低空隙率密水型沥青混合料抗永久变形能力研究

高群花

摘要 水泥桥面铺装对于防水性能要求较高，采用低空隙率密水型沥青混合料能够提高铺装结构寿命。但混合料抗永久变形的能力会受到影响，车辙病害成为主要考虑的因素。文章使用循环单轴压缩（动载荷蠕变）方法，研究不同空隙率和不同级配类型的低空隙率密水型沥青混合料的抗永久变形能力，结果表明，SMA比AC级配类型更适用于低空隙率密水型沥青混合料，能够提供更好的抗永久变形能力。

关键词 永久变形；沥青混合料；低空隙率；桥面铺装

中图分类号 U416.217文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0092-03

0 引言

混凝土梁桥能够保持长寿命使用的先决条件之一，是使用高质量的沥青层密封桥面[1]。桥梁结构中的沥青层由磨耗层和保护层组成，铺设在防水层上。典型的铺装材料是沥青混凝土（AC）和沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）。沥青含量的增加、空隙率的降低，以及桥面铺装的特定运行条件均可能导致永久变形，从而形成车辙。在刚性桥面上，由车辆荷载引起的桥面铺装中的应力和压缩应变是主要因素，铺装层的耐久性很大程度上取决于其抵抗永久变形的能力[2]。高压缩应变会导致沥青层在高温下产生过大的黏塑性应变。应变的值取决于刚度模量，而刚度模量则由温度、荷载频率、加载时间和荷载值决定。在夏季高温期，路面温度达到70 ℃（空气温度为35 ℃）时，高压缩应变尤为危险[3]。

传统桥面铺装结构包括两层，每层厚度约为4 cm。如果结构层的材料在低温下具有增强的应力和应变衰减能力，并且在高温下具有适当的刚度，则可以使用薄桥面。沥青混合料技术要求用于保护层，不建议只使用沥青玛蹄脂，尽管其密封性高，但可能抗变形能力差。耐久和安全的桥面铺装需要正确选择材料、适当的技术和最高质量的性能。除此之外，还可以通过使用标准技术来实现，如用改性沥青和增加沥青含量的SMA[4]，以及其他新材料和技术方案，如用聚合物改性沥青或添加橡胶屑的混合物来实现。

沥青混合料在表面高温状态下抗永久变形性能可以通过多种参数来表征，这些参数可对材料特性进行复杂而精确的描述。评估抗永久变形能力最常用的方法是在60 ℃的循环荷载下检测单层沥青混合料的车辙深度和车辙变形[5]，采用静态和动态冲孔贯入法对沥青玛蹄脂的硬度进行了评定。沥青混合料抗永久变形性能也可以采用40～60 ℃高温下的压缩蠕变试验来评估，称为单轴重复压缩蠕变，圆柱形样品受到垂直压缩载荷，该载荷可以是静态的或循环的。此类试验通常在实验室无侧限单轴加载的条件下进行。压缩蠕变法是测定循环荷载作用下具有高沥青含量、高密实的沥青混合料性能的有效方法，因此采用该方法来评估抗永久变形能力，同时为了对比不同级配下不同空隙率对混合料抗永久变形能力的影响，分析了AC和SMA两种级配类型以及六种不同空隙率下混合料的单轴重复压缩蠕变试验结果。

1 材料与试验方法

对两种混合料AC（AC-10）、SMA（SMA-10）的不同級配类型，共6种沥青混合料进行了抗永久变形试验，后缀为A（AC-A和SMA-A）的混合料沥青含量为5%，后缀为B（AC-B和SMA-B）的混合料沥青含量为6%，后缀为C（AC-C和SMA-C）的混合料沥青含量为7%。要求设计级配曲线如图1所示。

粗集料和细集料均采用玄武岩集料，原材料性能均符合规范要求。

沥青混合料采用聚合物改性沥青PMB45/80-55，沥青含量变化范围为5%～7%。所有沥青混合料的计算空隙率如表1所示。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），由密度和体积密度计算空隙率。

沥青混合料采用旋转压实法成型，在直径100 mm、高150 mm的圆柱形钢模中进行压实。根据150 mm压实高度控制，压实温度为160 ℃。每种混合料制作5个平行试样，通过增加沥青含量实现低空隙率，以此获得具有丰富沥青砂浆和高沥青含量的沥青混合料试样，即密水型沥青混合料，并进行了抗永久变形的性能测试。

为了评估沥青混合料SMA和AC的抗永久变形能力，试验方案采用了单轴循环压缩（动载蠕变）法，该方法有效表征了低空隙率密水型沥青混合料的高温性能。

单轴循环压缩法测试沥青混合料的抗永久变形性能，用恒定的应力荷载反复多次作用于试样。测试包括3 600个加载循环，试验温度为50 ℃，对每种沥青混合料的5个平行试件均进行了测试。试样呈圆柱形，直径100 mm，高150 mm，加载压力为100 kPa。试验设备采用UTM-25，利用LVDT位移传感器测量变形，测得最终试样变形的周期-应变曲线。

