高強瀝青混凝土在養護維修的應用

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摘要：在車輛荷載和環境因素的綜合作用下，水泥混凝土橋面土鋪裝易出現車轍、坑槽等病害，影響行車質量和交通安全。為此，選擇SBS改性瀝青、高強瀝青及高強瀝青+0.3%玄武巖纖維三種瀝青膠結料，研究分析其作為水泥混凝土橋面鋪裝的性能。分別采用SCB低溫斷裂試驗及動態蠕變試驗，分析混合料的低溫抗裂性能及高溫抗車轍性能。試驗結果表明，高強瀝青+0.3%玄武巖纖維瀝青混合料的高低溫性能均較好，從而確定了王莊橋鋪裝結構方案。

關鍵詞：高強瀝青；玄武巖纖維；橋面鋪裝

由于水泥混凝土橋梁施工難度相對較低、原材料獲取容易，廣泛應用于中小跨徑橋梁建設中。瀝青混凝土鋪裝作為水泥混凝土橋梁主要的鋪裝類型，在使用過程中，受行車作用及環境因素的影響，易出現車轍、推移及擁包等病害。其中車轍病害的產生主要是因為瀝青膠結料高溫性能較差，進而導致瀝青混合料在高溫季節條件下，受荷載作用，產生不可恢復的變形，即為車轍。本文依托鎮江句容X104疏港公路王莊橋橋面鋪裝養護工程，該橋梁于2011年建成通車，全橋長696m，寬24.5m，橋梁上部結構為23跨30m預制預應力混凝土小箱梁，先簡支后結構連續。橋面縱坡為3%和-2.1%，原鋪裝層結構為6cm普通瀝青AC-20+4cm改性瀝青SMA-13瀝青混凝土。由于該橋縱坡大，通行的重載車輛多，運營3年后，橋面出現了嚴重的車轍，2015年對橋面10cm瀝青鋪裝層進行了銑刨與恢復，并在瀝青混合料內添加了抗車轍劑，兩年后，鋪裝層又出現了嚴重的車轍病害。為了提高該橋面瀝青混凝土鋪裝的抗車轍性能，本文通過室內試驗，對比研究SBS改性瀝青、高強瀝青及玄武巖纖維對瀝青混合料高低溫性能的影響，確定路用性能較好的瀝青混凝土鋪裝上面層設計方案，并將其應用于實體養護工程施工。

1原材料

試驗所用的高強瀝青、石灰巖、玄武巖集料及礦粉經檢測各項技術指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004）中的性能要求。

1.1瀝青

試驗選用的瀝青膠結料分為：SBS改性瀝青及高強瀝青，各項技術指標如表1所示。由表1可以看出，高強瀝青針入度小于SBS改性瀝青，且其60℃的動力黏度遠小于SBS改性瀝青，高強瀝青具有更加優異的抗永久變形能力，說明高強瀝青在實際路面溫度范圍內，表現出較好的高溫穩定性，對于改善甚至預防車轍病害有著積極的作用；此外，高強瀝青的針入度指數高于SBS改性瀝青，因此表現為更小的溫度敏感性。

1.2集料

瀝青混凝土鋪裝上面層選用AC-13結構，集料為玄武巖，下面層選用SUP-20，所用集料為石灰巖，玄武巖、石灰巖集料及礦粉，各項技術指標均滿足規范要求。其中AC-13及SUP-20混合料的礦料級配如表2、表3所示。

1.3玄武巖纖維

玄武巖纖維的性能檢測結果如表4所示。

2試驗方案為分析

SBS改性瀝青、高強瀝青及高強瀝青+0.3%玄武巖纖維三種膠結料（以下簡稱為A、B、C）對瀝青混合料性能的影響，進而確定性能較優的混合料設計方案，本文分別采用上述三種瀝青膠結料，首先確定各種瀝青對應的最佳油石比，并在最佳油石比用量下，進行瀝青混合料的常規性能檢測，包括浸水馬歇爾試驗、車轍試驗、真空保水凍融循環劈裂試驗；此外，結合SCB低溫斷裂試驗及動態蠕變試驗，評價混合料的低溫斷裂特性及高溫穩定性。首先根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004）中規定的馬歇爾設計方法，確定AC-13及SUP-20混合料對應三種膠結料時的最佳油石比，如表5所示。根據最佳油石比結果，可以發現高強瀝青與SBS改性瀝青油石比相當，添加玄武巖纖維的級配最佳油石比提高了0.2%。2.1SCB低溫斷裂試驗本文選用半圓彎曲斷裂試驗（SCB）評價不同的瀝青對混合料低溫斷裂特性的影響。首先需要利用Superpave旋轉壓實儀，成型直徑150mm，高度180mm的圓柱形試件，并按照50mm的厚度對圓柱形試件進行切割，切割后的半圓試件如圖1所示。試驗裝置采用三點加載的模式，半圓試件的底部選用兩個直徑為10mm的金屬圓棒作為下部支點，支點距離為0.8倍的試件直徑，本文中支點間距即為120mm，此時試件底部拉應力較大，且試件在支點處不會出現顯著的剪切破壞。上部支點為壓頭，加載速率為0.5mm/min，試驗過程中可記錄試件破壞的荷載及破壞應變。試驗之前，應將半圓試件置于-10℃的低溫箱中保溫4h，待溫度穩定后再進行試驗。2.2動態蠕變試驗本文利用UTM萬能試驗機進行混合料的動態蠕變試驗，試驗過程參照AASHTO及NCHRP中規定的重復加載永久變形試驗。加載力為0.7MPa，加載周期為1s，包括0.1s的半正弦加載段及0.9s的恢復段。由于夏季路面實際溫度可達60~70℃，因此，本文的動態蠕變試驗溫度設為62℃。試件尺寸為直徑100mm，高40mm的圓柱形試件。本文采用相同累計永久變形量對應的流變次數作為評價混合料高溫性能的指標。

