聚合物复合改性沥青种类对浇注式沥青混合料GA10性能的影响

刘攀， 盛兴跃， 郝增恒， 李凯， 李璐， 全弘彬

(1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司， 重庆市 401336； 2.重庆交通大学， 重庆市 400074)

浇注式沥青混合料不同于普通热拌沥青混合料，其拌和温度高，拌和时间长，沥青结合料和矿粉含量较大，流动性好，无须碾压，依靠自身的流动性即可摊铺，这是其最显著的特征，同时其空隙率几乎为零。浇注式沥青混合料的上述特点决定其具有优异的防水性能、抗开裂性能和与钢板的追从性能[1-4]。由于其优异的使用性能，在中国被广泛用于钢桥面铺装下面层，目前浇注式沥青混合料铺装体系已成为中国大跨径钢桥面应用规模最大的铺装方案[5-7]。

用于浇注式沥青混合料的结合料主要包括聚合物复合改性沥青、天然沥青复合改性沥青及改性硬质沥青等[2,8-12]。沥青结合料对其性能有决定性影响，一方面沥青结合料需要具有较高的黏度保证混合料的高温性能，但黏度过大又会影响其施工和易性。因此，选择沥青结合料要综合考虑各方面性能。在中国，早期常采用SBS改性沥青与温度敏感性极低及耐久性较好的湖沥青复配制备浇注式沥青混合料的结合料(湖沥青复合改性沥青)，并得到大量工程应用，如上海东海大桥、上海长江大桥、重庆朝天门大桥等[13-14]。然而由于湖沥青需进口，价格昂贵且质量不够稳定，因此，中国相关科研机构开发出了浇注式沥青混合料专用聚合物复合改性沥青来代替湖沥青复合改性沥青，取得了良好的效果。目前中国大跨径钢桥面铺装浇注式沥青混合料多采用聚合物复合改性沥青，如武汉杨泗港长江大桥、舟山秀山大桥、武汉沌口长江大桥、云南龙江特大桥、重庆寸滩长江大桥等重大重点工程[6,15]。

该文选择4种自主研发的聚合物复合改性沥青，在相同工况下成型浇注式沥青混合料，评价其混合料的流动性、高温稳定性、低温弯曲性能以及疲劳性能，得出其性能优劣，并分析聚合物复合改性沥青的常规性能与浇注式沥青混合料路用性能的联系，为后续工程应用中混合料的选择以及沥青结合料的性能改善提供参考依据。

1 试验部分

1.1 原材料选择

选择4种聚合物复合改性沥青(分别记为改性沥青A、B、C和D)和湖沥青复合改性沥青(记为改性沥青E)，其技术要求及检测结果见表1。采用性能指标符合规范的玄武岩集料和石灰石矿粉(重庆某石料厂)，具体性能指标见表2～4。

表1 改性沥青技术指标检测结果

表2 粗集料技术指标检测结果

表3 细集料技术指标检测结果

表4 矿粉技术指标检测结果

从表1可以看出：聚合物复合改性沥青的综合性能明显优于湖沥青复合改性沥青。4种聚合物复合改性沥青的技术指标不尽相同，其中改性沥青A具有最大的软化点和旋转黏度，改性沥青D具有最大的延度和弹性恢复率，改性沥青B的针入度最大，而改性沥青C的各项技术指标居中。

1.2 级配及最佳油石比确定

根据经验，浇注式沥青混合料的集料级配设计原则是尽量接近级配范围的中值，按照集料以及矿粉的筛分结果进行级配拟合，结果见表5。聚合物复合改性沥青油石比均为7.9%，湖沥青复合改性沥青油石比为8.5%。

表5 GA10设计级配

1.3 试验方法

在相同条件下，成型5种浇注式沥青混合料GA10，按照规范要求，评价浇注式沥青混合料GA10的流动性、高低温性能和疲劳性能等。

2 结果与讨论

2.1 流动性

浇注式沥青混合料的流动性主要用于评价其工作和易性。进行刘埃尔流动度试验评价GA10的流动性，拌和温度为230 ℃、235 ℃和240 ℃，试验结果见表6。

表6 GA10流动性试验结果

由表6可见：① 5种浇注式沥青混合料的流动性均能满足施工技术要求，且相同拌和温度下，聚合物复合改性沥青GA10的流动性优于湖沥青复合改性沥青GA10，这是因为湖沥青中矿物质含量较高，实际有效沥青含量低于聚合物复合改性沥青GA10。拌和温度能显著影响浇注式沥青混合料的流动性，一定范围内，拌和温度越高，混合料的流动性越好；② 在相同条件下，GA10-D的流动性优于GA10-C、GA10-B和GA10-A。聚合物复合改性沥青D的高温黏度较小，在拌和温度、矿料级配及油石比相同的情况下，其混合料具有更佳的工作和易性。因此，聚合物复合改性沥青GA10的流动性同沥青结合料的高温黏度息息相关。

2.2 高温稳定性

2.2.1 静态贯入度试验

贯入度反映的是浇注式沥青混合料在静载作用下的高温抗变形性能[16]。进行贯入度试验评价GA10的高温稳定性，试验温度采用40 ℃、60 ℃和70 ℃，分别为国外规范标准、中国国内规范标准和钢桥面铺装可能出现的最高温度，试验结果见表7。