2 单轴循环压缩试验结果与分析

如图2、图3所示，给出了不同空隙率下SMA和AC混合料的单轴循环压缩抵抗永久变形的测试结果。

根据图2所示的SMA混合料试验结果可以看出，该SMA均具有较高的抗永久变形能力。评价标准是在对循环压缩试验和车辙试验的结果进行初步评价和比较的基础上确定的。在初始测试阶段，垂直应变显著增加，随之应变趋于稳定。当空隙率为3.6%和1.3%时，图的斜率相似，说明弹性部分在复合材料中占主导地位。SMA混合料抗永久变形性能高的原因很可能是选用了合适的间断级配的承载板。

根据图3所示的AC混合料的试验结果可知，与SMA混合料相比，AC混合料抗永久变形能力更低。与SMA混合料相似，在车辙初期垂直应变大幅增加，之后应变趋于稳定。与空隙率为3.7%的混合料相比，空隙率为1.5%的混合料斜率更大，说明随着复合材料中沥青含量的增加，沥青部分占主导地位。与SMA相比，AC对空隙率的变化更为敏感。

如图4所示，给出了空隙率最低的SMA（SMA-C）和AC（AC-C）的抗永久变形性能的比较。

对比SMA-A和AC-A两种空隙率最高的沥青混合料抗永久变形性能试验，可以看出它们在桥面铺装结构中的作用相似。两种混合物的应变增加（图的斜率）相似。然而，AC混合料具有更大的变形，这可能导致其与SMA相比抗永久变形能力降低。这是由于其级配中碎细集料量较高。

由圖4可以看出，SMA-C和AC-C两种混合料的变形试验结果相差很大。当AC的空隙率为1.5%时，可以认为AC为密实型。然而，AC-C混合料应变的大幅增加表明该混合料处于“流动状态”，混合料内部会产生较大的剪切变形，无法在桥面结构中有效抵抗车辙变形，特别是在夏季高温环境下。与SMA混合材料相比，该材料在更大范围内是黏性的。SMA-C混合料变形水平保持稳定增加，施加的应力和应变的响应近似恒定。

如图5、图6所示，分别为采用单轴循环压缩法对不同空隙率的SMA和AC混合料进行动载蠕变试验时累积变形和变形率的结果。

由图5、图6可以看出，两种混合料仅在最高空隙率时存在相似之处。随着混合料的空隙率下降，蠕变试验结果有很大不同，SMA保持了试验结果的稳定性，而AC蠕变显著增加，这表明了该混合料对空隙率变化的敏感性。

经统计分析，发现沥青混合料的抗永久变形敏感性在很大程度上取决于其级配。通过相关性分析和方差分析，SMA混合料具有较高的胶浆结构，其变形敏感性不会随着空隙率的减少而显著增加。对于连续级配的AC混合料，随着空隙率的减少，其抗永久变形能力大幅降低。此外，在单轴循环压缩试验中，沥青混合料的空隙率与沥青混合料的抗永久变形能力之间存在很强的相关性（Pearson相关系数r=0.68）。

增加SMA和AC混合料的沥青含量对降低其抗永久变形性能的作用机制是不同的。SMA混合料特点是间断骨架型级配，由粗集料相互嵌挤而成的骨架结构旨在传递车辆荷载。增加沥青含量来减少这类混合料的空隙率并不会显著降低其抗永久变形能力。沥青填充骨架颗粒之间的空隙，而不改变其骨架结构。AC混合料是连续级配，增加沥青含量可显著降低集料间的接触，因此，其抗永久变形能力降低。

3 结论

桥梁沥青混合料的设计与用于地面的沥青混合料不同。这些混合料的主要特点是密封性和抗永久变形。沥青含量的增加和桥面的特定使用条件可能导致永久变形，从而形成车辙。各种沥青混合料可用于桥面施工，在实际工程中，通常包括AC和SMA两种典型的级配类型。该研究对低空隙率密水型沥青混合料的抗车辙性能进行了比较，利用单轴循环压缩试验测试了不同空隙率的沥青混合料的抗永久变形能力。形成如下结论：

（1）在空隙率为1.3%～3.6%的范围内，SMA具有较高的抗永久变形能力，表明在高温下，弹性部分在其黏弹性力学行为中占据主导地位。

（2）当AC的空隙率在1.5%～3.7%之间时，其抗永久变形（蠕变）能力变差，特别是在空隙率较低的情况下，这表明在高温下，其黏弹性力学行为中黏性部分占主导地位。

（3）由于可能设计出更高的胶体结构，应考虑采用SMA作为低空隙率下抗永久变形的混合料，与AC相比，SMA具有在低空隙率情况下更好的抗车辙性能。

参考文献

[1]马晓杰. 典型沥青路面结构的力学响应对比分析[J]. 北方交通， 2018（7）： 110-113.

[2]钱振东， 王江洋， 王亚奇. 水泥混凝土桥梁长寿命桥面铺装层复合结构疲劳特性[J]. 中国公路学报， 2012（5）： 67-73.

[3]张磊， 伍石生， 黄卫， 等. 面向桥面铺装动力响应分析的多尺度桥梁模型[J]. 中国公路学报， 2012（3）： 87-93.

[4]Hao P， Zhang M， Zhang Q， et al. Study on evaluation method of mud-pumping of cement concrete bridge deck pavement[J]. Construction and Building Materials， 2018， 167： 106-114.

[5]Moriyoshi A， Takahashi N， Ikeda O， et al. Strain distribution in asphalt mixtures during the wheel tracking test at high temperatures[J]. Construction and Building Materials， 2013， 40： 1128-1135.