胶结料组成对PGA AC高温性能的影响研究.pdf

2023.24 科学技术创新胶结料组成对 PGA+AC 高温性能的影响研究朱银虎1，曹健2，3*（1.南京市公共工程建设中心，江苏 南京；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京；3.新型道路材料国家工程研究中心，江苏 南京）引言南京栖霞山长江大桥（原南京长江第四大桥）为国内首座采用复合浇注式沥青铺装方案（即 PGA+AC“浇注式沥青混凝土铺装下层+高弹改性沥青密级配混凝土铺装上层”，其铺装方案见图 1）的大跨径悬索桥1。自 2012 年建成通车至今，服役近 11 年，尚未出现明显病害，其应用效果远超同期国内其他铺装方案2。但该铺装方案中铺装下层所用直馏硬质沥青与TLA 湖沥青，以及铺装上层所用高弹改性沥青等沥青类原材料均采用进口材料。一方面，由于进口材料普遍价格昂贵，不利于降低工程造价；另一方面，进口原材料质量不可控，工程质量控制难度大，尤其是浇注式沥青混合料中所用的 TLA 湖沥青，其地沥青、矿物质及有机质等含量随开采部位等不同而发生波动，进而影响沥青混合料的质量稳定性3-4；再者，采用 TLA湖沥青制备浇注式沥青混合料时需要对 TLA 进行人工/机械脱桶、破碎、称量、人工添加等，不仅增加额外的人力成本与机械设备成本，且额外的工序更增加了质量控制的难度，对于工程质量造成一定的潜在风险。因此，基于国产沥青类原材料技术的进步，开展国产材料对复合浇注式沥青铺装方案的适用性研究，对于节约工程造价，减低工程质量控制难度等具有重要意义。图 1复合浇注式沥青混凝土铺装结构1胶结料性能本研究主要采用进口 30#直馏硬沥青掺配湖沥作者简介院朱银虎（1986-），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：公路桥梁施工管理。通讯作者：曹健（1989-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：主要从事沥青路面与钢桥面铺装技术研究。摘要院为研究不同胶结料组成对复合浇注式沥青钢桥面铺装性能的影响及国产材料对复合浇注式沥青铺装方案的适用性，本研究基于室内试验分别开展了不同胶结料组成对浇注式沥青混合料动态模量与动稳定度及组合结构动稳定度的影响研究，研究结果表明，在较低加载频率下，采用国产 30#+TLA 组别动态模量高于进口 30#+TLA，且随着加载频率的增加，两者动态模量差距逐渐减小，而国产 15#组别动态模量在试验频率下显著高于进口 30#+TLA 组别。本研究成果为掌握胶结料组成对复合浇注式沥青钢桥面铺装性能的影响规律以及该铺装方案的国产化研究奠定了基础。关键词：钢桥面铺装；复合浇注式；胶结料组成；动态模量；动稳定度中图分类号院U443.33文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤24-0153-04153-科学技术创新 2023.24青（简称“进口 30#+TLA”）、国产 30#直馏硬沥青掺配湖沥青（简称“国产 30#+TLA”）以及国产 15#直馏硬质沥青（简称“国产 15#”）制备浇注式沥青混合料 GA-13，以开展相关性能研究。各类型胶结料性能见表 1。表 1不同类型胶结料性能由试验结果可知，国产 30#+TLA 的软化点略低于进口 30#+TLA，针入度略高于进口 30#+TLA，表明其高温性能略低于进口 30#+TLA；国产 15#沥青软化点较进口 30#+TLA 提高约 6%，而针入度降低 27%，体现出了更加优异的高温性能。国产 30#+TLA 及国产15#沥青 25 益延度均显著高于进口 30#+TLA，表现出更加优异的变形性能。2胶结料组成对浇注式沥青混合料动态模量的影响参照 DB 32/T 2678-2014 复合浇注式沥青钢桥面铺装设计与施工技术规范 中“浇注式沥青混合料（GA-13）配合比设计方法”开展不同胶结料浇注式沥青混合料配合比设计与制备。基于所制备的浇注式沥青混合料，在恒温条件下，利用 Superpave 简单性能试验机(SPT)圆柱体试件进行正弦振动加载，对不同试验温度和加载频率的沥青混合料进行动态模量测定，试验条件见表 2。表 2动态模量试验条件不同胶结料制备的浇注式沥青混合料动态模量主曲线见图 2。由图 2 试验结果可以看出：（1）采用三种沥青胶结料制备的浇注式沥青混合料，其动态模量均随着加载频率的降低而显著减小，对应于实体工程而言，行车速度越低，浇注式沥青铺装层动态模量越低，铺装层发生高温车辙病害的风险越高。因此，对于低速行驶工况下的复合浇注式沥青钢桥面铺装层，尤其应重点关注其高温稳定性。（2）对比采用国产 30#+TLA 与采用进口 30#+TLA 试验结果可以看出，在较低频率下，国产 30#+TLA 组动态模量高于进口 30#+TLA，与两组胶结料软化点及针入度试验结果相吻合。