膠結(jié)料組成對PGA+AC 高溫性能的影響研究

朱銀虎，曹 健*

（1.南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇南京；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京；3.新型道路材料國家工程研究中心，江蘇南京）

引言

南京棲霞山長江大橋（原南京長江第四大橋）為國內(nèi)首座采用復(fù)合澆注式瀝青鋪裝方案（即PGA+AC“澆注式瀝青混凝土鋪裝下層+高彈改性瀝青密級配混凝土鋪裝上層”，其鋪裝方案見圖1）的大跨徑懸索橋[1]。自2012 年建成通車至今，服役近11 年，尚未出現(xiàn)明顯病害，其應(yīng)用效果遠(yuǎn)超同期國內(nèi)其他鋪裝方案[2]。

圖1 復(fù)合澆注式瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)

但該鋪裝方案中鋪裝下層所用直餾硬質(zhì)瀝青與TLA 湖瀝青，以及鋪裝上層所用高彈改性瀝青等瀝青類原材料均采用進(jìn)口材料。一方面，由于進(jìn)口材料普遍價格昂貴，不利于降低工程造價；另一方面，進(jìn)口原材料質(zhì)量不可按，工程質(zhì)量按制難度大，尤其是澆注式瀝青混合料中所用的TLA 湖瀝青，其地瀝青、礦物質(zhì)及有機質(zhì)等含量隨開采部位等不同而發(fā)生波動，進(jìn)而影響瀝青混合料的質(zhì)量穩(wěn)定性[3-4]；再者，采用TLA湖瀝青制備澆注式瀝青混合料時需要對TLA 進(jìn)行人工/機械脫桶、破碎、稱量、人工添加等，不僅增加額外的人力成本與機械設(shè)備成本，且額外的工序更增加了質(zhì)量按制的難度，對于工程質(zhì)量造成一定的潛在風(fēng)險。

因此，基于國產(chǎn)瀝青類原材料技術(shù)的進(jìn)步，開展國產(chǎn)材料對復(fù)合澆注式瀝青鋪裝方案的適用性研究，對于節(jié)約工程造價，減低工程質(zhì)量按制難度等具有重要意義。

1 膠結(jié)料性能

本研究主要采用進(jìn)口30#直餾硬瀝青摻配湖瀝青（簡稱“進(jìn)口30#+TLA”）、國產(chǎn)30#直餾硬瀝青摻配湖瀝青（簡稱“國產(chǎn)30#+TLA”）以及國產(chǎn)15#直餾硬質(zhì)瀝青（簡稱“國產(chǎn)15#”）制備澆注式瀝青混合料GA-13，以開展相關(guān)性能研究。各類型膠結(jié)料性能見表1。

表1 不同類型膠結(jié)料性能

由試驗結(jié)果可知，國產(chǎn)30#+TLA 的軟化點略低于進(jìn)口30#+TLA，針入度略高于進(jìn)口30#+TLA，表明其高溫性能略低于進(jìn)口30#+TLA；國產(chǎn)15#瀝青軟化點較進(jìn)口30#+TLA 提高約6%，而針入度降低27%，體現(xiàn)出了更加優(yōu)異的高溫性能。國產(chǎn)30#+TLA 及國產(chǎn)15#瀝青25 ℃延度均顯著高于進(jìn)口30#+TLA，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的變形性能。

2 膠結(jié)料組成對澆注式瀝青混合料動態(tài)模量的影響

參照DB 32/T 2678-2014《復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》中“澆注式瀝青混合料（GA-13）配合比設(shè)計方法”開展不同膠結(jié)料澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計與制備。

基于所制備的澆注式瀝青混合料，在恒溫條件下，利用Superpave 簡單性能試驗機(SPT)圓柱體試件進(jìn)行正弦振動加載，對不同試驗溫度和加載頻率的瀝青混合料進(jìn)行動態(tài)模量測定，試驗條件見表2。

表2 動態(tài)模量試驗條件

不同膠結(jié)料制備的澆注式瀝青混合料動態(tài)模量主曲線見圖2。

圖2 不同膠結(jié)料GA-13 動態(tài)模量主曲線

由圖2 試驗結(jié)果可以看出：

（1） 采用三種瀝青膠結(jié)料制備的澆注式瀝青混合料，其動態(tài)模量均隨著加載頻率的降低而顯著減小，對應(yīng)于實體工程而言，行車速度越低，澆注式瀝青鋪裝層動態(tài)模量越低，鋪裝層發(fā)生高溫車轍病害的風(fēng)險越高。因此，對于低速行駛工況下的復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝層，尤其應(yīng)重點關(guān)注其高溫穩(wěn)定性。

（2） 對比采用國產(chǎn)30#+TLA 與采用進(jìn)口30#+TLA 試驗結(jié)果可以看出，在較低頻率下，國產(chǎn)30#+TLA 組動態(tài)模量高于進(jìn)口30#+TLA，與兩組膠結(jié)料軟化點及針入度試驗結(jié)果相吻合。隨著頻率的增加，兩者動態(tài)模量差距逐漸減小，表明隨著加載頻率的增加，兩組混合料性能接近。

（3） 對比采用國產(chǎn)15#與采用進(jìn)口30#+TLA 試驗結(jié)果可知，在所試驗的加載頻率范圍內(nèi)，采用國產(chǎn)15#直餾硬質(zhì)瀝青制備的澆注式瀝青混合料動態(tài)模量均顯著高于采用進(jìn)口30#+TLA 組，體現(xiàn)出了更加優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

