其轻量化和经济性得到了广泛的应用。但随着交通量与重型车的迅速增加，桥面铺装出现了裂缝、拥包、车辙、破碎等病害。

为克服沥青混合料桥面铺装结构因剪切与温度等因素所引起的各种病害，国内外学者进行大量研究工作。郝增恒等和卞加前研究认为高黏沥青混合料作为铺装层能够有效克服在重载作用下产生的推移、开裂、车辙等病害［1－2］。高黏沥青最早由日本提出，在排水性路面中使用非常广泛，高黏沥青与普通改性沥青相比，其具有更高的黏性、弹性和韧性等特点，能够有效粘结桥面板与沥青铺装层。高黏沥青对集料具有耐久的包裹力和极高的粘附性，同时还具有普通改性沥青所不具备的高强抗剥落和抗疲劳特性。沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是德国和日本近年来广泛使用的桥面铺装层材料，其采用改性沥青掺入纤维，并与矿粉及少量细集料形成沥青玛蹄脂后填充在粗集料骨架空隙中，形成一种典型的骨架密实结构。由于 SMA中粗集料形成石—石嵌挤结构，使混合料具有良好的高温性能、低温性能和水稳定性［3－7］。针对钢桥对防水有着严格的要求，采用砂粒式SMA-5，有效克服 SMA设计不良时出现的渗水问题，并合理降低铺装厚度［8－13］。

研究采用山东建筑大学道路工程研究所研发的高黏改性沥青作为胶结料，按马歇尔设计法进行混合料配合比设计，设计出适用于大型钢桥桥面铺装的高黏沥青混合料 SMA-5［14－15］，通过高温性能、低温性能、水稳定性和抗疲劳性试验对高黏沥青混合料 SMA-5的路用性能进行研究，并与环氧沥青混合料进行数据对比。

1 高黏沥青混合料设计

1.1 材料

1.1.1 胶结料

沥青胶结料选用前期研发的高黏沥青，该高黏沥青的60℃粘度明显高于普通改性沥青，表现出优异的粘结性，沥青中改性剂分散均匀、溶胀充分，热储存稳定性好［16］，其技术指标见表 1［17］。

表1 高黏沥青的主要技术指标

1.1.2 石料

选用的石料为玄武岩，集料规格为0／3 mm和3／5 mm，矿粉为石灰岩磨制，纤维选择木质松散纤维。集料与矿粉的筛分试验结果见表 2，集料与矿粉的体积指标见表3。

表2 集料与矿粉筛分试验结果

1.2 混合料设计

1.2.1 设计级配确定

文章中研究目标设计高黏沥青混合料SMA-5，矿料级配按照粗、中、细设计3个配合比，见表4，级配曲线如图1所示。按照经验取适宜的沥青含量为6.5%。体积指标通过马歇尔试验进行计算，确定合理的级配，使粗集料形成骨架，从而使混合料形成较好的嵌挤结构。混合料的拌合、击实温度控制在185℃，考虑重载交通双面击实75次。三个配合比的马歇尔指标结果见表5。

表3 集料与矿粉的体积指标

表4 高黏沥青混合料的设计级配

图1 高黏沥青混合料的级配设计图

根据表5的试验结果，级配2的体积指标最理想，粗集料与细集料比例合理，粗集料形成的骨架可以起到良好的嵌挤作用，因此选择级配2为设计级配。

根据表5的试验结果，级配2的体积指标最理想，粗集料与细集料比例合理，粗集料形成的骨架可以起到良好的嵌挤作用，因此选择级配 2为设计级配。

1.2.2 最佳沥青用量的确定

按照确定的设计级配，将沥青用量调整为6.3%、6.6%和6.9%，分别进行马歇尔试验以确定最佳沥青用量，试验结果见表6。

根据对结构的指标分析和规范对空隙率的要求，选择最佳沥青用量为6.7%。

1.2.3 最佳沥青用量的检验

采用谢伦堡沥青析漏试验与肯塔堡飞散试验检验最佳沥青用量是否满足要求，试验结果见表7、8。试验结果满足规范要求，说明确定的最佳用量合适，混合料中无多余自由沥青，确保不会出现析漏现象，同时沥青用量足够，可以保证集料之间的粘结。

