大型鋼橋橋面鋪裝用高黏瀝青混合料的研究

任瑞波，耿立濤，王玉恒，劉占斌

（1.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250101；2.青島市公路規劃設計院有限公司，山東 青島 266102）

大型鋼橋橋面鋪裝用高黏瀝青混合料的研究

任瑞波1，耿立濤1，王玉恒2，劉占斌1

（1.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250101；2.青島市公路規劃設計院有限公司，山東 青島 266102）

隨著交通運輸產業的發展，大型鋼橋的數量增多，研究適用于大型鋼橋橋面鋪裝的新型材料具有重要意義。文章基于馬歇爾設計方法，圍繞研發的新型高黏瀝青材料，通過混合料的配合比設計與室內性能試驗，分析了高黏瀝青混合料 SMA-5的最佳級配比例、性能表現及其機理。結果表明：設計確定的最佳瀝青用量為6.7%，高黏瀝青混合料在60和70℃動穩定度分別為12513和3759次／mm；低溫彎曲試驗與凍融劈裂試驗的結果滿足規范要求，與環氧瀝青混合料的試驗結果相當；在高應變水平下，高黏瀝青混合料的疲勞性能優于環氧瀝青混合料；瀝青的高黏特性以及粗集料形成的嵌擠結構是該混合料具有優秀路用性能與力學性能的主要原因。

道路工程；高黏瀝青混合料；試驗評價；性能試驗；瀝青瑪蹄脂碎石混合料

0 引言

隨著我國經濟快速增長，橋梁的建設有了長足的進步，大中型鋼橋以其輕量化和經濟性得到了廣泛的應用。但隨著交通量與重型車的迅速增加，橋面鋪裝出現了裂縫、擁包、車轍、破碎等病害。

為克服瀝青混合料橋面鋪裝結構因剪切與溫度等因素所引起的各種病害，國內外學者進行大量研究工作。郝增恒等和卞加前研究認為高黏瀝青混合料作為鋪裝層能夠有效克服在重載作用下產生的推移、開裂、車轍等病害［1－2］。高黏瀝青最早由日本提出，在排水性路面中使用非常廣泛，高黏瀝青與普通改性瀝青相比，其具有更高的黏性、彈性和韌性等特點，能夠有效粘結橋面板與瀝青鋪裝層。高黏瀝青對集料具有耐久的包裹力和極高的粘附性，同時還具有普通改性瀝青所不具備的高強抗剝落和抗疲勞特性。瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）是德國和日本近年來廣泛使用的橋面鋪裝層材料，其采用改性瀝青摻入纖維，并與礦粉及少量細集料形成瀝青瑪蹄脂后填充在粗集料骨架空隙中，形成一種典型的骨架密實結構。由于 SMA中粗集料形成石—石嵌擠結構，使混合料具有良好的高溫性能、低溫性能和水穩定性［3－7］。針對鋼橋對防水有著嚴格的要求，采用砂粒式SMA-5，有效克服 SMA設計不良時出現的滲水問題，并合理降低鋪裝厚度［8－13］。

研究采用山東建筑大學道路工程研究所研發的高黏改性瀝青作為膠結料，按馬歇爾設計法進行混合料配合比設計，設計出適用于大型鋼橋橋面鋪裝的高黏瀝青混合料 SMA-5［14－15］，通過高溫性能、低溫性能、水穩定性和抗疲勞性試驗對高黏瀝青混合料 SMA-5的路用性能進行研究，并與環氧瀝青混合料進行數據對比。

1 高黏瀝青混合料設計

1.1 材料

1.1.1 膠結料

瀝青膠結料選用前期研發的高黏瀝青，該高黏瀝青的60℃粘度明顯高于普通改性瀝青，表現出優異的粘結性，瀝青中改性劑分散均勻、溶脹充分，熱儲存穩定性好［16］，其技術指標見表 1［17］。

表1 高黏瀝青的主要技術指標

1.1.2 石料

選用的石料為玄武巖，集料規格為0／3 mm和3／5 mm，礦粉為石灰巖磨制，纖維選擇木質松散纖維。集料與礦粉的篩分試驗結果見表 2，集料與礦粉的體積指標見表3。

表2 集料與礦粉篩分試驗結果

1.2 混合料設計

1.2.1 設計級配確定

文章中研究目標設計高黏瀝青混合料SMA-5，礦料級配按照粗、中、細設計3個配合比，見表4，級配曲線如圖1所示。按照經驗取適宜的瀝青含量為6.5%。體積指標通過馬歇爾試驗進行計算，確定合理的級配，使粗集料形成骨架，從而使混合料形成較好的嵌擠結構。混合料的拌合、擊實溫度控制在185℃，考慮重載交通雙面擊實75次。三個配合比的馬歇爾指標結果見表5。

