澆注式瀝青混凝土組合結(jié)構(gòu)車轍試驗研究

閆東波， 劉艷， 盧現(xiàn)林， 張曉華

(1.重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司， 重慶市 401121； 2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司)

中國的鋼橋面鋪裝類型主要包括雙層SMA體系、澆注式瀝青混凝土體系、環(huán)氧瀝青混凝土體系和ERS等。其中澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外已普遍應(yīng)用，大部分取得了良好的使用效果?！皾沧⑹綖r青混凝土+改性瀝青SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)已成為廣泛使用的典型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但具有優(yōu)良的路用性能，而且施工便利性和經(jīng)濟性都具有明顯優(yōu)勢。舉世矚目的港珠澳大橋，技術(shù)人員歷經(jīng)多年的應(yīng)用調(diào)研、理論分析和室內(nèi)試驗研究，確定采用澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)，并取得了良好效果。

澆注式瀝青混凝土因瀝青用量高、流淌施工特性而具有優(yōu)良的抗疲勞開裂性能和完全防水性能，然而，澆注式瀝青混凝土鋪裝的高溫抗車轍性能一直備受質(zhì)疑。澆注式瀝青混合料細集料用量高、礦粉用量高、瀝青用量高，屬于典型的懸浮密實結(jié)構(gòu)，為改善澆注式瀝青混合料的高溫性能，不少學(xué)者從改性瀝青性能、瀝青用量和礦料級配等方面做了研究。

在以往的試驗研究中，當(dāng)膠結(jié)料采用基質(zhì)瀝青與天然瀝青的混合瀝青時，澆注式瀝青混凝土的60 ℃動穩(wěn)定度為450～750次/mm；當(dāng)膠結(jié)料采用SBS改性瀝青與天然瀝青的混合瀝青時，澆注式瀝青混凝土的60 ℃動穩(wěn)定度為600～1 100次/mm；當(dāng)膠結(jié)料采用高強度聚合物改性瀝青時，澆注式瀝青混凝土的60 ℃動穩(wěn)定度為600～800次/mm?？傮w來看，澆注式瀝青混凝土的動穩(wěn)定度都不高，雖然SMA是一種骨架密實型瀝青混合料，高溫性能優(yōu)良，但“澆注式瀝青混凝土+SMA”組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度一般為2 000～4 000次/mm。

人們對澆注式瀝青混凝土組合結(jié)構(gòu)高溫性能的影響因素和如何優(yōu)化澆注式瀝青混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能研究較少，該文以車轍試驗為主要試驗方法，從不同試驗溫度、不同性能混合料組合和不同厚度組合三方面對“澆注式瀝青混凝土GA10+改性瀝青SMA10”組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能進行研究，探索影響組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素，擬合數(shù)值公式，并提出優(yōu)化澆注式瀝青混凝土組合結(jié)構(gòu)高溫性能的措施。

1 試件制備

試驗中，澆注式瀝青混合料所用的結(jié)合料為澆注式專用高強度聚合物改性瀝青，SMA采用高彈性改性瀝青，粗集料和細集料為玄武巖，填料為石灰石礦粉，根據(jù)需要添加木質(zhì)素纖維，原材料性能指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

參照JTG F40—2004和JTG/T 3364-02—2019中混合料的配合比設(shè)計方法，以其中GA10和SMA10級配范圍的中值級配為目標級配，GA10通過油石比變動，SMA10通過高彈改性瀝青的性能調(diào)整，制備出滿足不同性能要求的GA10和SMA10混合料。澆注式瀝青混合料的主要設(shè)計參數(shù)為流動性、貫入度和貫入度增量，該文對其增加車轍試驗。GA10根據(jù)貫入度、貫入度增量和動穩(wěn)定度的大小分為3級(編號：Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)，SMA10根據(jù)動穩(wěn)定度的大小分為3級(編號：Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ)，性能測試結(jié)果如表1、2所示。

表1 不同性能級別GA10的測試結(jié)果

表2 不同性能級別SMA10的測試結(jié)果

將不同編號的GA10和SMA10進行組合并制作組合結(jié)構(gòu)試件，GA10(厚度：35 mm)作下面層，SMA10(厚度：35 mm)作上面層，制作9種組合結(jié)構(gòu)試樣備用(各組試樣數(shù)量根據(jù)試驗需要有所不同),編號和組合方式見表3。