随着频率的增加，两者动态模量差距逐渐减小，表明随着加载频率的增加，两组混合料性能接近。（3）对比采用国产 15#与采用进口 30#+TLA 试验结果可知，在所试验的加载频率范围内，采用国产15#直馏硬质沥青制备的浇注式沥青混合料动态模量均显著高于采用进口 30#+TLA 组，体现出了更加优异的高温稳定性。3胶结料组成对浇注式沥青混合料级组合结构高温性能影响3.1胶结料组成对浇注式沥青混合料高温性能的影响本研究采用国标车辙试验研究不同种类胶结料浇注式沥青混合料的高温性能，试验温度分别为 60益和 65 益，试验轮胎压强为 0.707 MPa。此外，根据复合浇注式沥青钢桥面铺装设计与施工技术规检测结果 检测指标 单位 进口30#+TLA 国产30#+TLA 国产 15#软化点 TR&B 63.8 61 67.5 针入度(25,100 g,5 s)0.1 mm 20.6 25 15 延度(25)cm 15.3 58 55 闪点 294 281 328 密度 g/cm3 1.122 1.121 1.07 参数 参数设定 温度 5、15、25、40、55 加载 频率 25 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1 Hz 试件 尺寸（150100）mm 加载 形式 应力控制，正弦加载模式 图 2不同胶结料 GA-13 动态模量主曲线154-2023.24 科学技术创新范 及以往工程经验，为提高复合浇注式沥青铺装层高温稳定性能，施工时在浇注式沥青混凝土铺装层表面压入粒径为 13.2 mm19 mm 的玄武岩预裹沥青碎石3-4。因此，本研究分别开展未压入碎石及压入预裹沥青碎石后的动稳定度试验，碎石压入量为 10kg/m2，试验结果见表 3。表 3不同胶结料 GA-13 动稳定度由表 3 试验结果可知，在 60 益及 65 益试验条件下，采用国产 30#+TLA 与国产 15#沥青制备的试件，其动稳定度接近，尤其是压入碎石后，两组试验结果无明显差别，且两组试验结果均高于进口 30#+TLA 组别，表现出更加优异的抗车辙性能。从摆脱对进口材料的依赖以及简化混合料生产工艺等方面考虑，可以采用国产 15#沥青替代进口 30#+TLA 及国产 30#+TLA。此外，对比三组试验未压入碎石及压入碎石试验结果发现，在浇注式沥青混合料 GA-13 中压入预裹沥青碎石，可以显著改善浇注式沥青混凝土层的高温稳定性能，对于降低铺装层发生高温病害的风险，延长铺装层使用寿命具有重要意义。3.2胶结料类型对组合结构高温性能的影响复合浇注式沥青铺装方案高温性能是国内浇注式沥青钢桥面铺装研究关注的重点，而单纯测试GA-13 的高温稳定性能无法准确反应铺装结构的高温性能。铺装组合结构性能试验是评价铺装结构性能的重要手段，针对铺装的具体使用条件，通过室内复合件试验可以更加准确的反映铺装结构的性能。基于已建及在建工程中复合浇注式沥青铺装方案各结构层厚度，确定本研究中组合结构形式为“4 cmGA-13+3.5 cmAC-13”。分别研究 60 益及65 益试验温度下未压入碎石及压入碎石组合结构动稳定度，试验结果见表 4。组合结构动稳定度试验结果表明，采用国产 15#直馏硬质沥青与采用进口 30#+TLA 组别在 60 益试验温度下未压入碎石、60 益试验温度下压入碎石以及 65 益试验温度下压入碎石的组合结构动稳定度处于相同水平，两者无明显差别。而采用国产 30#+TLA 组别在所设定的试验条件下组合结构动稳定度均高于进口 30#+TLA 组别，尤其是压入碎石后，国产30#+TLA 组别优势更为明显，其中 60 益试验温度下较进口 30#+TLA 提高约 62%，65 益试验温度下较进口 30#+TLA 提高约 43%，具有更好抵抗车辙变形的能力。4结论（1）动态模量试验结果表明，在较低加载频率下，采用国产 30#+TLA 制备的 GA-13 混合料动态模量高于进口 30#+TLA，随着加载频率的增加，两者动态模量差距逐渐减小。在所试验的加载频率范围内，采用国产 15#直馏硬质沥青制备的 GA-13 动态模量均显著高于采用进口 30#+TLA 组别。（2）在 60 益及 65 益试验条件下，采用国产30#+TLA 与国产 15#沥青制备的 GA-13 试件，其动稳定度接近，尤其是压入碎石后，两组试验结果无明显差别，且两组试验结果均高于进口 30#+TLA 组别。（3）组合结构动稳定度试验结果表明，采用国产 15#直馏硬质沥青与采用进口 30#+TLA 组别在 60益试验温度下未压入碎石、60 益试验温度下压入碎石以及 65 益试验温度下压入碎石的组合结构动稳定度处于相同水平，两者无明显差别。（4）采用国产 30#+TLA 组别在 60 益及 65 益试验条件下组合结构动稳定度均高于进口 30#+TLA组别，尤其是压入碎石后，国产 30#+TLA 组别优势更为明显。