基于桥面铺装的多种沥青混合料性能研究

谢胜加，蔡芸飞，陈向科，程志强，贺俊玺

[1.上海公路桥梁（集团）有限公司，上海市 200433；2.上海绿色路面材料工程技术研究中心，上海市 200433；3.上海沪申高速公路建设发展有限公司，上海市 200063；4.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海市 201804]

0 引 言

桥面铺装是桥梁行车体系的重要组成部分，既可以保护桥面板免受车辆、雨水等环境因素的影响，又可以承受车辆荷载并分散桥面板的应力[1，2]。然而由于材料特点及环境因素的耦合影响，作为铺装层材料的沥青混凝土一直是水泥混凝土桥面铺装体系的薄弱环节。随着交通量的持续增长和重型车辆荷载的增加，在高温和长时间车辆循环荷载作用下，铺装层沥青混合料很容易因抗永久变形能力不足引发车辙等病害，从而影响行车体感[3，4]。

沥青的黏弹性受交通荷载、极限服役温度或温度变化影响较大，可能发生车辙、疲劳开裂或温缩裂缝等病害[5]。因此，提高铺装材料的性能对延长使用寿命是至关重要的。

目前桥面铺装材料主要为SBS/ 高黏/ 高弹/ 重载等改性沥青混合料。苯乙烯-丁二烯- 苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）是目前最有效且最常用的沥青改性剂，SBS 改性沥青表现为两相结构，即富沥青质相和富SBS 相，SBS 和沥青都能保持各自的基本结构和物理特性。SBS 吸收沥青中的轻质组分而溶胀，从而体积分数大于质量分数[6-8]。当SBS 含量较少时，改性沥青中富沥青质相为连续相、富SBS 相为分散相[9-11]。随着SBS 含量的增加，改性沥青熔融黏度增大，可能会导致施工和易性变差、离析风险增加，材料热储存不稳定[12-13]。提高SBS 与沥青之间的相容性、降低熔融黏度、延长剪切发育的时间可以使改性剂均一分布，对于高含量SBS 改性沥青达到预期的性能是至关重要的。高黏改性沥青因其高温抗车辙性能好、对集料附着力强而被广泛应用。将7%的SBS 改性剂与4%的增粘树脂复合改性基质沥青，可以制备出具有良好路用性能的高黏沥青。在基质沥青中加入6%的SBS、4%的糠醛精油、0.2%的硫，所制备出的高黏度改性沥青则可以改善沥青的整体性能[14-16]。高弹改性沥青SMA-10，往往被认为具有更好的低温抗裂性和疲劳性能。李攀研究了一种适用于山区桥面铺装的高弹改性沥青混合料，增强了其沥青混合料的抗老化性和疲劳性能[17，18]。浇注式沥青混凝土则是在高温状态下进行拌合，依靠自身的流动实现密实成型，仅需用简单的摊铺整平即可完成施工，并能达到规定的密实度和平整度。由于浇注式沥青独特的防水、抗老化性能和抗疲劳性能，目前也已被广泛应用于桥面铺装[19]。

因此，本文基于AC-10、AC-13、AC-20、GA-10、SMA-10 以及SMA-13 六种级配，采用SBS 改性沥青、高黏改性沥青、高弹改性沥青、重载交通改性沥青以及浇筑式沥青五种沥青，进行混合料路用性能研究，进一步探究适用于桥面铺装的沥青混合料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所采用沥青主要为：SBS 改性沥青、高黏改性沥青、重载交通专用改性沥青、高弹改性沥青以及浇筑式改性沥青，其性能指标见表1～表5。

表2 高黏改性沥青性能指标

表3 重载交通专用改性沥青性能指标

表4 高弹改性沥青性能指标

表5 浇筑式改性沥青性能指标

矿粉是在沥青混合料中填充微小空隙的材料，主要有两个作用，一是填充沥青混合料的空隙，二是和沥青共同形成胶浆，提高混合料自身的强度和稳定性。本研究采用石灰岩矿粉，其性能指标见表6。

表6 矿粉性能指标

纤维作为稳定剂加入到沥青混合料中可有效提高沥青混凝土的低温抗裂、高温抗车辙等路用性能。本研究所采用的纤维稳定剂为木质素纤维，其作用机理是纤维的加入增加了沥青的黏度，使沥青牢牢地裹附在集料的表面，纤维作为改性剂大大改善了沥青的抗老化能力，使得沥青混合料在外荷载与温度等环境因素作用下可以获得更长的使用寿命，研究采用木质素纤维用量为沥青混合料质量的0.3%。木质素纤维性能指标见表7。

表7 木质素纤维性能指标

1.2 试验方法

本研究采用了六种级配，即AC-10、AC-13、AC-20、SMA-10、SAM-13、GA-10，见图1。其沥青混合料配合比设计依照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）进行。采用13 种沥青混合料进行性能研究，即：AC-10 高弹改性、AC-10 普通改性、AC-13 普通改性、AC-20 高黏改性、GA-10 浇筑沥青、SMA-10 高弹改性、SMA-10 高黏改性、SMA-10 普通改性、SMA-13 高弹改性、SMA-13 高黏改性、SMA-13 普通改性、AC-20 重载改性、SMA-13 重载改性，其油石比见图2。

