钢桥面铺装高弹改性沥青混合料SMA10性能分析

刘 攀， 郝增恒， 盛兴跃， 李 璐

(重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆 401336)

钢桥面铺装是直接铺设在钢桥面板上，与钢桥面结构共同承重的构造物[1]。研究表明，钢桥面铺装层最大拉应力或拉应变均出现在铺装层表面，其疲劳裂缝发展规律是由上面层向下面层扩展，这不同于普通的沥青混合料路面[2]。因此，钢桥面铺装上面层材料需要具有良好的抗裂性能。SMA混合料因优异的性能，被广泛用于钢桥面铺装工程的上面层。目前，国内应用规模最大的钢桥面铺装方案是“下面层浇注式沥青混合料GA10+上面层改性沥青混合料SMA”[3-5]。

用于改性沥青混合料SMA的结合料主要分为高粘改性沥青和高弹改性沥青[6]。在我国公路建设早期，常采用高粘改性沥青，但其混合料SMA抗裂性不足，桥面铺装出现了一定的开裂病害[7]。理论研究与工程实践证明，高弹改性沥青混合料SMA具有优异的抗裂性能[5,8-9]，钢桥面铺装层很少出现开裂病害。近年来，国内大跨径钢桥面铺装上面层混合料多采用高弹改性沥青混合料SMA[4，10-13]，如重庆朝天门长江大桥、安徽马鞍山长江大桥、武汉沌口长江大桥、武汉青山长江公路大桥、福建平潭海峡大桥、沪苏通长江公铁大桥主航道桥等重大重点工程。

沥青结合料种类对混合料的性能有决定性影响，对结合料的选择要综合考虑各方面性能。李睿等[14]研究表明，相比普通SBS改性沥青混合料，高弹改性沥青混合料的低温性能和疲劳性能极为优异，且混合料的性能与结合料的性能结果一致。王民等[15]对比分析了不同沥青结合料的浇注式沥青混合料的性能，结果表明，混合料的性能与其结合料类型存在一致性。欧阳男[16]研究了高弹改性沥青和复合改性沥青对浇注式沥青混合料性能的影响，结果表明高弹改性沥青混合料的高温稳定性和疲劳性能更优，但复合改性沥青混合料施工和易性更好。在此，本文选择4种高弹改性沥青和1种高粘改性沥青，在相同条件下成型混合料SMA10，分析评价混合料的路用性能及其与结合料技术性能指标间的联系，为后续工程运用中结合料的选择以及沥青混合料性能的改善提供参考依据。

1 结合料性能分析

选择4种高弹改性沥青(分别记为改性沥青A、改性沥青B、改性沥青C和改性沥青D)和高粘改性沥青(记为改性沥青E)，其技术指标检测结果见表1。

从表1可以看出，高弹改性沥青的综合性能明显优于高粘改性沥青。4种高弹改性沥青的技术指标不尽相同，针入度(25 ℃)为65～78(0.1 mm)，软化点均高于90 ℃，延度(5 ℃)均大于50 cm，旋转粘度(175 ℃)为650 mPa·s～720 mPa·s，弹性恢复率均大于97%，与集料的粘附性等级均为5，残留针入度比均大于70%，残留延度均大于30 cm。其中改性沥青A具有最大的高温粘度、残留针入度比及最高的软化点，表现出更好的高温性能和抗老化性能；改性沥青C具有最大的低温延度、弹性恢复率和针入度，表现出更优异的低温性能；而改性沥青B和改性沥青D的各项技术指标居中。

结合料的技术指标对混合料的路用性能有较大影响，进一步研究混合料SMA10的路用性能，并分析混合料性能与结合料技术性能指标的联系。

表1 改性沥青技术指标检测结果

2 混合料性能分析

2.1 原材料选择

粗集料和细集料均采用玄武岩，矿粉采用石灰岩矿粉，纤维采用聚酯纤维。原材料的技术指标检测结果见表2～表5。

2.2 配合比及试验方法

根据矿料筛分结果，改性沥青混合料SMA10的级配设计见表6。改性沥青混合料SMA10用结合料采用改性沥青A、改性沥青B、改性沥青C、改性沥青D和改性沥青E，油石比采用6.0%，聚酯纤维用量为混合料总质量的0.25%，拌和温度为180 ℃，拌和时间为180 s。在此条件下拌制5种改性沥青混合料SMA10，分别成型马歇尔试件、高温车辙试件、低温三点弯曲试件和四点弯曲疲劳试件。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的测试方法，进行改性沥青混合料SMA10的性能试验，系统评价其路用性能。

表2 粗集料技术指标检测结果

表3 细集料技术指标检测结果

表4 矿粉技术指标检测结果

2.3 路用性能对比试验

2.3.1 力学性能

马歇尔稳定度可作为混合料力学强度的评定指标。对改性沥青混合料SMA10进行马歇尔试验，试验温度为60 ℃，结果见表7。

表5 聚酯纤维技术指标检测结果

从表7可知，5种混合料SMA10的空隙率和马歇尔稳定度均满足技术要求。高粘改性沥青混合料SMA10的马歇尔稳定度大于高弹改性沥青混合料SMA10，说明高粘改性沥青混合料SMA10具有更高的力学强度。针对高弹改性沥青混合料SMA10而言，SMA10-A的马歇尔稳定度最大，其后依次为SMA10-B、SMA10-D和SMA10-C。高弹改性沥青A的软化点和高温粘度均高于高弹改性沥青B、C和D，这表明高弹改性沥青混合料SMA10的力学强度与沥青结合料的软化点和高温粘度有密切的关联。