表3 集料與礦粉的體積指標

表4 高黏瀝青混合料的設計級配

圖1 高黏瀝青混合料的級配設計圖

根據表5的試驗結果，級配2的體積指標最理想，粗集料與細集料比例合理，粗集料形成的骨架可以起到良好的嵌擠作用，因此選擇級配2為設計級配。

根據表5的試驗結果，級配2的體積指標最理想，粗集料與細集料比例合理，粗集料形成的骨架可以起到良好的嵌擠作用，因此選擇級配 2為設計級配。

1.2.2 最佳瀝青用量的確定

按照確定的設計級配，將瀝青用量調整為6.3%、6.6%和6.9%，分別進行馬歇爾試驗以確定最佳瀝青用量，試驗結果見表6。

根據對結構的指標分析和規范對空隙率的要求，選擇最佳瀝青用量為6.7%。

1.2.3 最佳瀝青用量的檢驗

采用謝倫堡瀝青析漏試驗與肯塔堡飛散試驗檢驗最佳瀝青用量是否滿足要求，試驗結果見表7、8。試驗結果滿足規范要求，說明確定的最佳用量合適，混合料中無多余自由瀝青，確保不會出現析漏現象，同時瀝青用量足夠，可以保證集料之間的粘結。

表5 馬歇爾試驗體積指標結果

表6 不同瀝青用量下馬歇爾試驗體積指標結果

表7 謝倫堡析漏試驗結果

表8 肯塔堡飛散試驗結果

2 高黏瀝青混合料性能研究

設計的高黏SMA-5，其性能應具有 SMA的優點，具有良好的抗高溫、低溫和水穩定性，分別采用車轍試驗、低溫彎曲試驗與凍融劈裂試驗等對設計的高黏 SMA-5的性能進行研究，并與鋼橋上使用廣泛的環氧瀝青混合料進行對比。

2.1 高溫性能

采用車轍試驗方法測定動穩定度，以其評價瀝青混合料的高溫穩定性，考慮到鋼橋箱體通風能力差、散熱慢等不利因素［7］，車轍試驗采用 60和 70℃兩個試驗溫度，車轍試驗數據匯總見表9。

表9 車轍試驗數據匯總

對比車轍試驗結果可以發現，環氧瀝青混合料的動穩定度數值高于高黏瀝青混合料，但設計的高黏瀝青混合料60℃的動穩定度已達到現行規范動穩定度技術要求（≥3000次／mm）的4倍，70℃的動穩定度也達到了 3759次／mm。環氧瀝青的熱固性質賦予了環氧瀝青混合料抵抗高溫車轍的能力，而高黏瀝青混合料具有的高溫穩定性可以運用庫倫定律從以下兩方面解釋：

（1）粗集料相互嵌擠形成骨架，提供足夠的嵌擠力與內摩阻力。SMA-5為骨架密實結構，集料選用強度高、表面粗糙的玄武巖，形成的骨架在高溫條件能夠有效的抵抗變形，高黏瀝青混合料 SMA-5斷面如圖2所示。

（2）高黏瀝青高溫下粘度大、勁度高，與集料的粘附性能好，瀝青與集料形成了強有效粘結，保證了瀝青混合料的粘聚力。

2.2 低溫性能

大型鋼橋橋面鋪裝層一旦出現溫縮裂縫，會對鋼橋面板產生極大的危害，因此鋪裝材料要保證優良的低溫性能。采用低溫彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫性能，在 －10℃條件下進行試驗，試驗過程如圖3所示、測試結果見表10。

圖2 SMA-5斷面圖

圖3 低溫彎曲試驗圖

表10 低溫彎曲試驗數據

高黏瀝青混合料的試驗結果高于現行規范對瀝青混合料低溫性能的技術要求（低溫破壞應變大于3000 με），這意味著該高黏瀝青混合料具有良好的耐低溫開裂的性能。與環氧瀝青混合料對比，兩者的彎拉應變基本相同，但高黏瀝青混合料的勁度模量僅為環氧瀝青混合料的一半，且環氧瀝青混合料從破壞曲線上呈現脆性破壞的形式，說明高黏瀝青混合料更加“柔軟”，在抗低溫開裂方面更具優勢。分析高黏瀝青混合料低溫性能良好的原因有兩點：（1）瀝青瑪蹄脂含量高，提高了與石料的粘結力；（2）高黏瀝青自身具有很好的低溫性能，從而使高黏混合料低溫性能優良。

