低空隙率密水型瀝青混合料抗永久變形能力研究

高群花

摘要 水泥橋面鋪裝對于防水性能要求較高，采用低空隙率密水型瀝青混合料能夠提高鋪裝結構壽命。但混合料抗永久變形的能力會受到影響，車轍病害成為主要考慮的因素。文章使用循環單軸壓縮（動載荷蠕變）方法，研究不同空隙率和不同級配類型的低空隙率密水型瀝青混合料的抗永久變形能力，結果表明，SMA比AC級配類型更適用于低空隙率密水型瀝青混合料，能夠提供更好的抗永久變形能力。

關鍵詞 永久變形；瀝青混合料；低空隙率；橋面鋪裝

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0092-03

0 引言

混凝土梁橋能夠保持長壽命使用的先決條件之一，是使用高質量的瀝青層密封橋面[1]。橋梁結構中的瀝青層由磨耗層和保護層組成，鋪設在防水層上。典型的鋪裝材料是瀝青混凝土（AC）和瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。瀝青含量的增加、空隙率的降低，以及橋面鋪裝的特定運行條件均可能導致永久變形，從而形成車轍。在剛性橋面上，由車輛荷載引起的橋面鋪裝中的應力和壓縮應變是主要因素，鋪裝層的耐久性很大程度上取決于其抵抗永久變形的能力[2]。高壓縮應變會導致瀝青層在高溫下產生過大的黏塑性應變。應變的值取決于剛度模量，而剛度模量則由溫度、荷載頻率、加載時間和荷載值決定。在夏季高溫期，路面溫度達到70 ℃（空氣溫度為35 ℃）時，高壓縮應變尤為危險[3]。

傳統橋面鋪裝結構包括兩層，每層厚度約為4 cm。如果結構層的材料在低溫下具有增強的應力和應變衰減能力，并且在高溫下具有適當的剛度，則可以使用薄橋面。瀝青混合料技術要求用于保護層，不建議只使用瀝青瑪蹄脂，盡管其密封性高，但可能抗變形能力差。耐久和安全的橋面鋪裝需要正確選擇材料、適當的技術和最高質量的性能。除此之外，還可以通過使用標準技術來實現，如用改性瀝青和增加瀝青含量的SMA[4]，以及其他新材料和技術方案，如用聚合物改性瀝青或添加橡膠屑的混合物來實現。

瀝青混合料在表面高溫狀態下抗永久變形性能可以通過多種參數來表征，這些參數可對材料特性進行復雜而精確的描述。評估抗永久變形能力最常用的方法是在60 ℃的循環荷載下檢測單層瀝青混合料的車轍深度和車轍變形[5]，采用靜態和動態沖孔貫入法對瀝青瑪蹄脂的硬度進行了評定。瀝青混合料抗永久變形性能也可以采用40～60 ℃高溫下的壓縮蠕變試驗來評估，稱為單軸重復壓縮蠕變，圓柱形樣品受到垂直壓縮載荷，該載荷可以是靜態的或循環的。此類試驗通常在實驗室無側限單軸加載的條件下進行。壓縮蠕變法是測定循環荷載作用下具有高瀝青含量、高密實的瀝青混合料性能的有效方法，因此采用該方法來評估抗永久變形能力，同時為了對比不同級配下不同空隙率對混合料抗永久變形能力的影響，分析了AC和SMA兩種級配類型以及六種不同空隙率下混合料的單軸重復壓縮蠕變試驗結果。

1 材料與試驗方法

對兩種混合料AC（AC-10）、SMA（SMA-10）的不同級配類型，共6種瀝青混合料進行了抗永久變形試驗，后綴為A（AC-A和SMA-A）的混合料瀝青含量為5%，后綴為B（AC-B和SMA-B）的混合料瀝青含量為6%，后綴為C（AC-C和SMA-C）的混合料瀝青含量為7%。要求設計級配曲線如圖1所示。

粗集料和細集料均采用玄武巖集料，原材料性能均符合規范要求。

瀝青混合料采用聚合物改性瀝青PMB45/80-55，瀝青含量變化范圍為5%～7%。所有瀝青混合料的計算空隙率如表1所示。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），由密度和體積密度計算空隙率。

瀝青混合料采用旋轉壓實法成型，在直徑100 mm、高150 mm的圓柱形鋼模中進行壓實。根據150 mm壓實高度控制，壓實溫度為160 ℃。每種混合料制作5個平行試樣，通過增加瀝青含量實現低空隙率，以此獲得具有豐富瀝青砂漿和高瀝青含量的瀝青混合料試樣，即密水型瀝青混合料，并進行了抗永久變形的性能測試。

為了評估瀝青混合料SMA和AC的抗永久變形能力，試驗方案采用了單軸循環壓縮（動載蠕變）法，該方法有效表征了低空隙率密水型瀝青混合料的高溫性能。

單軸循環壓縮法測試瀝青混合料的抗永久變形性能，用恒定的應力荷載反復多次作用于試樣。測試包括3 600個加載循環，試驗溫度為50 ℃，對每種瀝青混合料的5個平行試件均進行了測試。試樣呈圓柱形，直徑100 mm，高150 mm，加載壓力為100 kPa。試驗設備采用UTM-25，利用LVDT位移傳感器測量變形，測得最終試樣變形的周期-應變曲線。