图1 沥青混合料配合比

图1 沥青混合料配合比

图2 不同沥青混合料的油石比设定

本文对上述13 种不同的沥青混合料分别进行车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、单轴贯入试验、动态模量试验、劈裂试验、疲劳试验，以综合研究其路用性能。

2 结果与讨论

2.1 体积参数

沥青混合料的体积参数反应了压实后沥青混合料各组成材料之间质量与体积的关系，与其路用性能有着紧密的关系，本文13 种沥青混合料的体积参数见图3、图4。

图3 沥青混合料空隙率

图4 沥青混合料饱和度

结合图2 不同沥青混合料的油石比变化以及图2～图4 可知，SMA 类沥青混合料油石比整体高于AC 类沥青混合料，随着最大粒径提高，沥青混合料油石比有所减小。高黏和高弹改性沥青对于SMA 类沥青混合料影响低于AC 类沥青混合料。需要注意的是GA 浇筑式沥青混合料油石比高于其他类混合料，这与其特殊的结构组成有关，需要在施工过程具有较好的流动性。AC-20 和SMA-13 重载改性混合料的油石比小于对应级配高黏或高弹改性沥青混合料。

相比于AC 类沥青混合料，SMA 类沥青混合料具有更为严格的空隙率要求（3%～4%），故整体空隙率要低于AC 类沥青混合料。随着最大粒径的提高，沥青混合料的空隙率有所增加。由于具有较高的油石比以及细集料，GA 浇筑式沥青混合料具有最小的空隙率。相比于AC-20 高黏改性沥青混合料，AC-20重载改性沥青混合料具有更低的空隙率。

SMA 类沥青混合料的饱和度则要高于AC 类沥青混合料，其中随着最大粒径增加，沥青混合料饱和度降低。GA 浇筑式沥青混合料具有最高的饱和度由于较高的油石比。

2.2 高温车辙试验

沥青混合料是温度敏感性材料，温度较低时表现为弹性性质，随着温度升高，逐渐表现为粘弹性，温度升高到一定程度后表现为弹塑性。目前高温稳定性分析常用试验为车辙试验，在车辆荷载的作用下路面发生较大变形，当荷载消失后有部分变形无法恢复，称之为残留变形，形成车辙病害。各种混合料车辙试验结果见图5、图6。

图5 沥青混合料动稳定度试验结果

图6 60 min 永久变形深度（单位：mm）

根据图5、图6 可知，细粒式AC 类混合料的动稳定度要小于细粒式SMA 类沥青混合料，说明SMA类混合料具有较好抵抗车辙能力。AC-20 和SMA-13 高黏改性沥青具有较高的动稳定度。相比于高弹改性沥青，高黏改性沥青可以更好地提高沥青混合料抵抗车辙能力，从而提高高温性能。由于高弹改性沥青具有较高比例的弹性组分，AC-10、SMA-10 和SMA-13 高弹改性沥青混合料的60 min永久变形高于其他普通改性和高黏改性沥青混合料。GA-10 浇筑式沥青具有最低的动稳定度以及最大的变形深度，但满足了对应规范要求（大于500）。AC-20 和SMA-13 重载改性沥青混合料动稳定度小于对应级配高黏改性沥青混合料，且具有较大的变形深度，说明其抵抗车辙能力稍弱于高黏改性沥青混合料。

2.3 低温弯曲试验

沥青混合料的低温弯曲试验是直接测量在低温环境下三点荷载下梁试件的弯曲抗拉强度和低温刚度模量。在试验过程中，梁的中部受到剪切力和弯矩的影响，可以有效地模拟汽车载荷作用下材料的应力状态。其试验结果见图7。

图7 低温小梁弯曲破坏应变试验结果

根据图7 可知，GA-10 浇筑式沥青混合料具有最大的弯拉应变。相比于普通改性沥青，高弹改性沥青与高黏改性沥青均可以增加混合料的最大弯拉应变，从而提高沥青混合料抵抗低温开裂的能力，高弹改性沥青对于弯拉应变提升效果更显著。需要注意的是，高弹改性沥青对于SMA-13 级配提升效果一般。重载改性沥青混合料的最大弯拉应变要大于对应高黏改性沥青混合料，说明重载改性沥青在提高混合料抵抗低温开裂能力上要强于高黏改性沥青。

2.4 浸水马歇尔试验

水损害是沥青路面的主要病害之一，水由于车辆车轮动态荷载作用，进入路面空隙中，产生动水压力或者真空负压抽吸，如此反复循环，水分会逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青黏附性降低并逐渐丧失粘结力，进而产生沥青混合料掉粒、松散，形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。浸水马歇尔试验以残留稳定度比表征水稳定性，其试验结果见图8。