2.3 水穩定性

混合料的水穩定性差會導致鋪裝層材料出現水損害，鋪裝層材料出現水損害后會進一步影響粘結層和鋼橋面板，進而導致橋面大面積病害的出現，因此設計的瀝青混合料應具有良好的水穩定性。根據“八五”國家科技攻關專題的研究發現：浸水馬歇爾試驗方法存在不足，對混合料抗水損害的能力表現不夠，而凍融劈裂試驗對水損害機理有很好的模擬效果，因此，使用凍融劈裂試驗評價高黏瀝青混合料的水穩定性，其試驗結果見表11。

根據試驗結果可見，高黏瀝青混合料與環氧瀝青混合料的的凍融劈裂比值相差不大，均超過了98%，遠高于現行規范對凍融劈裂比不小于80%的要求，表明高黏瀝青混合料具有卓越的抗水損害能力。這主要得益于高黏瀝青很高的粘性，根據粘附—剝落理論，高的粘性增強了瀝青與集料的機械結合力，同時裹附在集料表面的瀝青膜厚度增加，降低了瀝青膜脫落的可能性；砂粒式SMA-5不透水，減小了凍融過程中水對混合料的損壞，在作為鋼橋面鋪裝層時對粘結層和鋼板能起到很好的保護作用。

表11 凍融劈裂試驗數據

2.4 抗疲勞性

疲勞開裂是鋼橋面鋪裝層易出現的主要病害之一，研究鋪裝層瀝青混合料的抗疲勞性能有著重要意義。文章采用IPC疲勞試驗機，試驗加載和數據（包括加載次數、荷載大小、勁度模量、相位角、試件位移、最大拉應力及耗散能）采集均由計算機自動控制完成。

研究表明，在控制應變的疲勞試驗中，雖然疲勞損壞標準選擇具有一定的隨意性，但瀝青混合料的應力與應變狀態更符合瀝青路面的實際情況，損壞過程符合路面的實際受力狀態，尤其是薄層瀝青路面，控制應變模式得出的試驗結果可以直接應用。同時采用多層彈性體系理論對多種路面結構進行計算、分析，發現控制應變加載模式接近于瀝青層薄（＜6 cm）、勁度模量小的路面結構，這種結構中瀝青層不作為主要的承重層，其應變主要受承重層的控制，瀝青層勁度模量的變化對它的影響不明顯。鋼橋橋面鋪裝層厚度較薄，鋼橋橋面板與鋪裝層的模量相差很大，對橋面板變形沒有明顯影響，故文章采用控制應變加載模式，選取勁度模量為初始勁度模量50%時的作用次數作為疲勞破壞標準。應變水平應根據高黏瀝青混合料及環氧瀝青混合料的特殊性選取 800、900和 1000 με三個應變水平，疲勞試驗試驗結果見表12。

表12 瀝青混合料疲勞試驗結果

從試驗結果可知，高黏瀝青混合料在高應變水平下，也具有極高的疲勞壽命，疲勞性能優良，能夠滿足作為鋼橋鋪裝層材料長期使用的目的。與環氧瀝青混合料對比發現，在 800、900和 1000 με水平下，高黏瀝青混合料的疲勞壽命均高于環氧瀝青混合料，表明在大應變環境下高黏瀝青混合料的表現將更優異。環氧瀝青混合料的勁度模量隨著養護時間不斷提升，變形能力變差，材料也越來越脆，如果適應不了鋼橋的大變形要求，會在早期發生破壞。高黏SMA-5瀝青用量充足，瀝青飽和度和瀝青膜厚度高，相同空隙率下砂粒式SMA相比于粗等級的SMA連通空隙和微裂縫更少，保證了高黏混合料優異的疲勞性能。

2.5 其他性能

瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，受溫度和時間的影響明顯，通過建立動態模量主曲線可以很好的描述這種行為。利用西格摩德函數繪制動態模量主曲線和時間—溫度轉換關系圖，便可得到整個溫度和頻率范圍內的力學參數并對混合料的粘彈特性進行描述。根據試驗結果和西格摩德函數繪制的動態模量主曲線如圖4所示，時間—溫度轉換關系如圖5所示。將動態模量主曲線與時間—溫度轉化關系結合起來就可以描述粘彈性瀝青混合料對溫度和荷載頻率的敏感性，同時可以計算出瀝青混合料在任意溫度和荷載作用頻率作用下的動態模量值。根據粘彈理論，期望設計的瀝青混合料低溫狀態有較低的動態模量，混合料表現的更加“柔軟”，高溫時有較高的動態模量，混合料表現的更加“堅硬”。根據動態模量主曲線可以看出，高黏瀝青混合料在低溫時的動態模量要低于環氧瀝青混合料，同時高黏瀝青混合料的主曲線變化趨勢更小，這對于瀝青混合料的耐久性是有利。因此，通過對比可以看出高黏瀝青混合料具有更加優異的動態模量力學性能。

