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鋼橋面鋪裝高彈改性瀝青混合料SMA10性能分析




摘要


澆注式瀝青混合料鋪裝體系上面層改性瀝青混合料SMA的結合料主要使用高彈改性瀝青。為分析評價高彈改性瀝青混合料SMA10的路用性能及其與結合料技術性能指標間的聯系,選擇4種高彈改性瀝青,通過馬歇爾試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及四點彎曲試驗等,研究其混合料SMA10的綜合路用性能,并與高粘改性瀝青及其混合料SMA10進行同步對比。結果表明:1)高彈改性瀝青SMA10的低溫性能和疲勞性能均明顯優于高粘改性瀝青SMA10;2)改性瀝青混合料SMA10的路用性能與瀝青結合料的性能有較為顯著的相關性;3)高溫粘度和軟化點較高的高彈改性瀝青,其混合料SMA10具有更佳的高溫穩定性和力學性能,而低溫延度和彈性恢復率較大的高彈改性瀝青,其混合料SMA10則具有更優的低溫抗裂性和疲勞性能。根據實體工程所在地的環境及設計要求,可選擇合適的高彈改性瀝青。



關鍵詞:鋼橋面鋪裝 | 高彈改性瀝青 | 改性瀝青混合料SMA10 | 路用性能 | 對比分析


鋼橋面鋪裝是直接鋪設在鋼橋面板上,與鋼橋面結構共同承重的構造物[1]。研究表明,鋼橋面鋪裝層zui大拉應力或拉應變均出現在鋪裝層表面,其疲勞裂縫發展規律是由上面層向下面層擴展,這不同于普通的瀝青混合料路面[2]。因此,鋼橋面鋪裝上面層材料需要具有良好的抗裂性能。SMA混合料因優異的性能,被廣泛用于鋼橋面鋪裝工程的上面層。目前,國內應用規模zui大的鋼橋面鋪裝方案是“下面層澆注式瀝青混合料GA10+上面層改性瀝青混合料SMA[3-5]。


用于改性瀝青混合料SMA的結合料主要分為高粘改性瀝青和高彈改性瀝青[6]。在我國公路建設早期,常采用高粘改性瀝青,但其混合料SMA抗裂性不足,橋面鋪裝出現了一定的開裂病害[7]。理論研究與工程實踐證明,高彈改性瀝青混合料SMA具有優異的抗裂性能[5,8-9],鋼橋面鋪裝層很少出現開裂病害。近年來,國內大跨徑鋼橋面鋪裝上面層混合料多采用高彈改性瀝青混合料SMA[4,10-13],如重慶朝天門長江大橋、安徽馬鞍山長江大橋、武漢沌口長江大橋、武漢青山長江公路大橋、福建平潭海峽大橋、滬蘇通長江公鐵大橋主航道橋等重大重點工程。


瀝青結合料種類對混合料的性能有決定性影響,對結合料的選擇要綜合考慮各方面性能。李睿等[14]研究表明,相比普通SBS改性瀝青混合料,高彈改性瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能優異,且混合料的性能與結合料的性能結果一致。王民等[15]對比分析了不同瀝青結合料的澆注式瀝青混合料的性能,結果表明,混合料的性能與其結合料類型存在一致性。歐陽男[16]研究了高彈改性瀝青和復合改性瀝青對澆注式瀝青混合料性能的影響,結果表明高彈改性瀝青混合料的高溫穩定性和疲勞性能更優,但復合改性瀝青混合料施工和易性更好。在此,本文選擇4種高彈改性瀝青和1種高粘改性瀝青,在相同條件下成型混合料SMA10,分析評價混合料的路用性能及其與結合料技術性能指標間的聯系,為后續工程運用中結合料的選擇以及瀝青混合料性能的改善提供參考依據。



結合料性能分析


選擇4種高彈改性瀝青(分別記為改性瀝青A、改性瀝青B、改性瀝青C和改性瀝青D)和高粘改性瀝青(記為改性瀝青E),其技術指標檢測結果見表1。




從表1可以看出,高彈改性瀝青的綜合性能明顯優于高粘改性瀝青。4種高彈改性瀝青的技術指標不盡相同,針入度(25)65~78(0.1mm),軟化點均高于90℃,延度(5)均大于1250px,旋轉粘度(175)650mPa·s~720mPa·s,彈性恢復率均大于97%,與集料的粘附性等級均為5,殘留針入度比均大于70%,殘留延度均大于750px。其中改性瀝青A具有zui大的高溫粘度、殘留針入度比及zui高的軟化點,表現出更好的高溫性能和抗老化性能;改性瀝青C具有zui大的低溫延度、彈性恢復率和針入度,表現出更優異的低溫性能;而改性瀝青B和改性瀝青D的各項技術指標居中。