表3 不同性能混合料的組合結(jié)構(gòu)試樣

選取組合結(jié)構(gòu)試樣5中的GA10(Ⅱ號，動穩(wěn)定度：795次/mm)和SMA10(Ⅴ號，動穩(wěn)定度：5 556次/mm)，保持組合結(jié)構(gòu)總厚度70 mm不變，改變GA10和SMA10的厚度，制作5種組合結(jié)構(gòu)試樣備用，編號和組合方式見表4。

表4 不同厚度組合的組合結(jié)構(gòu)試樣

2 不同溫度下的車轍試驗

中國地域廣闊，環(huán)境溫度差異較大，而鋼箱梁橋由于鋼箱梁的儲熱作用，鋼橋面鋪裝溫度一般比環(huán)境溫度高25 ℃左右，按照北方夏季30 ℃、南方夏季40 ℃推算，鋼橋面鋪裝在夏季的使用溫度高達55～65 ℃。

JTG/T 3364-02—2019根據(jù)氣候分區(qū)對鋼橋面鋪裝組合結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性能做了要求，組合結(jié)構(gòu)試件厚度按設(shè)計厚度成型，當(dāng)上面層為改性瀝青SMA時，組合結(jié)構(gòu)車轍試驗動穩(wěn)定要求如表5所示。

表5 鋪裝組合結(jié)構(gòu)車轍試驗動穩(wěn)定度要求

選取組合結(jié)構(gòu)試樣5，分別在45、50、55、60、65和70 ℃6個不同溫度條件下進行車轍試驗，得到組合結(jié)構(gòu)試樣5的車轍動穩(wěn)定度如表6所示。

表6 不同溫度下組合結(jié)構(gòu)試樣5的車轍試驗結(jié)果

從表6可以看出：“GA10+SMA10”組合結(jié)構(gòu)的車轍動穩(wěn)定度受溫度影響十分顯著，當(dāng)溫度升高時，車轍動穩(wěn)定度明顯下降。當(dāng)溫度為60 ℃時，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度為3 116次/mm，滿足JTG/T 3364-02—2019對夏涼區(qū)的要求，當(dāng)溫度升至65 ℃時，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度降至1 684次/mm，已不能滿足夏熱區(qū)的要求。

貫入度和貫入度增量是國內(nèi)外普遍應(yīng)用于評價澆注式瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的技術(shù)指標，一般不進行車轍試驗，JTG/T 3364-02—2019也未對澆注式瀝青混合料的動穩(wěn)定度提出要求。組合結(jié)構(gòu)試樣5中，上面層SMA10的60 ℃動穩(wěn)定度為5 556次/mm，下面層GA10的60 ℃動穩(wěn)定度為795次/mm、貫入度為3.15 mm、貫入度增量為0.31 mm，均滿足JTG F40—2004和JTG/T 3364-02—2019對混合料高溫性能的要求，但組合結(jié)構(gòu)的車轍動穩(wěn)定度卻不能滿足夏熱區(qū)和夏炎熱區(qū)的要求，說明僅檢測上、下面層材料的高溫性能，尚不足以保證組合結(jié)構(gòu)的高溫抗車轍性能。這要求技術(shù)人員在應(yīng)用澆注式瀝青混凝土鋪裝方案時，應(yīng)特別關(guān)注組合結(jié)構(gòu)的整體抗車轍性能，設(shè)計和施工應(yīng)用均應(yīng)將組合結(jié)構(gòu)的車轍動穩(wěn)定度試驗作為必檢項目，及時發(fā)現(xiàn)組合結(jié)構(gòu)高溫性能的不足并采取相應(yīng)措施進行優(yōu)化和提高。

對表6中的試驗結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析，建立鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度與試驗溫度的指數(shù)計算模型，如式(1)所示：

y=a·ebx

(1)

式中：y為鋪裝組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度；x為車轍試驗溫度；a、b為與上、下面層材料性能和厚度相關(guān)的常數(shù)。

采用式(1)對鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度和試驗溫度進行指數(shù)回歸擬合，得到二維圖形和指數(shù)回歸方程，如圖1和式(2)所示。

y= 619.75+2.11×106×e-0.114 4x

(2)

圖1 不同溫度下組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度變化趨勢圖

從圖1和式(2)可以看出：當(dāng)上、下面層性能和厚度確定后，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度與試驗溫度之間存在很好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)R達0.991。說明溫度對“GA10+SMA10”組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度影響顯著，隨著試驗溫度的增加，動穩(wěn)定度呈指數(shù)趨勢下降。

