不同沥青结合料的浇注式沥青混合料性能对比分析

2019-05-14包广志杨心瑶

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年5期

王民，包广志，李璐，杨心瑶

(1. 重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336； 2. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

浇注式沥青混合料铺装体系近年来逐渐成为大跨径钢桥面主流铺装形式。基于钢桥面铺装的特殊性，沥青结合料作为浇注式沥青混合料的重要构成部分，应具有良好的抗热老化性及温度稳定性，并在使用温度区域内具有较高的黏度，在施工温度区域内具有较低的黏度[1-2]。根据我国高温、超载的特点，要求浇注式沥青混合料在高温条件下具有较好的稳定性。因此在借鉴德国和日本浇注式沥青混合料的基础上对沥青做了进一步改进。早期我国常采用SBS改性沥青与15%～25%湖沥青混配，后期则多采用聚合物复合改性沥青，而香港较多工程采用70#直馏沥青复配湖沥青[3-5]。笔者针对3种沥青结合料开展实验研究。3种沥青结合料依次为：聚合物复合改性沥青(1#)、湖沥青复合改性沥青(2#)、硬质沥青改性沥青(3#)。

这3种沥青结合料组成不同，性能存在较大差异，适用范围不尽相同，尽管在我国均有成功案例，但其耐久性还有待于进一步观测。

笔者通过3种沥青结合料及其混合料性能的综合评估，为浇注式沥青混合料的沥青结合料选择提供指导。

1 沥青结合料性能试验分析

1.1 沥青结合料基本性能分析

对3种沥青结合料1#、2#和3#分别进行针入度、软化点及延度实验，实验结果见表1。

表1 沥青结合料性能指标实验结果

从表1可以看出：

1)针入度大小随测试温度升高而增加，2#的针入度指数绝对值最小，即温度敏感性最小，较为稳定。

2)1#沥青软化点的温度最高，约为3#沥青的2倍。

3)3种沥青的延度均随温度升高而变大，在5 ℃时1#仍具有最好的延展性。由于天然硬质沥青的加入，2#沥青紧跟其后，3#沥青最小。

浇注式沥青混合料的生产运输温度在220～240 ℃之间，且需要不少于1 h的存储，高温搅拌存储会造成引起沥青热老化，使得沥青混合料抗裂性能大幅度衰变[6-8]。因此有必要采用旋转薄膜烘箱(RTOFT)(163 ℃、75 min)对3种沥青的抗老化性能进行评价，实验结果见表2。

表2 不同结合料的RTFOT实验结果

由表2数据可以看出：3种沥青结合料在经过旋转薄膜烘箱老化后性能都发生了一定的衰变，表现为黏度增加、针入度降低、软化点升高，延度降低。3#沥青以基质沥青为主受老化影响大，针入度降低接近50%；2#沥青由改性沥青与天然沥青复配而来，受影响较小；1#沥青在开发过程中，已考虑超热老化问题，掺加了相应的抗老化剂，因此老化程度最小。

1.2 沥青结合料流变性能

对3种沥青结合料用车辙因子G*/sinδ来评价其抗永久变形的能力。实验设备用美国TA公司生产的AR-2000型动态剪切流变仪。实验在58、64、70、76、82、88、94 ℃等7个温度下采用应变控制模式，应变值γ=12%。试验频率设置约为1.59 Hz，平板直径为25 mm，沥青膜厚度为1 mm[9]。试验方法参考AASHTO标准TP5,试验结果见图1。

图1 不同结合料车辙因子测试结果

由图1可以看出：3种沥青结合料受温度影响较大。随着温度的增高，结合料的G*/sinδ降低。在钢桥面铺装层使用温度区间内，1#沥青的G*/sinδ明显高于2#和3#，即高温抗变形能力最优。

2 沥青混合料性能试验分析

2.1 原材料及配合比

粗集料和细集料均采用江苏矛迪产的玄武岩，矿粉采用重庆产的石灰岩矿粉，原材料各项参数均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关要求。

根据《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》中相应规定，进行配合比设计。GA10的矿料级配曲线见图2。3种沥青混合料的最佳油石比依次为7.9%、8.5%和9.0%。

图2 浇注式沥青混合料GA10级配组成

采用3种沥青结合料制备浇注式沥青混合料试件，进行流动性、静态贯入度及增量、车辙动稳定度及四点弯曲疲劳等实验，具体实验流程按照《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》。