3 膠結(jié)料組成對澆注式瀝青混合料級組合結(jié)構(gòu)高溫性能影響

3.1 膠結(jié)料組成對澆注式瀝青混合料高溫性能的影響

本研究采用國標(biāo)車轍試驗研究不同種類膠結(jié)料澆注式瀝青混合料的高溫性能，試驗溫度分別為60℃和65 ℃，試驗輪胎壓強為0.707 MPa。此外，根據(jù)《復(fù)合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》及以往工程經(jīng)驗，為提高復(fù)合澆注式瀝青鋪裝層高溫穩(wěn)定性能，施工時在澆注式瀝青混凝土鋪裝層表面壓入粒徑為13.2 mm～19 mm 的玄武巖預(yù)裹瀝青碎石[3-4]。因此，本研究分別開展未壓入碎石及壓入預(yù)裹瀝青碎石后的動穩(wěn)定度試驗，碎石壓入量為10 kg/m2，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同膠結(jié)料GA-13 動穩(wěn)定度

由表3 試驗結(jié)果可知，在60 ℃及65 ℃試驗條件下，采用國產(chǎn)30#+TLA 與國產(chǎn)15#瀝青制備的試件，其動穩(wěn)定度接近，尤其是壓入碎石后，兩組試驗結(jié)果無明顯差別，且兩組試驗結(jié)果均高于進(jìn)口30#+TLA 組別，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗車轍性能。從擺脫對進(jìn)口材料的依賴以及簡化混合料生產(chǎn)工藝等方面考慮，可以采用國產(chǎn)15# 瀝青替代進(jìn)口30#+TLA 及國產(chǎn)30#+TLA。

此外，對比三組試驗未壓入碎石及壓入碎石試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在澆注式瀝青混合料GA-13 中壓入預(yù)裹瀝青碎石，可以顯著改善澆注式瀝青混凝土層的高溫穩(wěn)定性能，對于降低鋪裝層發(fā)生高溫病害的風(fēng)險，延長鋪裝層使用壽命具有重要意義。

3.2 膠結(jié)料類型對組合結(jié)構(gòu)高溫性能的影響

復(fù)合澆注式瀝青鋪裝方案高溫性能是國內(nèi)澆注式瀝青鋼橋面鋪裝研究關(guān)注的重點，而單純測試GA-13 的高溫穩(wěn)定性能無法準(zhǔn)確反應(yīng)鋪裝結(jié)構(gòu)的高溫性能。鋪裝組合結(jié)構(gòu)性能試驗是評價鋪裝結(jié)構(gòu)性能的重要手段，針對鋪裝的具體使用條件，通過室內(nèi)復(fù)合件試驗可以更加準(zhǔn)確的反映鋪裝結(jié)構(gòu)的性能?；谝呀霸诮üこ讨袕?fù)合澆注式瀝青鋪裝方案各結(jié)構(gòu)層厚度，確定本研究中組合結(jié)構(gòu)形式為“4 cmGA-13+3.5 cmAC-13”。分別研究60 ℃及65 ℃試驗溫度下未壓入碎石及壓入碎石組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度，試驗結(jié)果見表4。

表4 不同類型膠結(jié)料組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度

組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度試驗結(jié)果表明，采用國產(chǎn)15#直餾硬質(zhì)瀝青與采用進(jìn)口30#+TLA 組別在60 ℃試驗溫度下未壓入碎石、60 ℃試驗溫度下壓入碎石以及65 ℃試驗溫度下壓入碎石的組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度處于相同水平，兩者無明顯差別。而采用國產(chǎn)30#+TLA 組別在所設(shè)定的試驗條件下組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度均高于進(jìn)口30#+TLA 組別，尤其是壓入碎石后，國產(chǎn)30#+TLA 組別優(yōu)勢更為明顯，其中60 ℃試驗溫度下較進(jìn)口30#+TLA 提高約62%，65 ℃試驗溫度下較進(jìn)口30#+TLA 提高約43%，具有更好抵抗車轍變形的能力。

4 結(jié)論

（1） 動態(tài)模量試驗結(jié)果表明，在較低加載頻率下，采用國產(chǎn)30#+TLA 制備的GA-13 混合料動態(tài)模量高于進(jìn)口30#+TLA，隨著加載頻率的增加，兩者動態(tài)模量差距逐漸減小。在所試驗的加載頻率范圍內(nèi)，采用國產(chǎn)15#直餾硬質(zhì)瀝青制備的GA-13 動態(tài)模量均顯著高于采用進(jìn)口30#+TLA 組別。

（2） 在60 ℃及65 ℃試驗條件下，采用國產(chǎn)30#+TLA 與國產(chǎn)15#瀝青制備的GA-13 試件，其動穩(wěn)定度接近，尤其是壓入碎石后，兩組試驗結(jié)果無明顯差別，且兩組試驗結(jié)果均高于進(jìn)口30#+TLA 組別。

（3） 組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度試驗結(jié)果表明，采用國產(chǎn)15#直餾硬質(zhì)瀝青與采用進(jìn)口30#+TLA 組別在60℃試驗溫度下未壓入碎石、60 ℃試驗溫度下壓入碎石以及65 ℃試驗溫度下壓入碎石的組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度處于相同水平，兩者無明顯差別。

（4） 采用國產(chǎn)30#+TLA 組別在60 ℃及65 ℃試驗條件下組合結(jié)構(gòu)動穩(wěn)定度均高于進(jìn)口30#+TLA組別，尤其是壓入碎石后，國產(chǎn)30#+TLA 組別優(yōu)勢更為明顯。

（5） 基于擺脫對進(jìn)口材料的依賴及簡化澆注式瀝青混合料制備工藝考慮，可以采用國產(chǎn)15#直餾硬質(zhì)瀝青替代進(jìn)口30#直餾硬質(zhì)瀝青摻配TLA 方案。