3試驗結果

3.1混合料常規性能

分別測試SBS改性瀝青、高強瀝青及高強瀝青+0.3%玄武巖纖維AC-13混合料與SUP-20混合料的殘留穩定度、凍融劈裂強度及動穩定度，結果如表6所示。根據表6可以看出，三種膠結料對應的瀝青混合料的殘留穩定度較為接近，說明三種混合料在水穩定性能方面無顯著差異；而高強瀝青+0.3%玄武巖纖維的混合料凍融劈裂強度比顯著優于SBS改性瀝青及高強瀝青混合料，低溫抗裂性能較好，這主要是因為纖維的存在，增強了混合料之間的連接性，起到了加筋的作用。在高溫性能方面，SBS改性瀝青、高強瀝青及高強瀝青+0.3%玄武巖纖維三種混合料的動穩定度依次增大，說明三種混合料的高溫抗車轍性能逐漸增強。綜上，高強瀝青+0.3%玄武巖纖維瀝青混合料的高溫抗車轍性能及低溫抗裂性能均優于其余兩種混合料。

3.2SCB低溫斷裂試驗

根據低溫斷裂試驗結果，計算出AC-13及SUP-20混合料對應不同膠結料的試件抗彎拉強度、破壞應變如表7所示。可以看出，與SBS改性瀝青相比，高強瀝青的彎拉強度相對較大，但破壞時的變形量基本相似，說明高強瀝青對于提高混合料的抗裂性有一定的作用；高強瀝青+0.3%玄武巖纖維的彎拉強度和破壞應變均大于其他兩種混合料，且其跨中撓度也相對較大，說明該類型的混合料具有較強強度的同時，兼具一定的韌性，能防止瀝青混合料在低溫條件下出現脆性破壞。這一結果也與常規試驗中的凍融劈裂試驗的結果基本相似。

3.3動態蠕變試驗

三種混合料的動態蠕變試驗結果曲線如圖2~圖3所示。根據圖2~圖3中的混合料動態蠕變結果，可以發現高強瀝青+0.3%玄武巖纖維瀝青混合料的豎向累計永久變形要顯著小于高強瀝青及SBS改性瀝青；對于AC-13混合料，SBS改性瀝青混合料的累計應變最大，即此類瀝青混合料在相同的加載條件下產生的變形最大，說明SBS改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能劣于高強瀝青及高強瀝青+0.3%玄武巖纖維瀝青混合料。而SUP-20混合料的試驗結果與AC-13混合料呈現相似的規律，說明高強瀝青+0.3%玄武巖纖維瀝青混合料高溫性能較好。

4工程實施效果

4.1交通量分析

鎮江句容X104疏港公路王莊橋近四年交通量調查結果，如表8所示。根據表8可知，該橋的交通量較大，以貨車為主，尤其是大中型重載貨車，且隨著通車年限的增長，交通量增幅顯著，尤其是2018—2019年。因此，較大的重載交通量，對橋面鋪裝的抗變形性能，尤其是高溫天氣下的抗車轍性能提出了嚴苛的要求。

4.2車轍深度檢測

為研究高強瀝青混凝土在改善橋面鋪裝高溫性能的適用性，2018年11月對王莊橋進行了養護施工。通車效果理想，為檢測其抗車轍能力，于2020年10月27日，對王莊橋及南堍交叉口車轍進行測量，采用3m直尺人工測量。車轍深度檢測結果如表9所示。根據表9中的車轍深度檢測結果，通車近兩年，在重載貨車的作用下，橋面各位置的車轍深度均較小，大致分布于2~4mm。該結果表明，高強瀝青混凝土在高溫重載的作用下，其變形相對較小，表現出了較好的高溫穩定性，能夠滿足橋面鋪裝對材料高溫抗車轍性能的要求。

5結論

通過上述分析，可得出以下結論：（1）高強瀝青的溫度敏感性優于SBS改性瀝青，具有較好的高溫穩定性及良好的抗變形能力，高強瀝青PG分級可以達到PG82-22。（2）高強瀝青+0.3%玄武巖纖維瀝青混合料的高溫抗車轍性能及低溫抗裂性能均優于高強瀝青及SBS改性瀝青混合料，添加玄武巖纖維可以提高瀝青混合料高低溫性能約10%~15%。因此，該類型的瀝青混合料對于改善橋面鋪裝的抗車轍性能有著積極的作用。（3）由于高強瀝青+0.3%玄武巖纖維AC-13混合料性能較好，因此將其作為本次句容王莊橋養護維修工程橋面鋪裝結構的上面層，并以SUP-20混合料作為鋪裝結構下面層；鋪裝結構與水泥橋面之間選用水性環氧作為黏結層，保證良好的滲透性及黏結性能。綜上，句容王莊橋養護維修工程選用的橋面鋪裝結構為：水性環氧黏結層+6cmSUP-20+4cmAC-13。（4）方案實施后，經過兩年多跟蹤觀測，路用性能良好，后期將繼續跟蹤觀測。

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作者：王玉蓉 楊正軍 李小鵬 單位：句容市公路管理處 南京道潤交通科技有限公司