表5 马歇尔试验体积指标结果

表6 不同沥青用量下马歇尔试验体积指标结果

表7 谢伦堡析漏试验结果

表8 肯塔堡飞散试验结果

2 高黏沥青混合料性能研究

设计的高黏SMA-5，其性能应具有 SMA的优点，具有良好的抗高温、低温和水稳定性，分别采用车辙试验、低温弯曲试验与冻融劈裂试验等对设计的高黏 SMA-5的性能进行研究，并与钢桥上使用广泛的环氧沥青混合料进行对比。

2.1 高温性能

采用车辙试验方法测定动稳定度，以其评价沥青混合料的高温稳定性，考虑到钢桥箱体通风能力差、散热慢等不利因素［7］，车辙试验采用 60和 70℃两个试验温度，车辙试验数据汇总见表9。

表9 车辙试验数据汇总

对比车辙试验结果可以发现，环氧沥青混合料的动稳定度数值高于高黏沥青混合料，但设计的高黏沥青混合料60℃的动稳定度已达到现行规范动稳定度技术要求（≥3000次／mm）的4倍，70℃的动稳定度也达到了 3759次／mm。环氧沥青的热固性质赋予了环氧沥青混合料抵抗高温车辙的能力，而高黏沥青混合料具有的高温稳定性可以运用库伦定律从以下两方面解释：

（1）粗集料相互嵌挤形成骨架，提供足够的嵌挤力与内摩阻力。SMA-5为骨架密实结构，集料选用强度高、表面粗糙的玄武岩，形成的骨架在高温条件能够有效的抵抗变形，高黏沥青混合料 SMA-5断面如图2所示。

（2）高黏沥青高温下粘度大、劲度高，与集料的粘附性能好，沥青与集料形成了强有效粘结，保证了沥青混合料的粘聚力。

2.2 低温性能

大型钢桥桥面铺装层一旦出现温缩裂缝，会对钢桥面板产生极大的危害，因此铺装材料要保证优良的低温性能。采用低温弯曲试验评价沥青混合料的低温性能，在 －10℃条件下进行试验，试验过程如图3所示、测试结果见表10。

图2 SMA-5断面图

图3 低温弯曲试验图

表10 低温弯曲试验数据

高黏沥青混合料的试验结果高于现行规范对沥青混合料低温性能的技术要求（低温破坏应变大于3000 με），这意味着该高黏沥青混合料具有良好的耐低温开裂的性能。与环氧沥青混合料对比，两者的弯拉应变基本相同，但高黏沥青混合料的劲度模量仅为环氧沥青混合料的一半，且环氧沥青混合料从破坏曲线上呈现脆性破坏的形式，说明高黏沥青混合料更加“柔软”，在抗低温开裂方面更具优势。分析高黏沥青混合料低温性能良好的原因有两点：（1）沥青玛蹄脂含量高，提高了与石料的粘结力；（2）高黏沥青自身具有很好的低温性能，从而使高黏混合料低温性能优良。

2.3 水稳定性

混合料的水稳定性差会导致铺装层材料出现水损害，铺装层材料出现水损害后会进一步影响粘结层和钢桥面板，进而导致桥面大面积病害的出现，因此设计的沥青混合料应具有良好的水稳定性。根据“八五”国家科技攻关专题的研究发现：浸水马歇尔试验方法存在不足，对混合料抗水损害的能力表现不够，而冻融劈裂试验对水损害机理有很好的模拟效果，因此，使用冻融劈裂试验评价高黏沥青混合料的水稳定性，其试验结果见表11。