3 不同混合料性能組合的車轍試驗

對表3中的組合結(jié)構(gòu)試樣1～9完成60 ℃車轍試驗，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 不同性能瀝青混凝土的組合結(jié)構(gòu)車轍試驗結(jié)果

為了考察上、下面層混合料性能對組合結(jié)構(gòu)的影響程度，用雙因素方差分析法對表7數(shù)據(jù)進行分析。上面層SMA10動穩(wěn)定度的影響為因素A，下面層GA10動穩(wěn)定度的影響為因素B，考慮A、B兩個因素有交互作用的影響。分析結(jié)果如表8所示。

表8 組合結(jié)構(gòu)車轍試驗雙因素方差分析結(jié)果

由表8可知：因素A和因素B均對試驗結(jié)果有顯著影響，兩者之間的交互作用不顯著；因素B的影響較因素A顯著，也就是說下面層GA10動穩(wěn)定度的改變較上面層SMA10動穩(wěn)定度的改變對組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度影響更大。

根據(jù)雙因素方差分析結(jié)果，排除了上、下面層動穩(wěn)定度的交互作用對組合結(jié)構(gòu)抗車轍性能的影響，對表7中的試驗結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析，建立鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度與上、下面層動穩(wěn)定度的多元線性計算模型，如式(3)所示：

z=a+bx+cy

(3)

式中：z為鋪裝組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度；x為鋪裝上面層SMA10的動穩(wěn)定度；y為鋪裝下面層GA10的動穩(wěn)定度；a、b、c為與鋪裝厚度和試驗溫度相關(guān)的常數(shù)。

采用式(3)對鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度和上、下面層的動穩(wěn)定度進行線性回歸擬合，得到三維圖形和多元線性回歸方程，如圖2和式(4)所示。

z=417.41+0.32x+1.44y

(4)

圖2 組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度與上、下面層動穩(wěn)定度關(guān)系圖

分析擬合結(jié)果可知：組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度與上、下面層的動穩(wěn)定度數(shù)據(jù)擬合效果較好，相關(guān)系數(shù)R達到0.962；上面層SMA10和下面層GA10的動穩(wěn)定度對組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度的貢獻呈線性，根據(jù)擬合公式，已知上、下面層瀝青混凝土的動穩(wěn)定度可推算組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度。

根據(jù)目前澆注式瀝青混凝土的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，60 ℃動穩(wěn)定度基本能夠達到500次/mm及以上，以組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度2 000次/mm進行反算，得到SMA10的動穩(wěn)定度值為2 696次/mm，也就是說，當(dāng)SMA10的60 ℃動穩(wěn)定度達到2 696次/mm時，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度即能滿足JTG/T 3364-02—2019對夏涼區(qū)的要求，SMA是典型的骨架密實型瀝青混合料，具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，60 ℃動穩(wěn)定度較容易達到2 696次/mm以上，說明“GA10+SMA10”組合結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性滿足夏涼區(qū)鋼橋面鋪裝的需求完全沒有問題。

當(dāng)采用“澆注式瀝青混凝土+改性瀝青SMA”鋪裝結(jié)構(gòu)時，分別或同時提高上面層SMA和下面層澆注式瀝青混凝土的高溫性能，能夠提高組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能；相對于上面層SMA，下面層澆注式瀝青混凝土的高溫性能的提高對組合結(jié)構(gòu)高溫抗車轍性能的影響要顯著得多，因此，為提高澆注式瀝青混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能，應(yīng)盡可能提高下面層澆注式瀝青混凝土的高溫性能，這對夏熱區(qū)和夏炎熱區(qū)鋼橋面鋪裝應(yīng)用澆注式瀝青混凝土方案時考慮優(yōu)化高溫抗車轍性能的措施具有重要參考作用。

4 不同厚度組合的車轍試驗

對表4中的組合結(jié)構(gòu)試樣A～E，在60 ℃條件下進行車轍試驗，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 不同厚度組合車轍試驗結(jié)果

由表4和表9可知：在總厚度不變時，隨著上面層SMA10厚度的減小和下面層GA10厚度的增加，組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度不斷下降，這是由于SMA10的高溫性能優(yōu)于GA10而導(dǎo)致的。

對表9中的試驗結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計和回歸分析，建立鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度與上、下面層厚度的指數(shù)計算模型，如式(5)所示：

z=a+b·e(cx+dy)

(5)