表6 改性沥青混合料SMA10设计级配

表7 改性沥青混合料SMA10马歇尔试验结果

2.3.2 高温性能

钢桥面铺装要求混合料具有良好的高温性能。对改性沥青混合料SMA10进行车辙试验，试验温度为60 ℃和70 ℃，结果见表8。

表8 改性沥青混合料SMA10车辙试验结果

从表8可知，相同试验温度下，4种高弹改性沥青混合料SMA10的动稳定度要低于高粘改性沥青混合料SMA10，且车辙深度更大，说明高弹改性沥青混合料SMA10的高温性能较高粘改性沥青混合料SMA10差，但完全满足技术要求(夏炎热区70 ℃动稳定度≥3 000次/mm，夏凉区60 ℃动稳定度≥3 000 次/mm)。4种高弹改性沥青混合料SMA10的动稳定度大小顺序为：SMA10-A>SMA10-B>SMA10-D>SMA10-C，与马歇尔稳定度的规律一致，即力学强度高的混合料SMA10，其高温性能同样优异。结果表明，高弹改性沥青混合料SMA10的高温性能与沥青结合料的软化点和高温粘度有明显的相关性，即软化点和高温粘度越高的高弹改性沥青，其混合料SMA10具有更优的高温稳定性。据此，针对高温重载地区，可优先采用高弹改性沥青A。

2.3.3 低温性能

钢桥面铺装要求混合料具有良好的低温性能。对改性沥青混合料SMA10进行低温弯曲大梁试验，试件尺寸为300 mm×100 mm×50 mm，试验温度为-10 ℃，结果见表9。

表9 改性沥青混合料SMA10三点弯曲试验结果

从表9可知，5种改性沥青混合料SMA10的低温抗弯应变均大于6 000，满足技术要求。其中，高弹改性沥青混合料SMA10的低温抗弯应变为 10 000～11 320，明显高于高粘改性沥青混合料SMA10的7 813。高弹剂的掺入使得改性沥青混合料的低温变形能力大大增强，可承受更高极限应变，解决了钢桥面铺装混合料SMA10的开裂问题。4种高弹改性沥青混合料SMA10的低温抗弯应变大小顺序为：SMA10-C>SMA10-D>SMA10-B>SMA10-A，这与沥青结合料的低温延度和弹性恢复率大小顺序一致，表明高弹改性沥青混合料SMA10的低温抗裂性同沥青结合料的低温延度和弹性恢复率具有较好的相关性。低温延性越好的高弹改性沥青，其混合料SMA10具有更佳的低温抗裂性。据此，针对寒冷地区，可优先采用高弹改性沥青C。

2.3.4 水稳定性能

混合料水稳定性能的优劣同样关乎钢桥面铺装的服役状况。对改性沥青混合料SMA10进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，结果见表10。

表10 改性沥青混合料SMA10水稳定性能试验结果

从表10可知，5种改性沥青混合料SMA10的浸水残留稳定度均大于90%，其顺序为：SMA10-D>SMA10-C>SMA10-E>SMA10-B>SMA10-A，冻融劈裂强度比均大于85%，其顺序为：SMA10-B>SMA10-D>SMA10-E>SMA10-C>SMA10-A。整体而言，5种改性沥青混合料SMA10的水稳定性能相差不大。5种沥青结合料与集料具有良好的粘附性(粘附等级均为5)，因此其混合料SMA10的水稳定性能优异，能有效抵挡水的侵蚀。

2.3.5 疲劳性能

钢桥面铺装疲劳问题一直是世界性难题。对改性沥青混合料SMA10进行四点弯曲疲劳试验，试验温度为15 ℃，结果见表11。

从表11可知，相同条件下，高弹改性沥青混合料SMA10的劲度模量为1 900 MPa～2 300 MPa，明显小于高粘改性沥青混合料SMA10的3 275 MPa。

表11 改性沥青混合料SMA10四点弯曲疲劳试验结果

发生疲劳时高弹改性沥青混合料SMA10变形能力较大，疲劳寿命提高20倍左右，因此其疲劳性能更为优异。4种高弹改性沥青混合料SMA10的疲劳次数大小顺序为：SMA10-C>SMA10-D>SMA10-B>SMA10-A，这与沥青结合料的低温延度和弹性恢复率大小顺序一致，延展性越好的高弹改性沥青，在反复弯曲过程中，能吸收较多的弯曲应变能，阻止混合料SMA10的开裂。试验结果表明，高弹改性沥青混合料SMA10的疲劳性能同沥青结合料的低温延度和弹性恢复率具有较好的相关性。针对疲劳耐久性要求较高的工程，可优先采用高弹改性沥青C。

3 结论

本文针对4种高弹改性沥青混合料SMA10及高粘改性沥青混合料SMA10展开研究，主要得出以下结论：

1) 4种高弹改性沥青混合料SMA10的低温性能和疲劳性能显著优于高粘改性沥青混合料SMA10，而力学性能和高温性能则略差于高粘改性沥青混合料SMA10。

2) 高弹改性沥青混合料SMA10的路用性能与其结合料的性能密切相关。相同条件下，软化点和高温粘度越高的结合料，其混合料SMA10的力学性能和高温性能越优异；低温延度和弹性恢复率越大的结合料，其混合料SMA10的低温性能和疲劳性能更佳。4种高弹改性沥青与集料的粘附性良好，其混合料SMA10均表现出优异的水稳定性能。4种高弹改性沥青混合料SMA10的性能各有优劣，可根据实体工程所在地的环境及设计要求进行材料选择。

3) 改性沥青SMA10的性能不是单纯地受结合料中某项技术指标的影响，是一个比较复杂的综合影响的结果。因此，高弹改性沥青的性能如何影响混合料SMA10的路用性能，还有待更多的试验进一步验证。