胶结料组成对PGA+AC 高温性能的影响研究

2023-10-18朱银虎

科学技术创新 2023年24期

朱银虎，曹健*

（1.南京市公共工程建设中心，江苏南京；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京；3.新型道路材料国家工程研究中心，江苏南京）

引言

南京栖霞山长江大桥（原南京长江第四大桥）为国内首座采用复合浇注式沥青铺装方案（即PGA+AC“浇注式沥青混凝土铺装下层+高弹改性沥青密级配混凝土铺装上层”，其铺装方案见图1）的大跨径悬索桥[1]。自2012 年建成通车至今，服役近11 年，尚未出现明显病害，其应用效果远超同期国内其他铺装方案[2]。

图1 复合浇注式沥青混凝土铺装结构

但该铺装方案中铺装下层所用直馏硬质沥青与TLA 湖沥青，以及铺装上层所用高弹改性沥青等沥青类原材料均采用进口材料。一方面，由于进口材料普遍价格昂贵，不利于降低工程造价；另一方面，进口原材料质量不可按，工程质量按制难度大，尤其是浇注式沥青混合料中所用的TLA 湖沥青，其地沥青、矿物质及有机质等含量随开采部位等不同而发生波动，进而影响沥青混合料的质量稳定性[3-4]；再者，采用TLA湖沥青制备浇注式沥青混合料时需要对TLA 进行人工/机械脱桶、破碎、称量、人工添加等，不仅增加额外的人力成本与机械设备成本，且额外的工序更增加了质量按制的难度，对于工程质量造成一定的潜在风险。

因此，基于国产沥青类原材料技术的进步，开展国产材料对复合浇注式沥青铺装方案的适用性研究，对于节约工程造价，减低工程质量按制难度等具有重要意义。

1 胶结料性能

本研究主要采用进口30#直馏硬沥青掺配湖沥青（简称“进口30#+TLA”）、国产30#直馏硬沥青掺配湖沥青（简称“国产30#+TLA”）以及国产15#直馏硬质沥青（简称“国产15#”）制备浇注式沥青混合料GA-13，以开展相关性能研究。各类型胶结料性能见表1。

表1 不同类型胶结料性能

由试验结果可知，国产30#+TLA 的软化点略低于进口30#+TLA，针入度略高于进口30#+TLA，表明其高温性能略低于进口30#+TLA；国产15#沥青软化点较进口30#+TLA 提高约6%，而针入度降低27%，体现出了更加优异的高温性能。国产30#+TLA 及国产15#沥青25 ℃延度均显著高于进口30#+TLA，表现出更加优异的变形性能。

2 胶结料组成对浇注式沥青混合料动态模量的影响

参照DB 32/T 2678-2014《复合浇注式沥青钢桥面铺装设计与施工技术规范》中“浇注式沥青混合料（GA-13）配合比设计方法”开展不同胶结料浇注式沥青混合料配合比设计与制备。

基于所制备的浇注式沥青混合料，在恒温条件下，利用Superpave 简单性能试验机(SPT)圆柱体试件进行正弦振动加载，对不同试验温度和加载频率的沥青混合料进行动态模量测定，试验条件见表2。

表2 动态模量试验条件

不同胶结料制备的浇注式沥青混合料动态模量主曲线见图2。

图2 不同胶结料GA-13 动态模量主曲线

由图2 试验结果可以看出：

（1）采用三种沥青胶结料制备的浇注式沥青混合料，其动态模量均随着加载频率的降低而显著减小，对应于实体工程而言，行车速度越低，浇注式沥青铺装层动态模量越低，铺装层发生高温车辙病害的风险越高。因此，对于低速行驶工况下的复合浇注式沥青钢桥面铺装层，尤其应重点关注其高温稳定性。

（2）对比采用国产30#+TLA 与采用进口30#+TLA 试验结果可以看出，在较低频率下，国产30#+TLA 组动态模量高于进口30#+TLA，与两组胶结料软化点及针入度试验结果相吻合。随着频率的增加，两者动态模量差距逐渐减小，表明随着加载频率的增加，两组混合料性能接近。

（3）对比采用国产15#与采用进口30#+TLA 试验结果可知，在所试验的加载频率范围内，采用国产15#直馏硬质沥青制备的浇注式沥青混合料动态模量均显著高于采用进口30#+TLA 组，体现出了更加优异的高温稳定性。

3 胶结料组成对浇注式沥青混合料级组合结构高温性能影响

3.1 胶结料组成对浇注式沥青混合料高温性能的影响

本研究采用国标车辙试验研究不同种类胶结料浇注式沥青混合料的高温性能，试验温度分别为60℃和65 ℃，试验轮胎压强为0.707 MPa。此外，根据《复合浇注式沥青钢桥面铺装设计与施工技术规范》及以往工程经验，为提高复合浇注式沥青铺装层高温稳定性能，施工时在浇注式沥青混凝土铺装层表面压入粒径为13.2 mm～19 mm 的玄武岩预裹沥青碎石[3-4]。因此，本研究分别开展未压入碎石及压入预裹沥青碎石后的动稳定度试验，碎石压入量为10 kg/m2，试验结果见表3。

表3 不同胶结料GA-13 动稳定度

由表3 试验结果可知，在60 ℃及65 ℃试验条件下，采用国产30#+TLA 与国产15#沥青制备的试件，其动稳定度接近，尤其是压入碎石后，两组试验结果无明显差别，且两组试验结果均高于进口30#+TLA 组别，表现出更加优异的抗车辙性能。从摆脱对进口材料的依赖以及简化混合料生产工艺等方面考虑，可以采用国产15# 沥青替代进口30#+TLA 及国产30#+TLA。

此外，对比三组试验未压入碎石及压入碎石试验结果发现，在浇注式沥青混合料GA-13 中压入预裹沥青碎石，可以显著改善浇注式沥青混凝土层的高温稳定性能，对于降低铺装层发生高温病害的风险，延长铺装层使用寿命具有重要意义。

3.2 胶结料类型对组合结构高温性能的影响

复合浇注式沥青铺装方案高温性能是国内浇注式沥青钢桥面铺装研究关注的重点，而单纯测试GA-13 的高温稳定性能无法准确反应铺装结构的高温性能。铺装组合结构性能试验是评价铺装结构性能的重要手段，针对铺装的具体使用条件，通过室内复合件试验可以更加准确的反映铺装结构的性能。基于已建及在建工程中复合浇注式沥青铺装方案各结构层厚度，确定本研究中组合结构形式为“4 cmGA-13+3.5 cmAC-13”。分别研究60 ℃及65 ℃试验温度下未压入碎石及压入碎石组合结构动稳定度，试验结果见表4。

表4 不同类型胶结料组合结构动稳定度

组合结构动稳定度试验结果表明，采用国产15#直馏硬质沥青与采用进口30#+TLA 组别在60 ℃试验温度下未压入碎石、60 ℃试验温度下压入碎石以及65 ℃试验温度下压入碎石的组合结构动稳定度处于相同水平，两者无明显差别。而采用国产30#+TLA 组别在所设定的试验条件下组合结构动稳定度均高于进口30#+TLA 组别，尤其是压入碎石后，国产30#+TLA 组别优势更为明显，其中60 ℃试验温度下较进口30#+TLA 提高约62%，65 ℃试验温度下较进口30#+TLA 提高约43%，具有更好抵抗车辙变形的能力。