潍烟高速铁路路基防水封闭层用沥青混凝土性能

郭强

中铁一局集团第五工程有限公司， 陕西 宝鸡 721006

防水封闭结构作为高速铁路路基阻止表水入侵的第一道防线，是路基长期保持良好服役状态的重要保障［1-2］。由中国铁道科学研究院集团有限公司和东南大学联合开展的哈齐、郑徐、京张等沥青混凝土防水封闭层工程实践及原位加速加载试验均证明，在基床顶面全断面铺设沥青混凝土，不仅能对路基提供长期可靠的防水和防冻保护，还能弥补既有结构缺乏刚度过渡的缺点［3-7］，而且能有效地解决现有纤维混凝土防水封闭层“裂”和“缝”的问题，具有重要的理论和实际意义。

相比水泥基材料，沥青混凝土是一种兼具强度与柔性的黏弹性材料，具有良好的黏弹性、不透水性和耐久性，是路基面防排水和优化路基结构的理想材料。沥青作为一种黏弹性有机高分子材料，其成分与结构导致了力学性能对温度具有很强的敏感性，在高温下容易发生流动，在低温下容易发生脆裂，耐老化性能较差。在沥青路面的实际应用显示，使用过程中容易出现裂缝、车辙、龟裂、拥包、水损等病害，这将会严重地影响到沥青混凝土的服役性能与使用寿命［8-10］。同时，将沥青混凝土作为高速铁路路基基床表层的防水封闭结构的使用年限为60 年，远超现有沥青路面的设计使用年限（15年），这对防水封闭层所用的沥青混凝土耐久性提出了更高要求。目前的公路沥青混凝土是否能够满足高速铁路路基长寿命高性能的需求尚不清楚。为此，亟须对沥青混凝土进行改进，避免过早损伤，增强对高低温等环境条件的适应能力及耐久性。

现有研究结果表明，将散粒体矿料胶结成整体的沥青胶结料对于沥青混合料力学性质起着关键作用，改善其综合性能能够全面提升沥青混凝土的综合性能［8，11-12］。目前，采用高分子材料对沥青进行改性大幅度提高沥青混凝土的服役性能，替代传统的石油沥青，是提高沥青混凝土高温、低温和耐久性能的重要途径。然而，由于荷载、环境条件等因素，采用单一改性很难同时达到防水封闭层所用沥青的高温稳定性、中温抗疲劳、低温抗开裂、耐候性等性能的综合要求。

本文采用DR 与SBS 复合改性沥青复配的技术方案，制备耐候性复合改性沥青，通过对SBS + TPS 复合的高黏改性沥青及SBS + DR 复合改性沥青混合料进行高温抗变形、低温弯曲断裂、四点弯曲疲劳、冻融劈裂等性能测试，探讨两种复合改性沥青混凝土各项性能对于潍烟高速铁路防水封闭层的设计文件的响应程度。研究成果可为高速铁路无砟轨道沥青混凝土防水封闭层的选材提供指导。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

选用铁路专用SBS 改性沥青为试验对象，其基本性能见表1。

表1 SBS改性沥青基本性能

1.2 复合改性沥青制备

在实验室条件下，改性沥青通常经历三个阶段：溶胀、高速剪切和发育。首先，改性剂（18%DR +8%TPS）加入成品SBS 沥青，经过搅拌器搅拌分散后于163 ℃溶胀1 h。溶胀后的混合物在180 ℃下以3 000 r/min 的速率下高速剪切1 h。随后，加入混合物的总含量1‰的硫磺稳定剂，将混合物在180 ℃搅拌1 h，以1 000 r/min的速率搅拌而制成复合改性沥青。

1.3 沥青混凝土级配

沥青混凝土规范Q/CR 838—2021《铁路路基用沥青混凝土》［14］选用铁路专用TC-16级配，所用集料为石灰岩粗、细集料及矿粉，合成级配曲线如图1所示。

图1 TC-16级配曲线

1.4 试验方法

1）高温变形测试

考虑到高速铁路对于变形控制严格，为保证封闭层在长期服役过程中的稳定，依据规范Q/CR 838—2021 附录J，试验温度为60 ℃，在0.7 MPa 荷载车轮45、60 min时的变形差评定高温抗变形能力。

2）低温弯曲试验

依据JTG E20—2011 规范中T0715 方法，试验温度为-10 ℃、加载速率为50 mm/min，断裂试件如图2所示。按照潍烟高铁办〔2022〕1 号《新建潍坊至烟台铁路路基沥青混凝土防水封闭结构技术要求（暂行）》［15］（以下简称技术要求）中规定的极限弯拉应变及抗弯拉强度来评价沥青混合料的低温抗弯性能。

图2 低温弯曲试验试件断裂

3）四点弯曲疲劳试验

采用JTG E20—2011 中T0739 方法，试验温度为（15 ± 0.5）℃，加载频率（10 ± 0.1）Hz，采用恒应变控制的连续偏正弦加载模式。试验终止条件为弯曲劲度模量降低至初始弯曲劲度模量的50%，采用50%模量对应的加载循环次数评估沥青混合料疲劳性能。

