膠結料組成對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中心，江蘇南京；2.蘇交科集團股份有限公司，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）為國內首座采用復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，尚未出現明顯病害，其應用效果遠超同期國內其他鋪裝方案[2]。

圖1 復合澆注式瀝青混凝土鋪裝結構

但該鋪裝方案中鋪裝下層所用直餾硬質瀝青與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口材料。一方面，由于進口材料普遍價格昂貴，不利于降低工程造價；另一方面，進口原材料質量不可按，工程質量按制難度大，尤其是澆注式瀝青混合料中所用的TLA 湖瀝青，其地瀝青、礦物質及有機質等含量隨開采部位等不同而發生波動，進而影響瀝青混合料的質量穩定性[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備成本，且額外的工序更增加了質量按制的難度，對于工程質量造成一定的潛在風險。

因此，基于國產瀝青類原材料技術的進步，開展國產材料對復合澆注式瀝青鋪裝方案的適用性研究，對于節約工程造價，減低工程質量按制難度等具有重要意義。

1 膠結料性能

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

表1 不同類型膠結料性能

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

2 膠結料組成對澆注式瀝青混合料動態模量的影響

參照DB 32/T 2678-2014《復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》中“澆注式瀝青混合料（GA-13）配合比設計方法”開展不同膠結料澆注式瀝青混合料配合比設計與制備。

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行動態模量測定，試驗條件見表2。

表2 動態模量試驗條件

不同膠結料制備的澆注式瀝青混合料動態模量主曲線見圖2。

圖2 不同膠結料GA-13 動態模量主曲線

由圖2 試驗結果可以看出：

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

（2） 對比采用國產30#+TLA 與采用進口30#+TLA 試驗結果可以看出，在較低頻率下，國產30#+TLA 組動態模量高于進口30#+TLA，與兩組膠結料軟化點及針入度試驗結果相吻合。隨著頻率的增加，兩者動態模量差距逐漸減小，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15#與采用進口30#+TLA 試驗結果可知，在所試驗的加載頻率范圍內，采用國產15#直餾硬質瀝青制備的澆注式瀝青混合料動態模量均顯著高于采用進口30#+TLA 組，體現出了更加優異的高溫穩定性。

3 膠結料組成對澆注式瀝青混合料級組合結構高溫性能影響

3.1 膠結料組成對澆注式瀝青混合料高溫性能的影響

本研究采用國標車轍試驗研究不同種類膠結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《復合澆注式瀝青鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》及以往工程經驗，為提高復合澆注式瀝青鋪裝層高溫穩定性能，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裹瀝青碎石后的動穩定度試驗，碎石壓入量為10 kg/m2，試驗結果見表3。

表3 不同膠結料GA-13 動穩定度

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

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

3.2 膠結料類型對組合結構高溫性能的影響

復合澆注式瀝青鋪裝方案高溫性能是國內澆注式瀝青鋼橋面鋪裝研究關注的重點，而單純測試GA-13 的高溫穩定性能無法準確反應鋪裝結構的高溫性能。鋪裝組合結構性能試驗是評價鋪裝結構性能的重要手段，針對鋪裝的具體使用條件，通過室內復合件試驗可以更加準確的反映鋪裝結構的性能。基于已建及在建工程中復合澆注式瀝青鋪裝方案各結構層厚度，確定本研究中組合結構形式為“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構動穩定度，試驗結果見表4。

表4 不同類型膠結料組合結構動穩定度

組合結構動穩定度試驗結果表明，采用國產15#直餾硬質瀝青與采用進口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構動穩定度處于相同水平，兩者無明顯差別。而采用國產30#+TLA 組別在所設定的試驗條件下組合結構動穩定度均高于進口30#+TLA 組別，尤其是壓入碎石后，國產30#+TLA 組別優勢更為明顯，其中60 ℃試驗溫度下較進口30#+TLA 提高約62%，65 ℃試驗溫度下較進口30#+TLA 提高約43%，具有更好抵抗車轍變形的能力。

4 結論

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

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

（3） 組合結構動穩定度試驗結果表明，采用國產15#直餾硬質瀝青與采用進口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構動穩定度處于相同水平，兩者無明顯差別。

（4） 采用國產30#+TLA 組別在60 ℃及65 ℃試驗條件下組合結構動穩定度均高于進口30#+TLA組別，尤其是壓入碎石后，國產30#+TLA 組別優勢更為明顯。

（5） 基于擺脫對進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15#直餾硬質瀝青替代進口30#直餾硬質瀝青摻配TLA 方案。