抗剪強度是鋼橋面鋪裝中混合料的重要力學指標，鋼橋面鋪裝層病害與混合料的抗剪強度有直接的關系，文章采用單軸貫入試驗方法［12］，充分模擬路面結構的受力。單軸貫入試驗結果見表13。根據試驗結果可以發現，環氧瀝青混合料的抗剪強度數值明顯高于高黏改性瀝青混合料，環氧瀝青因其熱固特性使得混合料具有優秀的力學抗剪強度。但與橡塑瀝青混合料（0.871 MPa）、SBS瀝青混合料（1.022 MPa）和70＃基質瀝青混合料（0.842 MPa）相比，高黏瀝青混合料抗剪強度具有明顯的優勢。根據孫立軍等［18］的研究，選擇棱角性好的集料，能夠更好的發揮集料的嵌擠作用，同時增大瀝青黏度也對混合料的抗剪強度有積極的提高作用，這對高黏改性瀝青混合料的設計理念是相同的。

圖4 動態模量主曲線圖

圖5 時間—溫度轉換關系圖

表13 抗剪強度試驗結果統計表

3 工程應用

研發的高黏瀝青及高黏瀝青混合料 SMA-5成功應用到濟南黃河三橋、濟南平陰黃河大橋的維修工程中，橋面的結構維修方案如圖6所示。維修至今，使用狀況良好，未出現高溫車轍、低溫開裂及疲勞病害。

4 結論

通過上述研究可知：

圖6 鋼橋面結構維修方案圖

（1）針對高黏瀝青，按照馬歇爾設計方法，設計用于大型鋼橋橋面鋪裝的高黏瀝青混合料 SMA-5，根據設計級配確定的最佳瀝青用量為6.7%，各指標符合現行規范，析漏和飛散損失結果也高于現行規范的技術要求。

（2）車轍試驗中，高黏瀝青混合料在 60和 70℃的動穩定度分別為12513和3759次／mm，表現出優異的高溫性能；高黏瀝青混合料在低溫性能試驗中相比環氧瀝青混合料勁度模量減小了 1／3，表現更加“柔軟”，且大應變水平下疲勞壽命高，對大型鋼橋有很強的適用性；通過力學動態模量和力學抗剪強度研究發現高黏瀝青混合料具有出眾的力學性能。

（3）瀝青的高黏特性以及粗集料形成的嵌擠結構是該混合料具有優秀性能的主要原因。

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Study on large steel bridge deck pavement with high viscosity asphalt mixture

Ren Ruibo1，Geng Litao1，Wang Yuheng2，et al.
（1.School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Qingdao Road Planning Design Institute Co.，Ltd.，Qingdao 266102，China）

Along with the development of transportation industry，the number of large steel bridge is constantly increasing.The research on the new materials for large steel bridge deck has great significance.This article，based on the Marshall design method and the new high viscosity asphalt，studie the optimum proportion，performance and function mechanism of the high viscosity asphalt through the mix design and laboratory test.The results show the optimum asphalt content of asphalt mixture gradation is 6.7%.The dynamic stability are 12513 t／mm and 3759 t／mm in 60℃ and 70℃，respectively.The high viscosity asphalt matrix mixture has outstanding performance.The results of low-temperature bending test and freeze-thaw splitting test meet the needs of design and standard，and equally match with the epoxy asphalt mixture.At high strain levels，the fatigue property of high viscosity asphalt matrix mixture is better than that of epoxy asphalt mixture.The main reasons for the mixture with good pavement performance and mechanical properties are the high adhesion properties of asphalt and the embedded structure formation by the coarse aggregate.

road engineering；high viscosity asphalt mixture；experimental evaluation；property test；stone mastic asphalt

U414

A

1673－7644（2016）05－0416－07

2016－07－31

國家自然科學基金項目（51278288）

任瑞波（1968－），男，教授，博士，主要從事路面結構及材料等方面的研究.E-mail：rrbgq＠sdjzu.edu.cn