动稳定度（次/mm）试验温度（）压入碎石量（kg/m2）进口30#+TLA 国产30#+TLA 国产 15#0 464 590 536 60 10 793 1 180 1 113 0 360 390 421 65 10 639 895 904 动稳定度（次/mm）结构组合形式 试验温度（）压入碎石量（kg/m2）进口30#+TLA 国产30#+TLA 国产15#0 1 198 1 313 1 132 60 10 2 955 4 793 3 126 0/835 4 cmGA-13+3.5 cmAC-13 65 10 1 764 2 527 1 627 表 4不同类型胶结料组合结构动稳定度155-科学技术创新 2023.24Study on the Influence of BinderComposition on the High TemperaturePerformance of PGA+ACZhu Yinhu1,Cao Jian2,3*(1.Nanjing Public Engineering Construction Center,Nanjing,China;2.JSTI Group,Nanjing,China;3.National Engineering Research Center of Advanced Road Materials,Nanjing,China)Abstract：In order to study the effects of different cementing composition on the pavement performance of thecomposite cast asphalt steel bridge deck and the applicability of domestic materials to the composite cast asphaltpavement scheme,this paper carried out a study on the effects of different cementing composition on the dynamicmodulus and dynamic stability of the cast asphalt mixture and the dynamic stability of the combined structure basedon laboratory tests.The research results show that,at a lower loading frequency,The dynamic modulus of the do原mestic 30#+TLA group is higher than that of the imported 30#+TLA group,and the gap between the two dynamicmoduli gradually decreases with the increase of loading frequency,while the dynamic modulus of the domestic 15#group is significantly higher than that of the imported 30#+TLA group at the test frequency.The research results ofthis paper lay a foundation for understanding the influence of cement composition on the pavement performance ofcomposite cast asphalt steel bridge deck and the study of the localization of the pavement scheme.Key words：Steel Deck Pavement;Composite Gussasphalt;Composition of Asphalt Binder;Dynamic Modulus;Dynamic Stability（5）基于摆脱对进口材料的依赖及简化浇注式沥青混合料制备工艺考虑，可以采用国产 15#直馏硬质沥青替代进口 30#直馏硬质沥青掺配 TLA 方案。参考文献1曹健,张可强,吴钊.复合浇注式沥青钢桥面铺装车辙病害层位分布特性研究J.公路,2022,67(7):28-32.2朱文白,曹健,李金桥.复合浇注式沥青钢桥面铺装长期性能观测与路用性能演变规律研究 J.中外公路,2021,41(6):124-129.3李金桥,纵瑾瑜.复合浇注式沥青钢桥面铺装技术状况评价研究J.上海公路,2020(4):9-13.4吴钊.国产材料复合浇注式沥青钢桥面铺装在市政工程中的应用研究C.首届钢桥面铺装技术研讨会论文集,2018:110-120.156-