热压式沥青混凝土桥面铺装设计与性能评价

2020-11-18张艳君赵文忠贾晓鹏王向平赵立东

公路工程 2020年5期

张艳君，赵文忠，王鹏，张超，贾晓鹏，王向平，赵立东

(1.交通运输部公路科学研究院,北京 100088;2.河北曲港高速公路开发有限公司,河北定州 073000;3.中路高科(北京)公路技术有限公司,北京 100088)

目前国内外常用的桥面铺装材料有环氧沥青混凝土、浇筑式沥青混凝土等，实践证明它们具有良好的使用效果，但也存在造价高、施工难度大等缺点。热压式沥青混凝土HRA(Hot Rolled Asphalt)是一种起源于英国的新型铺装材料，施工时首先在摊铺预压的沥青混凝土嵌入层上撒布预拌沥青碎石，再经过机具碾压最终形成铺装结构层[1]，因此它又被称为“嵌压式”沥青混凝土。由于其表面丰富的构造深度，在英国、日本等国主要用于修筑沥青路面抗滑表层。研究表明，热压式沥青混凝土嵌入层属于典型的悬浮-密实结构，混合料特殊的级配和高沥青含量赋予其良好的密水性、变形协调性和疲劳耐久性，因此热压式沥青混凝土能较好满足桥面铺装的性能需求。目前热压式沥青混凝土在国内外桥面铺装工程中的应用很少，我国还没有形成可直接参考使用的标准和规范。在考虑我国桥面铺装实际使用情况下，对热压式沥青混凝土提出相关技术指标要求，在此基础上对混合料原材料、矿料级配和油石比展开设计，并对设计得到的热压式沥青混凝土进行路用性能验证。

1 混凝土设计

1.1 原材料设计

1.1.1沥青

由于混合料中细集料的干涉作用致使粗集料间无法嵌挤形成骨架，热压式沥青混凝土主要由沥青、细集料和矿粉等形成的沥青砂浆作为主体结构承受外部作用[2]，因此沥青胶结料的基本性能对混合料的路用性能有较大影响。为了使桥面铺装具有较强的高温抗车辙能力，对热压式沥青混合料所用沥青胶结料的耐高温性能提出较高要求。由于桥面板刚度有限，热压式沥青混凝土还需要具备良好的变形能力来协从桥面板发生变形，因此对沥青胶结料，尤其在低温条件下的变形能力提出一定要求。总体上，基质沥青或普通改性沥青难以满足桥面铺装实际需求，因此采用对基质沥青进行复合改性的方法设计热压式沥青混凝土专用改性沥青。具体制备方法为首先向埃索70#基质沥青中加入适量SBS改性剂制备SBS改性沥青，再向其中掺入定量专用改性剂HRA得到专用改性沥青，其中埃索70#基质沥青，SBS改性沥青及专用改性沥青的技术指标如表1所示。

表1 沥青改性前后技术指标Table 1 Technical indicators before and after asphalt modification试验项目针入度/(0.1 mm)延度(5 cm/min)/cm软化点/℃60 ℃动力粘度/(Pa·s)TOFT后残留物质量损失/%25 ℃ 针入度比/%延度(5 cm/min)/cm埃索70#基质沥青65>100(15℃)49.5>180-0.6 77>6(10℃)试验结果SBS改性沥青52 27(5℃)8825 432 -0.318319(5℃)专用改性沥青43 40(5℃)1051 239 603 -0.038528(5℃)专用改性沥青技术要求40～60≥30≥90≥100 000 ≤±1.0≥68 ≥20 注: 参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004),基质沥青和改性沥青延度测试时试验温度有所差异,具体试验温度备注在试验结果后的括号内。

试验结果表明，在埃索70#基质沥青中掺入适量SBS改性剂后沥青各项指标明显改善，但仍然难以适应桥面铺装复杂的工作状况。在SBS改性沥青中掺入适量热压式沥青混合料专用改性剂HRA后，熔融的HRA均匀分散在沥青胶结料中强化材料的网状结构，使得延度、软化点和动力粘度均有显著提升，复合改性沥青表现出良好的耐热性和低温变形能力，且其他指标均满足使用要求，因此将同时掺入SBS和HRA制备的复合改性沥青作为热压式沥青混凝土专用改性沥青。

1.1.2矿料

参考我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中对矿料的基本要求，本项目选用产自河北曲阳的矿料进行试验研究，其中粗集料为玄武岩碎石，细集料采用石灰岩机制砂，矿粉由石灰岩磨细制成。按照现行公路工程集料试验规程的要求对粗集料、细集料和矿粉取样进行性能测试，试验结果表明，矿料均满足相关技术要求。