根据试验结果可见，高黏沥青混合料与环氧沥青混合料的的冻融劈裂比值相差不大，均超过了98%，远高于现行规范对冻融劈裂比不小于80%的要求，表明高黏沥青混合料具有卓越的抗水损害能力。这主要得益于高黏沥青很高的粘性，根据粘附—剥落理论，高的粘性增强了沥青与集料的机械结合力，同时裹附在集料表面的沥青膜厚度增加，降低了沥青膜脱落的可能性；砂粒式SMA-5不透水，减小了冻融过程中水对混合料的损坏，在作为钢桥面铺装层时对粘结层和钢板能起到很好的保护作用。

表11 冻融劈裂试验数据

2.4 抗疲劳性

疲劳开裂是钢桥面铺装层易出现的主要病害之一，研究铺装层沥青混合料的抗疲劳性能有着重要意义。文章采用IPC疲劳试验机，试验加载和数据（包括加载次数、荷载大小、劲度模量、相位角、试件位移、最大拉应力及耗散能）采集均由计算机自动控制完成。

研究表明，在控制应变的疲劳试验中，虽然疲劳损坏标准选择具有一定的随意性，但沥青混合料的应力与应变状态更符合沥青路面的实际情况，损坏过程符合路面的实际受力状态，尤其是薄层沥青路面，控制应变模式得出的试验结果可以直接应用。同时采用多层弹性体系理论对多种路面结构进行计算、分析，发现控制应变加载模式接近于沥青层薄（＜6 cm）、劲度模量小的路面结构，这种结构中沥青层不作为主要的承重层，其应变主要受承重层的控制，沥青层劲度模量的变化对它的影响不明显。钢桥桥面铺装层厚度较薄，钢桥桥面板与铺装层的模量相差很大，对桥面板变形没有明显影响，故文章采用控制应变加载模式，选取劲度模量为初始劲度模量50%时的作用次数作为疲劳破坏标准。应变水平应根据高黏沥青混合料及环氧沥青混合料的特殊性选取 800、900和 1000 με三个应变水平，疲劳试验试验结果见表12。

表12 沥青混合料疲劳试验结果

从试验结果可知，高黏沥青混合料在高应变水平下，也具有极高的疲劳寿命，疲劳性能优良，能够满足作为钢桥铺装层材料长期使用的目的。与环氧沥青混合料对比发现，在 800、900和 1000 με水平下，高黏沥青混合料的疲劳寿命均高于环氧沥青混合料，表明在大应变环境下高黏沥青混合料的表现将更优异。环氧沥青混合料的劲度模量随着养护时间不断提升，变形能力变差，材料也越来越脆，如果适应不了钢桥的大变形要求，会在早期发生破坏。高黏SMA-5沥青用量充足，沥青饱和度和沥青膜厚度高，相同空隙率下砂粒式SMA相比于粗等级的SMA连通空隙和微裂缝更少，保证了高黏混合料优异的疲劳性能。

2.5 其他性能

沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，受温度和时间的影响明显，通过建立动态模量主曲线可以很好的描述这种行为。利用西格摩德函数绘制动态模量主曲线和时间—温度转换关系图，便可得到整个温度和频率范围内的力学参数并对混合料的粘弹特性进行描述。根据试验结果和西格摩德函数绘制的动态模量主曲线如图4所示，时间—温度转换关系如图5所示。将动态模量主曲线与时间—温度转化关系结合起来就可以描述粘弹性沥青混合料对温度和荷载频率的敏感性，同时可以计算出沥青混合料在任意温度和荷载作用频率作用下的动态模量值。根据粘弹理论，期望设计的沥青混合料低温状态有较低的动态模量，混合料表现的更加“柔软”，高温时有较高的动态模量，混合料表现的更加“坚硬”。根据动态模量主曲线可以看出，高黏沥青混合料在低温时的动态模量要低于环氧沥青混合料，同时高黏沥青混合料的主曲线变化趋势更小，这对于沥青混合料的耐久性是有利。因此，通过对比可以看出高黏沥青混合料具有更加优异的动态模量力学性能。