2.2 流动性

3种浇注式沥青混合料流动性实验结果见表3。

表3 不同沥青结合料的浇注式沥青混合料流动性实验结果

由表3可见，3种浇注式沥青混合料在最佳油石比条件下的流动性虽均满足规范要求20 s以内，但相对于其它两种混合料，3#沥青的混合料流动性最差。3#沥青的油石比最高，但由于大比例湖沥青的加入，矿物质含量较高，实际有效沥青含量并不高，流动性较差。

2.3 高温稳定性

采用静态贯入度及增量、动态贯入度对3种不同沥青结合料的浇注式沥青混合料高温稳定性进行评价。

2.3.1 静态贯入度。

图3、图4是不同浇注式沥青混合料贯入度实验结果。实验温度分别采用40 ℃(国外规范标准要求的实验温度)、60 ℃(国内规范标准要求的实验温度)及70 ℃(钢桥面铺装可能出现的最高使用温度)。

图3 不同温度下的贯入度

图4 不同温度下的贯入度增量

由图3、图4可以看出，温度的变化对浇注式沥青混合料的高温稳定性影响十分明显。在温度升高条件下，贯入度和贯入度增量值均增大，但增大幅度不一样。

在高温阶段(60～70 ℃)，1#沥青的浇注式沥青混合料贯入度变化较缓，说明该浇注式沥青混合料对温度的敏感性相对于其它两种较小。从图4可以看出，1#沥青的浇注式沥青混合料的贯入度增量最小，其次是2#和3#为结合料的浇注式沥青混合料，且在高温阶段以1#为结合料的浇注式沥青混合料的贯入度增量增长速率变缓。因此，从整体来看以1#为沥青结合料的浇注式沥青混合料受高温条件影响最小。

2.3.2 动态贯入度

按照德国TPA-StB《路用沥青混合料测试技术规范》，采用平压头进行动态贯入度实验中，将面积为2 500 mm2(直径为56.42 mm)的平压头置于一底面磨平的圆柱体浇注式沥青试件(直径150 mm、高60 mm)的中心位置，对试件施加压力脉动荷载，以2 500次循环加载所产生的贯入深度作为评价指标[10]，记录下与加载循环次数相关的重复加载产生的动贯入度。

表4为3种浇注式沥青混合料的动态贯入度实验结果。实验温度分别采用40 ℃(国外规范标准要求的实验温度)和60 ℃(国内规范标准要求的实验温度)。

表4 动态贯入度实验结果

同样从表4可以看出，温度的改变对浇注式沥青混合料的高温稳定性极其不利。随着温度升高，贯入度增大，只是3种浇注式沥青混合料的贯入度增幅不同。以1#和2#为结合料的浇注式沥青混合料的贯入度变化幅度小于以3#为结合料的浇注式沥青混合料。

2.4 低温抗裂性

采用低温弯曲试验来评价混合料在低温条件下抵抗变形的能力，实验结果见表5。

表5 3种浇注式沥青混合料低温弯曲实验结果

由表5可以看出，3种浇注式沥青混合料弯拉应变大小顺序为：以1#为沥青结合料的浇注式沥青混合料>以2#为沥青结合料的浇注式沥青混合料>以3#为沥青结合料的浇注式沥青混合料。其中3#沥青的混合料的弯拉应变略低于技术要求。硬质改性沥青的天然沥青含量高，硬度大，本身低温延度就差，因而混合料的低温弯曲性能非常差。聚合物复合改性沥青GA10低温抗变形能力最好，主要源于所用沥青结合料，其针入度较大、 5 ℃延度超过20 cm。

2.5 疲劳性能

通过四点小梁弯曲疲劳试验评价3种浇注式沥青混合料的疲劳性能。控制水平分别为600 με、400 με，采用正弦波、10 Hz加载频率，在15 ℃下测试3种浇注式沥青混合料的疲劳次数。实验结果见表6。

表6 不同浇注式沥青混合料疲劳实验结果

从表6可以看出，在600 με条件下，1#沥青混合料的疲劳次数最大。1#沥青的混合料和2#沥青的混合料疲劳次数达到100万次时，试件尚未破坏，而3#沥青的混合料在加载初期出现断裂损坏。400 με条件下3种混合料的疲劳性能与600 με的规律一致。1#沥青混合料疲劳次数是3#沥青混合料的5倍。由此可见3种不同沥青的混合料疲劳性能差异非常大。

在3种沥青结合料中，聚合物复合改性沥青1#具有最好的延展性，在反复弯曲的过程中，能吸收较多的弯曲应变能，阻止沥青混合料的开裂。而硬质沥青改性沥青因为湖沥青或者低标号沥青，使得沥青混合料脆性较大，弯曲劲度模量较大，很难通过自身的变形来消去外界施加的能量，使得疲劳性能较差。