表7 GA10静态贯入度试验结果

由表7可以看出：聚合物复合改性沥青GA10和湖沥青复合改性沥青GA10均具有优异的高温稳定性。温度对浇注式沥青混合料的高温稳定性影响显著，随着温度的升高，贯入度值及其增量值随之增大。当温度为60～70 ℃时，聚合物复合改性沥青GA10贯入度变化变缓，受温度的影响程度小于湖沥青复合改性沥青GA10。在相同温度下，4种聚合物复合改性沥青GA10的贯入度大小顺序为：GA10-D>GA10-C>GA10-B>GA10-A。

2.2.2 动态贯入度试验

按照德国TPA-StB《路用沥青混合料测试技术规范》进行动态贯入度试验[9]，试验温度为60 ℃，试验结果见表8。

由表8可以看出：5种浇注式沥青混合料GA10的动态贯入度试验结果与静态贯入度试验结果类似。

表8 GA10动态贯入度试验结果

2.2.3 车辙试验

为了进一步分析浇注式沥青混合料GA10的高温变形情况，对其进行车辙试验，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，试验结果见表9。

表9 GA10车辙试验结果

从表9可以看出：5种浇注式沥青混合料GA10的动稳定度大小顺序为：GA10-A>GA10-B>GA10-E>GA10-C>GA10-D，车辙深度近乎相反。车辙试验结果也表明了浇注式沥青混合料A具有最佳的高温性能。

综上所述，相同条件下，GA10-A的高温性能优于GA10-B、GA10-C和GA10-D。聚合物复合改性沥青A的软化点和高温黏度高于聚合物复合改性沥青B、C和D，这表明聚合物复合改性沥青的高温性能很大程度受沥青结合料软化点和高温黏度的影响。

2.3 低温抗裂性

抗弯应变可以反映浇注式沥青混合料在低温时抵抗变形的能力。进行低温弯曲试验评价GA10的低温抗裂性，试件尺寸为300 mm×100 mm×50 mm，试验温度为-10 ℃，试验结果见表10。

表10 GA10低温三点弯曲试验结果

从表10可以看出：湖沥青复合改性沥青作为结合料，因其低温延度较差，引起混合料低温弯曲性能也相对较差。采用聚合物复合改性沥青作为沥青结合料，可有效提高浇注式沥青混合料的低温抗变形能力，体现出聚合物复合改性沥青GA10低温性能的优越性。5种浇注式沥青混合料GA10的弯拉应变大小顺序为：GA10-D>GA10-C>GA10-B>GA10-A>GA10-E，与沥青结合料的低温延度大小顺序大致相同。聚合物复合改性沥青GA10的低温抗裂性同沥青结合料的低温延度具有较好的相关性。

2.4 疲劳性能

疲劳次数可以作为浇注式沥青混合料疲劳性能的评价指标。进行四点小梁弯曲疲劳试验评价GA10的疲劳性能，试验采取600 με和800 με微应变水平，试验温度为15 ℃，初始劲度模量取第100个加载循环时的劲度模量，试验结果见表11。

表11 GA10四点小梁弯曲疲劳试验结果

从表11可以看出：劲度模量是混合料疲劳性能的重要影响因素，600 με微应变条件下，5种浇注式沥青混合料初始劲度模量依次为：GA10-E>GA10-A>GA10-B>GA10-C>GA10-D。研究表明[17]：初始劲度模量和沥青结合料的低温黏度相关，结合料低温黏度越高，其混合料的初始劲度模量则越大。

600 με微应变条件下，4种聚合物复合改性沥青GA10的疲劳次数均超过200万次，而湖沥青复合改性沥青GA10的疲劳次数仅为32.5万次。800 με微应变条件下，4种聚合物复合改性沥青GA10的疲劳次数大小顺序为：GA10-D>GA10-C>GA10-B>GA10-A。浇注式沥青混合料的疲劳性能与沥青结合料的低温延度具有重要的相关性。低温延度和弹性恢复率越高的沥青结合料，其混合料在反复弯曲过程中，能吸收更多的弯曲应变能，其疲劳性能越好。

3 结论

(1) 聚合物复合改性沥青具有比湖沥青复合改性沥青更优异的综合性能，4种聚合物复合改性沥青的性能各有优劣。

(2) 5种浇注式沥青混合料的流动性均能满足施工要求，聚合物复合改性沥青GA10的低温性能和疲劳性能均显著优于湖沥青复合改性沥青GA10，高温性能则基本相当。

(3) 聚合物复合改性沥青GA10的路用性能与其沥青结合料的性能息息相关，相同条件下，软化点和高温黏度越高的结合料，其混合料的高温性能越优异，而工作和易性则较差；低温延度和弹性恢复率越高的结合料，其混合料的低温性能和疲劳性能更佳。

(4) 浇注式沥青混合料的性能不是单纯地受结合料某一两项技术指标的影响，是一个比较复杂的综合影响结果。因此，结合料的性能如何影响浇注式沥青混合料的路用性能，还有待更多的试验进一步验证。实体钢桥面铺装工程中，应根据工程特点、服役环境及设计文件等因素选择合适的聚合物复合改性沥青。