4）动态模量试验

根据规范Q/CR 838—2021 附录Ⅰ测试沥青混合料动态模量。利用旋转压实钻芯获得试件，在10、20、30、40 ℃四个温度下，对试件进行了动态模量测试。在每个试验温度下，分别采用25.0、20.0、10.0、5.0、2.0、1.0、0.5、0.2、0.1 Hz 共9 个加载频率进行了测试，如图3所示。

图3 动态模量试验

5）水损伤评价试验

按照JTG E20—2011中T0709及T0719方法，分别对防水封闭层用沥青混凝土马歇尔试件检测浸水马歇尔稳定度及冻融劈裂强度进行了测试，从而评估混凝土的抗水损伤性能。

2 结果与讨论

2.1 高温变形

由于沥青混凝土属于黏弹性材料，在恒压加载下，其产生的变形可分为可恢复弹性变形和不可恢复的塑性变形两个部分［16］。不可恢复变形累积将会影响轨道的舒适性，因此技术要求规定45 min 下的变形（d1）和60 min下的变形（d2）之差不得大于0.2 mm。

两种复合改性沥青混凝土位移-加载时间典型曲线见图4。可知：两种改性沥青位移随加载次数呈现初期快速增长而后缓慢增长的趋势；初始时基本重合，这与加载相同、级配相同有关，此部分变形主要是荷载产生的弹性变形；后期分离的原因主要是两种复合改性沥青性质具有差异，再生胶粒子可赋予沥青混凝土更好的弹性变形能力［17］，因此其赋予了SBS/DR改性沥青混凝土更好的弹性，从而使其在加载过程中具有更强的回弹变形能力。

图4 恒压加载变形测试

两种复合改性沥青混凝土45 min 及60 min 的变形试验结果见表2。可知：两种复合改性沥青混凝土均具有良好的抗变形能力，变形差均小于0.1 mm，较潍烟高铁办〔2022〕1 号设计要求规定的0.2 mm 留出了很大的安全区，从而确保了防水封闭层具有良好的高温抗变形能力。

表2 两种复合改性沥青混凝土加载变形

2.2 低温抗开裂性能

当前，对沥青混凝土的低温力学行为，主要是通过对其低温下的极限弯拉应变和抗弯拉劲度模量来评估其低温条件下的变形和卸荷能力。极限弯拉应变越大说明沥青混凝土在低温作用下的抗变形能力越大，材料开裂的可能性越小；抗弯拉劲度模量越小说明混凝土产生单位应变所需的应力越小，材料的低温柔韧性越好。

在此基础上，对两种复合改性沥青混凝土进行了低温弯曲试验，结果见图5。可知：两种复合改性沥青混凝土均满足低温极限弯拉应变大于3 × 10-3、抗弯拉强度大于8 MPa 的技术要求，其中SBS + DR 复合改性沥青混凝土应变超出7 × 10-4，超过使用要求的20%以上。与SBS + TPS 复合改性沥青混凝土相比，SBS + DR 复合改性沥青混凝土的低温极限弯拉应变更大。

图5 低温弯曲试验结果

同时，测试得出SBS + TPS及SBS + DR 两种复合改性沥青的脆点温度分别为-22、-28 ℃，因此SBS + DR复合改性沥青在寒冷地区具有更强的低温抗裂性能。究其原因，橡胶颗粒具有良好的弹性，在混凝土低温加载过程中出现细小裂纹，橡胶颗粒在拉应力的作用下可以作为应力集中点增强低温冲击强度；同时还会在微观裂纹上吸附能量，防止其发展成为毁灭性的裂纹，从而达到抑制裂纹的目的。此外，由于裂缝周围气体的存在，使得裂缝的整体强度下降，进而提高了混凝土应力释放能力。

2.3 中温抗疲劳开裂性能

沥青混凝土防水封闭层一种常见的破坏模式为疲劳失效。通过四点弯曲疲劳试验确定沥青混凝土的疲劳寿命，是确保其在设计使用年限内无疲劳裂纹的关键。在测试过程中，研究选取了4 × 10-4、5 × 10-4、6 × 10-4三种应变水平，并在恒应变控制的基础上进行测试。测试结果见图6及表3。

图6 两种沥青混凝土疲劳试验结果曲线（应变水平为6 × 10-4）

表3 两种复合改性沥青混凝土疲劳寿命

由表3及图6可知：

1）三种应变水平下，SBS + DR 复合改性沥青混凝土的疲劳寿命均高于SBS + TPS复合改性沥青混凝土，且应变都在4 × 10-4时，远远高于设计文件要求的50万次，说明两者都具有较好的抗疲劳能力。

2）两种复合改性混凝土的疲劳性能分为三个阶段。不同于基质沥青混凝土疲劳试验的三阶段，其第二阶段是平台区。平台区裂缝扩展至聚合物，高掺量的复合改性沥青聚合物网络形成后可形成弹性增强剂，从而更好地抑制裂纹的蔓延，这一点已在文献［18］中有所阐述。