式中：z為鋪裝組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度；x為上面層SMA10的厚度；y為下面層GA10的厚度；a、b、c、d為與上、下面層材料性能相關(guān)的常數(shù)。

采用式(5)對鋪裝組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度和上、下面層厚度進行指數(shù)回歸擬合，得到三維圖形和指數(shù)回歸方程，如圖3和式(6)所示。

z=1 445+175×e(0.069x-0.000 61y)

(6)

圖3 組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度與上、下面層厚度關(guān)系圖

從圖3和式(6)可以看出：當(dāng)上、下面層性能確定后，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度與上、下面層的厚度之間存在較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)R達到0.953。說明調(diào)整上面層SMA10和下面層GA10的厚度對“GA10+SMA10”組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度影響顯著，隨著上面層SMA10厚度的減小和下面層GA10厚度的增加，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度呈指數(shù)趨勢下降。

相對而言，上面層SMA10厚度的增加比下面層GA10厚度的減小對組合結(jié)構(gòu)抗車轍性能的優(yōu)化顯著得多，下面層GA10厚度的減少對組合結(jié)構(gòu)高溫抗車轍性能的影響較??；因此，當(dāng)采用澆注式瀝青混凝土+SMA鋪裝結(jié)構(gòu)時，為保證高溫穩(wěn)定性，宜盡量增加上面層SMA的厚度。

如果鋪裝總厚度一定，即(x+y)為定值，當(dāng)z=2 000次/mm時，可以計算出x和y的值，即：為滿足組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度≥2 000次/mm的要求時x的最小值和y的最大值。

目前，鋼橋面“澆注式瀝青混凝土+改性瀝青SMA”鋪裝方案的實際應(yīng)用厚度一般為60～80 mm，鋪裝下面層澆注式瀝青混凝土均采用GA10型級配，設(shè)計厚度一般為30～35 mm，由于GA10在240 ℃左右條件下具有良好的流淌性，無需碾壓即能達到密實狀態(tài)，其攤鋪厚度最低可達25 mm，但應(yīng)該視鋼橋面板的平整度情況對攤鋪寬度進行適當(dāng)減少；鋪裝上面層SMA可采用SMA10或SMA13，設(shè)計厚度一般為30～40 mm，由于水平震蕩壓路機的普遍應(yīng)用和膠輪壓路機用于SMA碾壓的可行性，SMA10的鋪裝厚度可提高至45 mm，SMA13可提高至50 mm。

5 結(jié)論

對鋼橋面鋪裝常用的“澆注式瀝青混凝土+改性瀝青SMA”組合結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的車轍試驗研究，發(fā)現(xiàn)試驗溫度、混合料性能和不同厚度組合對組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能均有影響。研究結(jié)果對于優(yōu)化鋼橋面澆注式瀝青混凝土鋪裝的高溫性能、指導(dǎo)澆注式瀝青混凝土鋪裝的設(shè)計和施工具有參考價值。主要結(jié)論為：

(1) 溫度對澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的抗車轍性能影響顯著，隨著溫度的升高，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度呈指數(shù)趨勢下降，澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性在夏涼區(qū)沒有任何問題，在夏熱區(qū)或夏炎熱區(qū)應(yīng)用時，應(yīng)特別加強對組合結(jié)構(gòu)車轍動穩(wěn)定度的檢驗。

(2) 上面層SMA和下面層澆注式瀝青混凝土的高溫性能對組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度的貢獻呈線性趨勢，組合結(jié)構(gòu)的抗車轍性能隨著上面層SMA和下面層澆注式瀝青混凝土高溫性能的提高而提高，下面層澆注式瀝青混凝土高溫性能的提高對組合結(jié)構(gòu)抗車轍性能的影響要顯著得多，優(yōu)化澆注式瀝青混凝土的高溫性能是提高鋪裝組合結(jié)構(gòu)高溫抗車轍性能的有效手段。

(3) 保持鋪裝總厚度不變時，上面層SMA和下面層澆注式瀝青混凝土厚度的調(diào)整對組合結(jié)構(gòu)高溫抗車轍性能有顯著影響，組合結(jié)構(gòu)的動穩(wěn)定度隨著上面層SMA厚度的增加和下面層澆注式瀝青混凝土厚度的減小呈指數(shù)趨勢提高，SMA厚度的增加能夠更加顯著地提高組合結(jié)構(gòu)的高溫抗車轍性能，鋪裝設(shè)計時應(yīng)盡可能提高上面層SMA的厚度。