抗剪强度是钢桥面铺装中混合料的重要力学指标，钢桥面铺装层病害与混合料的抗剪强度有直接的关系，文章采用单轴贯入试验方法［12］，充分模拟路面结构的受力。单轴贯入试验结果见表13。根据试验结果可以发现，环氧沥青混合料的抗剪强度数值明显高于高黏改性沥青混合料，环氧沥青因其热固特性使得混合料具有优秀的力学抗剪强度。但与橡塑沥青混合料（0.871 MPa）、SBS沥青混合料（1.022 MPa）和70＃基质沥青混合料（0.842 MPa）相比，高黏沥青混合料抗剪强度具有明显的优势。根据孙立军等［18］的研究，选择棱角性好的集料，能够更好的发挥集料的嵌挤作用，同时增大沥青黏度也对混合料的抗剪强度有积极的提高作用，这对高黏改性沥青混合料的设计理念是相同的。

图4 动态模量主曲线图

图5 时间—温度转换关系图

表13 抗剪强度试验结果统计表

3 工程应用

研发的高黏沥青及高黏沥青混合料 SMA-5成功应用到济南黄河三桥、济南平阴黄河大桥的维修工程中，桥面的结构维修方案如图6所示。维修至今，使用状况良好，未出现高温车辙、低温开裂及疲劳病害。

4 结论

通过上述研究可知：

图6 钢桥面结构维修方案图

（1）针对高黏沥青，按照马歇尔设计方法，设计用于大型钢桥桥面铺装的高黏沥青混合料 SMA-5，根据设计级配确定的最佳沥青用量为6.7%，各指标符合现行规范，析漏和飞散损失结果也高于现行规范的技术要求。

（2）车辙试验中，高黏沥青混合料在 60和 70℃的动稳定度分别为12513和3759次／mm，表现出优异的高温性能；高黏沥青混合料在低温性能试验中相比环氧沥青混合料劲度模量减小了 1／3，表现更加“柔软”，且大应变水平下疲劳寿命高，对大型钢桥有很强的适用性；通过力学动态模量和力学抗剪强度研究发现高黏沥青混合料具有出众的力学性能。

（3）沥青的高黏特性以及粗集料形成的嵌挤结构是该混合料具有优秀性能的主要原因。

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Study on large steel bridge deck pavement with high viscosity asphalt mixture

Ren Ruibo1，Geng Litao1，Wang Yuheng2，et al.
（1.School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Qingdao Road Planning Design Institute Co.，Ltd.，Qingdao 266102，China）

Along with the development of transportation industry，the number of large steel bridge is constantly increasing.The research on the new materials for large steel bridge deck has great significance.This article，based on the Marshall design method and the new high viscosity asphalt，studie the optimum proportion，performance and function mechanism of the high viscosity asphalt through the mix design and laboratory test.The results show the optimum asphalt content of asphalt mixture gradation is 6.7%.The dynamic stability are 12513 t／mm and 3759 t／mm in 60℃ and 70℃，respectively.The high viscosity asphalt matrix mixture has outstanding performance.The results of low-temperature bending test and freeze-thaw splitting test meet the needs of design and standard，and equally match with the epoxy asphalt mixture.At high strain levels，the fatigue property of high viscosity asphalt matrix mixture is better than that of epoxy asphalt mixture.The main reasons for the mixture with good pavement performance and mechanical properties are the high adhesion properties of asphalt and the embedded structure formation by the coarse aggregate.

road engineering；high viscosity asphalt mixture；experimental evaluation；property test；stone mastic asphalt

U414

A

1673－7644（2016）05－0416－07

2016－07－31

国家自然科学基金项目（51278288）

任瑞波（1968－），男，教授，博士，主要从事路面结构及材料等方面的研究.E-mail：rrbgq＠sdjzu.edu.cn