1.1.3纤维稳定剂

纤维稳定剂除了能有效防止混合料出现析漏外，其本身具有良好的抗拉强度，均匀分散在沥青混合料中形成三维网状结构，赋予混合料良好的力学强度和变形能力。本项目采用实验室现有的高强聚酯纤维对热压式沥青混凝土的高温抗车辙、变形协调等路用性能加以改善。按规范要求对聚酯纤维取样进行性能测试，结果显示其满足使用要求。

1.2 级配设计

我国目前尚未有热压式沥青混凝土相关技术规范，为了确定桥面铺装用热压式沥青混凝土的最优级配，在英国标准BS 594推荐级配范围的基础上[3]，通过线性内插及圆孔筛和方孔筛之间的转化关系得到满足我国筛孔孔径要求的级配范围。由于我国桥面铺装单层铺装厚度一般在3～5 cm左右，考虑结构厚度与混合料公称最大粒径的匹配性，以热压式沥青混凝土HRA-13为例进行相关研究，换算后的HRA-13级配范围如表2所示。

表2 英国规范换算后的HRA-13级配范围Table 2 British standard converted HRA-13 grading range筛孔尺寸/mm筛孔通过率/%上限下限1610010013.2100909.587604.7566592.3651581.1835520.627460.321230.1516110.075108

上述热压式沥青混合料级配范围是依据英国温暖湿润的气候特点和轻交通荷载条件确定，若直接采用该级配进行混合料设计，热压式沥青混凝土桥面铺装将难以适应我国高温重载的工作环境，从而出现严重的车辙病害。为提高混合料抗车辙破坏能力，在级配范围中选取多组级配成型混合料，建立动稳定度与各筛孔通过率间的多元线性回归关系，在满足桥面铺装高温稳定性前提下对关联筛孔通过率进行调整。综合课题组前期研究成果，最终提出适用于桥面铺装的HRA-13级配范围，见表3。

表3 HRA-13推荐级配范围Table 3 HRA-13 recommended grading range筛孔尺寸/mm筛孔通过率/%上限下限1610010013.2100909.587714.7566522.3654371.1835250.627180.321120.151680.075106

在HRA-13推荐级配范围中选择3组粗细不同的级配，采用6.0%专用改性沥青，0.15%高强聚酯纤维拌制热压式沥青混合料并成型马歇尔试件，测试试件的体积和力学指标如表4所示。

表4 HRA-13马歇尔试件体积和力学指标Table 4 HRA-13 Marshall specimen volume and me-chanical index试验项目空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%沥青饱和度VFA/%稳定度/kN流值/mm级配13.315.077.814.35.2级配类型级配23.013.984.713.95.5级配32.913.679.114.35.1技术要求①1.0～3.0——≥10 4.0～6.0注:①表4及下文各表中提出的相关技术要求是在参考《公路钢桥面设计及施工技术规范》(送审稿)中有关改性沥青混凝土性能要求后,综合考虑工程实际需求、热压式沥青混凝土材料特点等因素得到。

为了避免桥面板受到下渗雨水的侵蚀破坏，可适当降低热压式沥青混合料的空隙率。由于级配3成型的热压式沥青混合料空隙率最小，且力学强度等指标均满足相关技术要求，因此选择级配3作为热压式沥青混凝土HRA-13的最优级配，具体级配组成如表5所示。

表5 热压式沥青混凝土HRA-13最优级配Table 5 HRA-13 optimal grading筛孔尺寸/mm通过率/%筛孔尺寸/mm通过率/%16100 1.1830.213.298.5 0.621.19.582.7 0.315.04.7561.4 0.1512.32.3649.2 0.07510.6

1.3 油石比设计

对于热压式沥青混凝土最佳油石比的确定，英国规范采用马歇尔设计法，设计流程与我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中规定的大体相同，但在确定最佳油石比时将合成矿料密度CDMA、毛体积密度和稳定度等作为主要控制指标。刘勇[4]认为采用CDMA作为控制指标的马歇尔法与我国规范中的马歇尔法确定的最佳油石比结果基本一致，由于我国马歇尔法操作简单且技术成熟，因此本研究仍采用我国常规方法确定热压式沥青混凝土最佳油石比。为了确保热压式沥青混凝土设计可靠性和使用耐久性，在确定最佳油石比时，同时引入热压式沥青混合料高低温性能作为辅助控制指标。

