高弹改性沥青铺装材料路用性能研究

蒋知之

(镇江市综合交通事业发展中心，江苏 镇江 212000)

1 工程概括

五峰山长江大桥是目前世界上跨度最大、运行速度最快、运行荷载最大的公铁两用桥。大桥全长6.409 km，南北引桥主要为简支梁桥、连续梁桥和连续刚构桥，主桥跨度布置为：84 m+84 m+1092 m+84 m+84 m。桥面铺装的结构为：防水粘结层+下层浇筑式沥青3.5 cm厚的GA10沥青混凝土+粘结层+厚度为3.5 cm上层高弹改性沥青SMA10。高弹改性沥青混合料具有优异疲劳寿命、良好的高低温性能，适合于恶劣天气、重载以及复杂交通状况的桥面铺装[1]。

本文以五峰山大桥钢桥面铺装研究为依托，重点围绕沥青铺装高温性能和疲劳耐久性提升等方面进行研究，通过室内试验对比研究了不同类型高弹沥青混合料的路用性能及使用工艺，并对高弹SMA-10性能提升进行了研究。

2 实验对比

2.1 高温稳定性实验

本文采用车辙试验以检验高弹改性AC-10沥青混合料、半间断型级配高弹沥青混合料以及高弹SMA-10混合料的高温稳定性，试验条件：在(60±1)℃，(0.7±0.05)MPa。实验结果见表1。

表1 动稳定度试验结果

高弹AC-10沥青混合料60℃条件下动稳定度为4 650次/mm左右，虽然达到了规范中3 000次/mm的要求，但无法满足五峰山跨江大桥高温和重载使用条件。高弹复合级配沥青混合料60℃条件下动稳定度达到8 600次/mm左右；高弹SMA-10混合料60℃条件下动稳定度达到8 300次/mm左右，抗车辙性能好。

2.2 低温抗裂性实验

采用低温小梁弯曲试验评估三种材料的低温抗裂性能：试验温度-10℃，速率50 mm/min，试件尺寸250 mm×30 mm×35 mm，试验结果如表2所示。

表2 低温弯曲试验结果

由试验结果可知，三种沥青混合料在低温条件下弯曲应变均大于规范要求的2 500 με，这与低温条件下混合料动态模量低、变形能力强的试验结果一致，保证了混合料在低温状态下的变形能力，提高了其抗裂性能。

2.3 水稳定性实验

根据设计油石比及级配进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验三种沥青混合料的水稳定性能。试验结果如表3所示。

由试验结果可知，三种沥青混合料残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR均达到规范要求，高弹改性沥青与矿质集料粘附性能优异，保证了混合料的水稳定性。其中高弹SMA-10沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比均在90%以上，具有很好的水稳定性能，这是由于高弹改性沥青SMA-10为骨架密实结构，0.075 mm通过率高，油石比高，沥青胶浆与粗细集料具有良好的粘附性。

2.4 动态模量实验

参照AASHTO TP-62试验方法，利用Superpave简单性能试验机测定了三种材料的动态模量，动态模量试验采用应力控制方式。试验结果如表4所示。

表4 高弹混合料动态模量试验结果

试验结果表明，三种沥青混合料的动态模量均随着温度的升高而降低，随着频率的升高而增加。在低温5℃、10 Hz条件下，高弹AC混合料的动态模量为7 834 MPa，低温下较低的动态模量保证了其较好的抗裂能力；加载频率为10 Hz时，低温和常温条件下，MGA的动态模量分别为16 838、11 033 MPa，动态模量适中，高弹SMA混合料模量高，保证了其在低温条件下的具有一定的变形能力。

在高温55℃、10 Hz条件下，高弹AC混合料动态模量显著降低，仅为445 MPa，混合料会发生塑性流动变形，导致其高温稳定性不足。高弹MGA混合料和高弹SMA混合料模量较高，分别为1 752 MPa和900 MPa，具有较好的高温稳定性。

2.5 抗疲劳性能实验

对于沥青混合料的使用寿命，本次研究按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的沥青混合料四点弯曲疲劳试验进行评价，应变水平分别为500、600、700 με。将成型的400 mm×400 m×70 mm大车辙板试件切割成四点疲劳试件尺寸380 mm×63.5 mm×50 mm，试件数量9个，每个应变水平采用三个平行试件进行测试。试验结果如表5所示。