2 單軸循環壓縮試驗結果與分析

如圖2、圖3所示，給出了不同空隙率下SMA和AC混合料的單軸循環壓縮抵抗永久變形的測試結果。

根據圖2所示的SMA混合料試驗結果可以看出，該SMA均具有較高的抗永久變形能力。評價標準是在對循環壓縮試驗和車轍試驗的結果進行初步評價和比較的基礎上確定的。在初始測試階段，垂直應變顯著增加，隨之應變趨于穩定。當空隙率為3.6%和1.3%時，圖的斜率相似，說明彈性部分在復合材料中占主導地位。SMA混合料抗永久變形性能高的原因很可能是選用了合適的間斷級配的承載板。

根據圖3所示的AC混合料的試驗結果可知，與SMA混合料相比，AC混合料抗永久變形能力更低。與SMA混合料相似，在車轍初期垂直應變大幅增加，之后應變趨于穩定。與空隙率為3.7%的混合料相比，空隙率為1.5%的混合料斜率更大，說明隨著復合材料中瀝青含量的增加，瀝青部分占主導地位。與SMA相比，AC對空隙率的變化更為敏感。

如圖4所示，給出了空隙率最低的SMA（SMA-C）和AC（AC-C）的抗永久變形性能的比較。

對比SMA-A和AC-A兩種空隙率最高的瀝青混合料抗永久變形性能試驗，可以看出它們在橋面鋪裝結構中的作用相似。兩種混合物的應變增加（圖的斜率）相似。然而，AC混合料具有更大的變形，這可能導致其與SMA相比抗永久變形能力降低。這是由于其級配中碎細集料量較高。

由圖4可以看出，SMA-C和AC-C兩種混合料的變形試驗結果相差很大。當AC的空隙率為1.5%時，可以認為AC為密實型。然而，AC-C混合料應變的大幅增加表明該混合料處于“流動狀態”，混合料內部會產生較大的剪切變形，無法在橋面結構中有效抵抗車轍變形，特別是在夏季高溫環境下。與SMA混合材料相比，該材料在更大范圍內是黏性的。SMA-C混合料變形水平保持穩定增加，施加的應力和應變的響應近似恒定。

如圖5、圖6所示，分別為采用單軸循環壓縮法對不同空隙率的SMA和AC混合料進行動載蠕變試驗時累積變形和變形率的結果。

由圖5、圖6可以看出，兩種混合料僅在最高空隙率時存在相似之處。隨著混合料的空隙率下降，蠕變試驗結果有很大不同，SMA保持了試驗結果的穩定性，而AC蠕變顯著增加，這表明了該混合料對空隙率變化的敏感性。

經統計分析，發現瀝青混合料的抗永久變形敏感性在很大程度上取決于其級配。通過相關性分析和方差分析，SMA混合料具有較高的膠漿結構，其變形敏感性不會隨著空隙率的減少而顯著增加。對于連續級配的AC混合料，隨著空隙率的減少，其抗永久變形能力大幅降低。此外，在單軸循環壓縮試驗中，瀝青混合料的空隙率與瀝青混合料的抗永久變形能力之間存在很強的相關性（Pearson相關系數r=0.68）。

增加SMA和AC混合料的瀝青含量對降低其抗永久變形性能的作用機制是不同的。SMA混合料特點是間斷骨架型級配，由粗集料相互嵌擠而成的骨架結構旨在傳遞車輛荷載。增加瀝青含量來減少這類混合料的空隙率并不會顯著降低其抗永久變形能力。瀝青填充骨架顆粒之間的空隙，而不改變其骨架結構。AC混合料是連續級配，增加瀝青含量可顯著降低集料間的接觸，因此，其抗永久變形能力降低。

3 結論

橋梁瀝青混合料的設計與用于地面的瀝青混合料不同。這些混合料的主要特點是密封性和抗永久變形。瀝青含量的增加和橋面的特定使用條件可能導致永久變形，從而形成車轍。各種瀝青混合料可用于橋面施工，在實際工程中，通常包括AC和SMA兩種典型的級配類型。該研究對低空隙率密水型瀝青混合料的抗車轍性能進行了比較，利用單軸循環壓縮試驗測試了不同空隙率的瀝青混合料的抗永久變形能力。形成如下結論：

（1）在空隙率為1.3%～3.6%的范圍內，SMA具有較高的抗永久變形能力，表明在高溫下，彈性部分在其黏彈性力學行為中占據主導地位。

（2）當AC的空隙率在1.5%～3.7%之間時，其抗永久變形（蠕變）能力變差，特別是在空隙率較低的情況下，這表明在高溫下，其黏彈性力學行為中黏性部分占主導地位。

（3）由于可能設計出更高的膠體結構，應考慮采用SMA作為低空隙率下抗永久變形的混合料，與AC相比，SMA具有在低空隙率情況下更好的抗車轍性能。

參考文獻

[1]馬曉杰. 典型瀝青路面結構的力學響應對比分析[J]. 北方交通， 2018（7）： 110-113.

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[3]張磊， 伍石生， 黃衛， 等. 面向橋面鋪裝動力響應分析的多尺度橋梁模型[J]. 中國公路學報， 2012（3）： 87-93.

[4]Hao P， Zhang M， Zhang Q， et al. Study on evaluation method of mud-pumping of cement concrete bridge deck pavement[J]. Construction and Building Materials， 2018， 167： 106-114.

[5]Moriyoshi A， Takahashi N， Ikeda O， et al. Strain distribution in asphalt mixtures during the wheel tracking test at high temperatures[J]. Construction and Building Materials， 2013， 40： 1128-1135.