图8 沥青混合料浸水残留稳定度结果

根据图8 可知，AC 类沥青混合料随着集料最大粒径增加浸水残留稳定度增加，GA-10 浇筑式沥青由于油石比高以及空隙率小的特点具有最高的浸水残留稳定度。AC-10 普通改性混合料的浸水残留稳定度最低。高黏和高弹改性沥青可以提高沥青混合料的浸水残留稳定度，提高水稳定性。相比于高黏和高弹改性沥青，SMA-13 重载改性沥青混合料具有更高的浸水残留稳定度。

2.5 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验能将实际道路表面受到的水危害集中并强化体现，在很短时间内能够模拟沥青路面长时间受到水损害，较为直观观测路面实际工作环境，其试验结果见图9。

图9 沥青混合料冻融抗拉强度比试验结果

根据图9 可知，GA-10 浇筑式沥青冻融劈裂强度依然较高，试验结果和浸水马歇尔试验结果有较好的关联，进一步证明其良好的水稳定性。对AC-10和SMA-13 混合料，浸水马歇尔强度与冻融劈裂强度相关性较差。对于SMA10 混合料，高黏和高弹改性沥青均可以提高冻融抗拉强度比。就整体而言，SMA-13 和AC-20 重载改性沥青混合料具有较好的水稳定性。

2.6 单轴贯入试验

单轴贯入试验评价沥青混合料的抗剪性能，贯入强度越大，混合料的高温抗剪性能越好。且其对沥青混合料产生的剪应力状态基本与实际沥青路面相似，甚至重合。试验结果见图10。

图10 单轴贯入抗剪强度试验结果

根据图10 可知，高黏和高弹改性沥青能够改善大部分沥青混合料的抗剪性能。GA-10 浇筑式沥青混合料具有最低的抗剪强度以及最差的高温抗剪性能。SMA-13 和AC-20 重载改性沥青混合料明显优于其他混合料，说明重载改性沥青对混合料的抗剪性能有较好的提升效果。

2.7 劈裂抗拉强度试验

劈裂试验是将载荷通过压条作用在圆柱形试件上，将试件劈裂直至破坏，通过施加压力使试件产生拉伸应力来间接测量材料的抗拉强度，试验结果见图11。

图11 劈裂抗拉强度试验结果

根据图11 可知，GA-10 浇筑式沥青混合料的抗劈裂性能较好。从级配角度上来看，SMA 类沥青混合料抗劈裂强度高于AC 类沥青混合料，这是因为SMA 类沥青混合料属于骨架密实类，集料的嵌挤起到了抵抗劈裂荷载的作用。对于SMA 类沥青混合料，高黏改性沥青和高弹改性沥青比普通改性沥青具有更好的抵抗劈裂抗拉的能力。重载改性沥青对于沥青混合料的劈裂抗拉能力有显著提高，提升效果好于其他改性沥青。随着试验温度提升为20℃，重载改性沥青混合料劈裂强度均有所减小，SMA-13 和AC-20 重载改性沥青混合料的劈裂强度分别降低了15.0%和13.6%。

2.8 动态模量试验

理论上分析动态模量更符合实际铺装层结构的受力情况，其不仅反映应力与应变的力学性质，更主要反映了不同荷载下材料的动态响应特性。因此，研究铺装层沥青混合料在动态荷载作用下的性质和变化规律，确定其相关参数具有重要的现实意义。试验前将试件放置于温控箱保温5 h，试验温度20℃，频率10 Hz，试验结果见图12。

图12 20℃10 Hz 沥青混合料动态模量试验结果

根据图12 可知，AC 类沥青混合料随着最大粒径的增加，动态模量逐渐增加。就级配而言，同种改性沥青AC 类与SMA 类混合料动态模量相近，没有相差太大。相比于普通改性，高黏改性对于沥青混合料的动态模量有提升的效果，但高弹改性会起到降低的效果。AC-20 和SMA-13 重载改性沥青混合料具有最大的动态模量，说明重载沥青表现出较好的改性效果。

3 结 论

（1）GA 浇筑式沥青混合料的油石比远高于SMA类与AC 类沥青混合料，重载沥青混合料其油石比低于高黏、高弹以及SBS 改性沥青混合料。SMA 类沥青混合料的孔隙率小于AC 类，但沥青饱和度大于AC 类。

（2）基于级配设计，车辙试验、单轴贯入试验均表明，GA 类浇筑式沥青混合料性能最差，SMA 类优于AC 类。劈裂试验与疲劳试验表明，SMA 类优于AC 类。低温弯曲试验与浸水马歇尔试验表明，GA 类浇筑式沥青混合料性能最优。冻融劈裂试验与动态模量试验表明，SMA 类与AC 类无明显差异性。故级配SMA 类优于AC 类，GA 浇筑式沥青混合料高低温性能差异较大。

（3）基于沥青种类，车辙试验表明，高黏类沥青混合料性能最优，其次为高弹类和重载类，SBS 改性类最差。低温弯曲试验表明，高弹类沥青混合料性能最优，重载类优于高黏类，最后为SBS 改性类。浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、单轴贯入试验、劈裂试验、动态模量试验均表明，重载类沥青混合料性能最优，高弹类较差。