3）SBS + DR复合改性沥青混凝土的疲劳性能优于SBS + TPS 复合改性沥青混凝土的原因与其在低温时具有更好的抗裂性相似。

2.4 动态模量试验

动态模量试验过程中，通过对试件施加偏移正弦波轴向压应力荷载，在设定温度下0.1～25 Hz 内由高频至低频进行加载，从而得到试件轴向可恢复变形、动态模量、相位角等信息，分别见图7、图8。

图7 改性沥青混凝土动态模量

图8 不同改性沥青混凝土相位角

由图7、图8可知：

1）两种复合改性沥青混凝土在15 ℃下的动态模量均超过6 000 MPa，满足技术要求。此外，不同温度下，随着温度的升高或加载频率的减小，各试件动态模量总体均呈减小趋势。

2）随着加载频率的增加，高温下沥青混合料动态模量增大的趋势比低温时小，主要是因为低温下沥青混合料劲度大，对加载频率的变化比较敏感；而高温时沥青混合料的矿料骨架起主要作用，混合料对加载频率的变化不太敏感。

3）在温度升高或者荷载频率降低时，沥青混合料的黏性性质增加，相位角相应增大。当试验温度为4 ℃和15 ℃时，两种沥青混合料试件的相位角随着加载频率的减小而增大。但是，当温度继续升高时，即试验温度提高至30 ℃时，SBS + DR 复合改性沥青混凝土试件的相位角随加载频率降低而增大的趋势已经不再显著，而是随着加载频率的降低呈现先略微增大后逐渐减小的趋势。造成这种相位角变化规律差异的原因为，低温高频荷载作用下，沥青混合料的性能主要由沥青胶结料的主导，其相位角随加载频率的减小而增大；而高温低频荷载作用下，沥青胶结料软化，矿料骨架的影响超过了沥青黏性性质的影响，因矿料处于弹性状态，相位角为0，因此沥青混合料的相位角会出现减小趋势。

基于不同温度、不同加载频率下获得的沥青混合料动态模量，顺着时间变化方向平移不同温度下的模量，拟合试件的动态模量主曲线。不同温度下的动态模量的时温平移因子使用Sigmoidal 函数、采用非线性最小二乘法拟合得到，Sigmoidal函数为

式中：|E*|为动态模量；fr为参考温度下的荷载频率，也称为缩减频率；α(T)为移位因子；δ、α、β、γ为回归系数。

δ代表动态模量最小值；δ+α代表动态模量最大值；β、γ代表描述西格摩德函数形状的参数。拟合参数δ、α与集料级配、混合料组成、空隙率有关；拟合参数β、γ与沥青混合料性能及δ、α大小有关。

时温换算法则采用WLF方程，即

式中：C1和C2随材料变化而不同，且经试验表明不是材料常数，需在具体试验条件下拟合确定；Tr为参考温度。

基于上述换算获得的主曲线见图9。可知：SBS +TPS 复合改性沥青混合料在温度一定时，随着频率变化较高胶沥青明显；其缩减频率在10-7～ 107Hz 变化时，模量变化区间101.6～ 104.25MPa，而SBS + DR 复合改性沥青混合料试件仅为102.25～ 104.25MPa；在低频（其对应高温）段，SBS + DR复合改性沥青混合料主曲线很平稳，但SBS + TPS 复合改性沥青混合料主曲线很陡峭，该结果与变形测试结果共同说明SBS + DR 复合改性沥青混合料高温性能好于SBS + TPS复合改性沥青。

图9 改性沥青混凝土动态模量主曲线

2.5 抗水损性能

潍烟高速铁路处于寒冷地区，冻融时常发生，要求混凝土具有良好的抗水损性能，设计文件对浸水马歇尔残留稳定度比及冻融劈裂强度比分别规定为不小于85%及80%。复合改性沥青水损性能评价见图10。可知，复合改性沥青水损性能满足要求。

图10 复合改性沥青水损性能评价

3 结论

1）根据潍烟高速铁路设计文件所规定的各项性能，分别对两种复合改性混凝土进行高温抗变形能力、低温抗开裂能力、中温抗疲劳能力、耐水损能力和动态模量等方面的相关测试，结果表明，两种改性沥青混凝土性能均满足设计文件的规定，但SBS + DR 复合改性沥青优于SBS + TPS沥青，更适合于实践。

2）SBS + DR 复合改性沥青混凝土抗裂性能优于SBS + TPS 复合改性沥青混凝土，主要是因为DR 颗粒赋予了混凝土在微裂纹产生后的能量吸收能力，减缓了裂纹萌发的速率。其主要特征是：疲劳试验第二阶段中具有超长的平台区；低温弯曲破坏时极限应变显著增强。

3）SBS + DR复合改性沥青混凝土抗变形性能优于SBS + TPS 复合改性沥青混凝土，主要是因为DR 颗粒不仅赋予了混凝土良好弹性恢复能力，而且对温度的敏感性较小，两者协同作用，使SBS + DR 复合改性沥青混凝土的高温稳定性得以提高。