結合料的技術指標對混合料的路用性能有較大影響,進一步研究混合料SMA10的路用性能,并分析混合料性能與結合料技術性能指標的聯系。



混合料性能分析

原材料選擇

粗集料和細集料均采用玄武巖,礦粉采用石灰巖礦粉,纖維采用聚酯纖維。原材料的技術指標檢測結果見表2~5。



配合比及試驗方法

根據礦料篩分結果,改性瀝青混合料SMA10的級配設計見表6。改性瀝青混合料SMA10用結合料采用改性瀝青A、改性瀝青B、改性瀝青C、改性瀝青D和改性瀝青E,油石比采用6.0%,聚酯纖維用量為混合料總質量的0.25%,拌和溫度為180℃,拌和時間為180s。在此條件下拌制5種改性瀝青混合料SMA10,分別成型馬歇爾試件、高溫車轍試件、低溫三點彎曲試件和四點彎曲疲勞試件。按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的測試方法,進行改性瀝青混合料SMA10的性能試驗,系統評價其路用性能。


力學性能

馬歇爾穩定度可作為混合料力學強度的評定指標。對改性瀝青混合料SMA10進行馬歇爾試驗,試驗溫度為60℃,結果見表7。




從表7可知,5種混合料SMA10的空隙率和馬歇爾穩定度均滿足技術要求。高粘改性瀝青混合料SMA10的馬歇爾穩定度大于高彈改性瀝青混合料SMA10,說明高粘改性瀝青混合料SMA10具有更高的力學強度。針對高彈改性瀝青混合料SMA10而言,SMA10-A的馬歇爾穩定度zui大,其后依次為SMA10-B、SMA10-DSMA10-C。高彈改性瀝青A的軟化點和高溫粘度均高于高彈改性瀝青B、CD,這表明高彈改性瀝青混合料SMA10的力學強度與瀝青結合料的軟化點和高溫粘度有密切的關聯。


高溫性能

鋼橋面鋪裝要求混合料具有良好的高溫性能。對改性瀝青混合料SMA10進行車轍試驗,試驗溫度為60℃和70℃,結果見表8。




從表8可知,相同試驗溫度下,4種高彈改性瀝青混合料SMA10的動穩定度要低于高粘改性瀝青混合料SMA10,且車轍深度更大,說明高彈改性瀝青混合料SMA10的高溫性能較高粘改性瀝青混合料SMA10差,但完全滿足技術要求(夏炎熱區70℃動穩定度≥3000/mm,夏涼區60℃動穩定度≥3000/mm)。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的動穩定度大小順序為:SMA10-ASMA10-BSMA10-DSMA10-C,與馬歇爾穩定度的規律一致,即力學強度高的混合料SMA10,其高溫性能同樣優異。結果表明,高彈改性瀝青混合料SMA10的高溫性能與瀝青結合料的軟化點和高溫粘度有明顯的相關性,即軟化點和高溫粘度越高的高彈改性瀝青,其混合料SMA10具有更優的高溫穩定性。據此,針對高溫重載地區,可優先采用高彈改性瀝青A。


低溫性能

鋼橋面鋪裝要求混合料具有良好的低溫性能。對改性瀝青混合料SMA10進行低溫彎曲大梁試驗,試件尺寸為300mm×100mm×50mm,試驗溫度為-10℃,結果見表9。




從表9可知,5種改性瀝青混合料SMA10的低溫抗彎應變均大于6000,滿足技術要求。其中,高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫抗彎應變為10000~11320,明顯高于高粘改性瀝青混合料SMA107813。高彈劑的摻入使得改性瀝青混合料的低溫變形能力大大增強,可承受更高極限應變,解決了鋼橋面鋪裝混合料SMA10的開裂問題。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫抗彎應變大小順序為:SMA10-CSMA10-DSMA10-BSMA10-A,這與瀝青結合料的低溫延度和彈性恢復率大小順序一致,表明高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫抗裂性同瀝青結合料的低溫延度和彈性恢復率具有較好的相關性。低溫延性越好的高彈改性瀝青,其混合料SMA10具有更佳的低溫抗裂性。據此,針對寒冷地區,可優先采用高彈改性瀝青C。


水穩定性能

混合料水穩定性能的優劣同樣關乎鋼橋面鋪裝的服役狀況。對改性瀝青混合料SMA10進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,結果見表10。