表5 不同应变水平下的疲劳寿命次数

由试验结果可知，从混合料疲劳寿命次数随应变水平变化趋势可以看出，AC-10沥青混合料应变水平由500 με提高至600 με时，疲劳寿命有了大幅降低，疲劳性能相对较差。高弹MGA混合料在500 με条件下，疲劳寿命接近为27万次左右，在高应变水平700 με条件下，疲劳寿命依然高达5万次以上，疲劳性能十分优异。SMA-10沥青混合料在500 με条件下，疲劳寿命达到20万次以上，在高应变水平700 με条件下，疲劳寿命接近2.5万次具有优异的疲劳性能。

3 高弹SMA-10性能提升研究

由前述力学分析可知，在高温条件下，浇筑式沥青混凝土层的模量急剧降低，提高上面层高温稳定性，对于降低铺装层车辙病害的发生具有积极作用。高弹沥青上面层作为直接承受车辆荷载和外部自然环境的表面层，其路用性能的优劣对铺装结构使用寿命有重要影响。因此，本文对同时提升高弹沥青上面层的高温稳定性和低温柔韧性进行了研究。

3.1 添加外掺剂

复合多效增强剂特点为含有羰基基团的多链聚烯烃，熔点为120℃～140℃。会通过相似相容原理进入沥青中，降低沥青的黏度，促使混合料在降低拌和温度下仍然具备可靠的压实黏度。此外羰基基团由于和沥青之间的极性相差很大而不溶于沥青，羰基基团上的氧原子会与集料表面的Ca2+，Mg2+等金属离子形成配位键，降低沥青与集料之间摩擦力，起到温拌作用。配位键的形成增大了沥青与集料之间的抗剥落性能，混合料的抗水损害明显得到提升。当沥青和集料温度低于复合多效增强剂的熔点时，复合多效增强剂在沥青混合料中以固态形式存在，黏度显著增大，提升了沥青混合料的高温稳定性。

3.2 级配优化

矿料级配对混合料的高温性能有极大影响，SMA-10混合料为典型的间断级配，其混合料为骨架密实结构，按其级配上下限进行的配合比设计具有较好的骨架结构[2]。其级配范围较广，且在生产过程中SMA一般按级配中值进行设计，为了进一步提高混合料的高温稳定性，可按级配中值与级配下限之间进行控制，使混合料具有更优良的骨架结构。

3.3 优化后SMA-10路用性能

为了提高浇筑式沥青铺装上面层性能，在进行级配设计时使用了粗型SMA-10级配，以增强混合料的骨架结构，同时在混合料中掺入0.35%的复合增效剂，以期达到提高SMA10高低温性能的目的。通过配合比设计，SMA-10最佳油石比为6.0%，合成级配如表6所示。

表6 SMA-10合成级配

为了研究优化后SMA-10的路用性能，按配合比进行拌和了沥青混合料，对成型相应试件进行了车辙试验以及小梁弯曲试验。

由试验结果可知，优化后最佳油石比降低为6.0%，动稳定度提升到14 000次/mm左右，提高了76%，表明优化后SMA-10的高温抗车辙性能得到显著提高。此外，优化后SMA-10的低温弯曲应变为3 140 με，与优化前相比提高了6%，有略微提高。总体而言，经过级配优化并掺入复合增效剂后，SMA-10沥青混合料在保证低温抗裂性的同时，高温抗车辙性能有了大幅度提高。

4 不同高弹混合料综合比较

如表7所示，为不同类型高弹沥青混合料性能综合对比。

综合对比高弹SMA、高弹AC和高弹MGA三种混合料性能，高弹SMA和高弹MGA综合性能优于高弹AC，可以更好地满足五峰山钢桥高温重载使用条件。

5 结束语

本文对三种不同高弹改性沥青混合料进行了性能的试验研究，并对高弹SMA-10进行了性能提升研究，重点提升铺装上面层材料的低温抗裂性能和高温抗车辙性能，得到以下结论。

1)高弹SMA和高弹MGA高低温模量均明显高于高弹AC，高低温条件下均具有较高的强度；MGA混合料则具有“低温模量低，高温模量高”的特性，两者均可提高混合料在低温下抗裂、高温下抗车辙的综合性能。

2)高弹SMA和高弹AC沥青混合料均具有良好的水稳定性能。

3)高弹SMA和MGA混合料60℃条件下动稳定度达到8 000次/mm左右，相比高弹AC混合料抗车辙性能更好。

4)高弹SMA和MGA均具有良好的疲劳性能，且在各应变水平下均明显高于AC-10沥青混合料，尤其是在高应变水平下的疲劳性能。

5)经过优化后的高弹SMA混合料高温抗车辙性能得到显著提升，同时其低温抗裂性有小幅度改善。

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