从表5热压式沥青混凝土HRA-13最优级配可知，集料2.36 mm筛孔的通过率为49.2%，其中矿粉含量高达10.6%。级配中细集料和矿粉的占比大即矿料的比表面积大，导致沥青胶结料用量显著提高。英国BS 594规范中推荐的HRA-13油石比应不小于7%，考虑到两国气候条件和交通状况的差异性，初拟6.0%油石比进行最佳油石比设计。采用上述HRA-13最优级配在五组不同的油石比下成型试件，马歇尔试件体积和力学指标如表6所示，热压式沥青混合料高低温性能试验结果如图1所示。

参照我国规范中马歇尔法设计流程[5]，在满足全部体积和力学指标下得到OACmax=7.0%，OACmin=6.1%。如图1所示，热压式沥青混合料在同时满足动稳定度大于4 000次/mm,低温弯曲应变大于3 500 με下油石比范围为5.4%～6.3%。在马歇尔法设计过程中引入高低温性能指标，油石比范围缩小至6.1%～6.3%，此时OAC1=6.1%，OAC2=6.3%，取OAC1和OAC2两者平均值得到热压式沥青混合料最佳油石比OAC=6.2%。

表6 不同油石比下HRA-13马歇尔试件试验结果Table 6 Test results of HRA-13 Marshall test specimens with different oil-stone ratios油石比/%空隙率/%矿料间隙率/%沥青饱和度/%稳定度/kN流值/mm5.24.012.971.514.64.25.63.513.173.814.54.46.03.113.779.014.14.96.42.414.984.313.55.36.81.415.388.612.25.5

图1 不同油石比下HRA-13高低温性能试验结果Figure 1 HRA-13 high and low temperature performance test results under different oil-stone ratios

2 路用性能研究

在完成矿料级配和油石比设计后，成型沥青混合料对热压式沥青混凝土的路用性能进行验证，以下主要对其展开高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及疲劳耐久性等路用性能研究。

2.1 高温稳定性

分别选取SBS改性沥青和热压式沥青混凝土专用改性沥青在最佳级配下成型混合料，采用室内车辙试验评价热压式沥青混凝土高温稳定性，试验结果如表7所示。

表7 HRA-13室内车辙试验结果Table 7 HRA-13 indoor rutting test results类别动稳定度/次/mm总变形量/mm沥青类型1-D沥青2 5713.94专用改性沥青4 7801.93技术要求≥4 000 —

试验结果表明，采用专用改性沥青成型的HRA-13高温性能更优，动稳定度约为SBS改性沥青成型的HRA-13的2倍，在保证车辙试件具有相同压实度的前提下，专用改性沥青HRA-13车辙深度较小。综上所述，对于热压式沥青混凝土这类非骨架型沥青混凝土而言，沥青胶结料的基本性能对混合料的高温稳定性能影响十分显著。在一定范围内，沥青胶结料高温性能越好，热压式沥青混凝土高温抗变形能力越强。

2.2 低温稳定性

采用-10 ℃和-15 ℃下的小梁弯曲试验，评价热压式沥青混凝土在低温下的变形能力，试验结果如表8所示。

表8 HRA-13低温弯曲试验结果Table 8 HRA-13 low temperature bending test results类别不同试验温度(℃)的跨中挠度/mm不同极限应变/με-10-15-10-15试验结果1.070.875 5204 155技术要求——≥3 500 ≥3 500

试验结果表明，在-10℃时热压式沥青混凝土弯曲变形能力较好，随着温度下降至-15℃，小梁弯拉应变和跨中挠度没有大幅降低，热压式沥青混凝土仍能满足桥面铺装的变形要求。分析可知，热压式沥青混凝土专用改性沥青在低温下延度大，而且热压式沥青混凝土具有较高的油石比和偏细的级配，混合料空隙率小、结构密实，因此热压式沥青混凝土具有良好的变形协调性。

2.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验对热压式沥青混凝土的抗水损害能力进行评价，试验结果如表9所示。

表9 HRA-13浸水马歇尔试验结果Table 9 HRA-13 water immersion Marshall test results类别浸水前稳定度/kN浸水后稳定度/kN残留稳定度/%试验结果13.813.094.2技术要求≥10—≥90

试验数据表明，HRA-13在浸水48 h后强度损失不大，水对混合料的破坏程度有限。主要由于热压式沥青混合料结构密实、连通空隙少，水难以深入到内部对混合料产生破坏，而且专用改性沥青动力粘度大，与石料的粘附性强，水对外部的沥青混合料的影响不大，因此热压式沥青混凝土应用于桥面铺装时能有效抵抗雨水的侵蚀破坏。