從表10可知,5種改性瀝青混合料SMA10的浸水殘留穩定度均大于90%,其順序為:SMA10-DSMA10-CSMA10-ESMA10-BSMA10-A,凍融劈裂強度比均大于85%,其順序為:SMA10-BSMA10-DSMA10-ESMA10-CSMA10-A。整體而言,5種改性瀝青混合料SMA10的水穩定性能相差不大。

5種瀝青結合料與集料具有良好的粘附性(粘附等級均為5),因此其混合料SMA10的水穩定性能優異,能有效抵擋水的侵蝕。


疲勞性能

鋼橋面鋪裝疲勞問題一直是世界性難題。對改性瀝青混合料SMA10進行四點彎曲疲勞試驗,試驗溫度為15℃,結果見表11。




從表11可知,相同條件下,高彈改性瀝青混合料SMA10的勁度模量為1900mPa~2300mPa,明顯小于高粘改性瀝青混合料SMA103275mPa。

發生疲勞時高彈改性瀝青混合料SMA10變形能力較大,疲勞壽命提高20倍左右,因此其疲勞性能更為優異。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的疲勞次數大小順序為:SMA10-CSMA10-DSMA10-BSMA10-A,這與瀝青結合料的低溫延度和彈性恢復率大小順序一致,延展性越好的高彈改性瀝青,在反復彎曲過程中,能吸收較多的彎曲應變能,阻止混合料SMA10的開裂。試驗結果表明,高彈改性瀝青混合料SMA10的疲勞性能同瀝青結合料的低溫延度和彈性恢復率具有較好的相關性。針對疲勞耐久性要求較高的工程,可優先采用高彈改性瀝青C。



結論

本文針對4種高彈改性瀝青混合料SMA10及高粘改性瀝青混合料SMA10展開研究,主要得出以下結論:

1)4種高彈改性瀝青混合料SMA10的低溫性能和疲勞性能顯著優于高粘改性瀝青混合料SMA10,而力學性能和高溫性能則略差于高粘改性瀝青混合料SMA10。

2)高彈改性瀝青混合料SMA10的路用性能與其結合料的性能密切相關。相同條件下,軟化點和高溫粘度越高的結合料,其混合料SMA10的力學性能和高溫性能越優異;低溫延度和彈性恢復率越大的結合料,其混合料SMA10的低溫性能和疲勞性能更佳。4種高彈改性瀝青與集料的粘附性良好,其混合料SMA10均表現出優異的水穩定性能。4種高彈改性瀝青混合料SMA10的性能各有優劣,可根據實體工程所在地的環境及設計要求進行材料選擇。

3)改性瀝青的性能不是單純地受結合料中某項技術指標的影響,是一個比較復雜的綜合影響的結果。因此,高彈改性瀝青的性能如何影響混合料SMA10的路用性能,還有待更多的試驗進一步驗證。


全文完 發布于《公路交通技術》202112

作者簡介, (1990-),,四川省成都市人,,工程師,主要從事道路材料及橋面鋪裝等方面的研究工作。




棱柱體小梁四點彎曲試驗是 2011 年交通部行業標準《公路工程瀝青及瀝青混合料規程》增加的評價瀝青混合料疲勞性能 和測量勁度模量的非常重要的試驗方法。該方法可以在DTS多功能動態試驗系統中進行,也可以使用單獨式系統,搭配 溫控環境箱進行試驗。尤其對于試驗任務量比較大的單位,因為疲勞試驗可能持續的時間比較長,幾小時到幾天、甚至幾周。 所以配備一套單獨式的瀝青混合料疲勞試驗系統是非常有必要的。

意大利matest-澳大利亞Pavetest氣動伺服四點彎曲疲勞試驗機 (4PB) 是采用數字控制高性能伺服閥,提供高達60Hz的準確加載波形的氣動伺服 試驗儀。四點彎曲疲勞試驗機可加載半正弦波和正弦波,受控應變或受控正弦應力控制模式,測試多種尺寸瀝青混合料小梁的彎 曲勁度/模量。


適用規范
▍AASHTO T 321 熱拌瀝青混合料重復彎曲疲勞壽命
▍ASTM D7460 熱拌瀝青混合料重復彎曲疲勞損傷
▍AG:PT/T233 & ASTM 03 熱拌瀝青混合料重復彎曲疲勞壽命
▍EN 12697-24 Annex D- 棱柱體試件的四點彎曲試驗
▍EN 12697-26 Annex B- 棱柱體試件的四點彎曲試驗 (4PB-PR)
▍T0739-2011 瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗


產品特點
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3.頂部夾緊塊的標志線,可幫助操作者在夾緊前橫向對中試 樣梁
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