張艷君， 趙文忠， 王 鵬， 張 超，賈曉鵬，王向平，趙立東

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院,北京 100088;2.河北曲港高速公路開發(fā)有限公司,河北 定州 073000;3.中路高科(北京)公路技術(shù)有限公司,北京 100088)

目前國內(nèi)外常用的橋面鋪裝材料有環(huán)氧瀝青混凝土、澆筑式瀝青混凝土等，實踐證明它們具有良好的使用效果，但也存在造價高、施工難度大等缺點。熱壓式瀝青混凝土HRA(Hot Rolled Asphalt)是一種起源于英國的新型鋪裝材料，施工時首先在攤鋪預(yù)壓的瀝青混凝土嵌入層上撒布預(yù)拌瀝青碎石，再經(jīng)過機具碾壓最終形成鋪裝結(jié)構(gòu)層[1]，因此它又被稱為“嵌壓式”瀝青混凝土。由于其表面豐富的構(gòu)造深度，在英國、日本等國主要用于修筑瀝青路面抗滑表層。研究表明，熱壓式瀝青混凝土嵌入層屬于典型的懸浮-密實結(jié)構(gòu)，混合料特殊的級配和高瀝青含量賦予其良好的密水性、變形協(xié)調(diào)性和疲勞耐久性，因此熱壓式瀝青混凝土能較好滿足橋面鋪裝的性能需求。目前熱壓式瀝青混凝土在國內(nèi)外橋面鋪裝工程中的應(yīng)用很少，我國還沒有形成可直接參考使用的標準和規(guī)范。在考慮我國橋面鋪裝實際使用情況下，對熱壓式瀝青混凝土提出相關(guān)技術(shù)指標要求，在此基礎(chǔ)上對混合料原材料、礦料級配和油石比展開設(shè)計，并對設(shè)計得到的熱壓式瀝青混凝土進行路用性能驗證。

1 混凝土設(shè)計

1.1 原材料設(shè)計

1.1.1瀝青

由于混合料中細集料的干涉作用致使粗集料間無法嵌擠形成骨架，熱壓式瀝青混凝土主要由瀝青、細集料和礦粉等形成的瀝青砂漿作為主體結(jié)構(gòu)承受外部作用[2]，因此瀝青膠結(jié)料的基本性能對混合料的路用性能有較大影響。為了使橋面鋪裝具有較強的高溫抗車轍能力，對熱壓式瀝青混合料所用瀝青膠結(jié)料的耐高溫性能提出較高要求。由于橋面板剛度有限，熱壓式瀝青混凝土還需要具備良好的變形能力來協(xié)從橋面板發(fā)生變形，因此對瀝青膠結(jié)料，尤其在低溫條件下的變形能力提出一定要求。總體上，基質(zhì)瀝青或普通改性瀝青難以滿足橋面鋪裝實際需求，因此采用對基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性的方法設(shè)計熱壓式瀝青混凝土專用改性瀝青。具體制備方法為首先向埃索70#基質(zhì)瀝青中加入適量SBS改性劑制備SBS改性瀝青，再向其中摻入定量專用改性劑HRA得到專用改性瀝青，其中埃索70#基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青及專用改性瀝青的技術(shù)指標如表1所示。

表1 瀝青改性前后技術(shù)指標Table 1 Technical indicators before and after asphalt modification試驗項目針入度/(0.1 mm)延度(5 cm/min)/cm軟化點/℃60 ℃動力粘度/(Pa·s)TOFT后殘留物質(zhì)量損失/%25 ℃ 針入度比/%延度(5 cm/min)/cm埃索70#基質(zhì)瀝青65>100(15℃)49.5>180-0.6 77>6(10℃)試驗結(jié)果SBS改性瀝青52 27(5℃)8825 432 -0.318319(5℃)專用改性瀝青43 40(5℃)1051 239 603 -0.038528(5℃)專用改性瀝青技術(shù)要求40～60≥30≥90≥100 000 ≤±1.0≥68 ≥20 注: 參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004),基質(zhì)瀝青和改性瀝青延度測試時試驗溫度有所差異,具體試驗溫度備注在試驗結(jié)果后的括號內(nèi)。

試驗結(jié)果表明，在埃索70#基質(zhì)瀝青中摻入適量SBS改性劑后瀝青各項指標明顯改善，但仍然難以適應(yīng)橋面鋪裝復(fù)雜的工作狀況。在SBS改性瀝青中摻入適量熱壓式瀝青混合料專用改性劑HRA后，熔融的HRA均勻分散在瀝青膠結(jié)料中強化材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得延度、軟化點和動力粘度均有顯著提升，復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出良好的耐熱性和低溫變形能力，且其他指標均滿足使用要求，因此將同時摻入SBS和HRA制備的復(fù)合改性瀝青作為熱壓式瀝青混凝土專用改性瀝青。

1.1.2礦料

參考我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中對礦料的基本要求，本項目選用產(chǎn)自河北曲陽的礦料進行試驗研究，其中粗集料為玄武巖碎石，細集料采用石灰?guī)r機制砂，礦粉由石灰?guī)r磨細制成。按照現(xiàn)行公路工程集料試驗規(guī)程的要求對粗集料、細集料和礦粉取樣進行性能測試，試驗結(jié)果表明，礦料均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

1.1.3纖維穩(wěn)定劑

纖維穩(wěn)定劑除了能有效防止混合料出現(xiàn)析漏外，其本身具有良好的抗拉強度，均勻分散在瀝青混合料中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予混合料良好的力學(xué)強度和變形能力。本項目采用實驗室現(xiàn)有的高強聚酯纖維對熱壓式瀝青混凝土的高溫抗車轍、變形協(xié)調(diào)等路用性能加以改善。按規(guī)范要求對聚酯纖維取樣進行性能測試，結(jié)果顯示其滿足使用要求。

1.2 級配設(shè)計

我國目前尚未有熱壓式瀝青混凝土相關(guān)技術(shù)規(guī)范，為了確定橋面鋪裝用熱壓式瀝青混凝土的最優(yōu)級配，在英國標準BS 594推薦級配范圍的基礎(chǔ)上[3]，通過線性內(nèi)插及圓孔篩和方孔篩之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系得到滿足我國篩孔孔徑要求的級配范圍。由于我國橋面鋪裝單層鋪裝厚度一般在3～5 cm左右，考慮結(jié)構(gòu)厚度與混合料公稱最大粒徑的匹配性，以熱壓式瀝青混凝土HRA-13為例進行相關(guān)研究，換算后的HRA-13級配范圍如表2所示。

表2 英國規(guī)范換算后的HRA-13級配范圍Table 2 British standard converted HRA-13 grading range篩孔尺寸/mm篩孔通過率/%上限下限1610010013.2100909.587604.7566592.3651581.1835520.627460.321230.1516110.075108

上述熱壓式瀝青混合料級配范圍是依據(jù)英國溫暖濕潤的氣候特點和輕交通荷載條件確定，若直接采用該級配進行混合料設(shè)計，熱壓式瀝青混凝土橋面鋪裝將難以適應(yīng)我國高溫重載的工作環(huán)境，從而出現(xiàn)嚴重的車轍病害。為提高混合料抗車轍破壞能力，在級配范圍中選取多組級配成型混合料，建立動穩(wěn)定度與各篩孔通過率間的多元線性回歸關(guān)系，在滿足橋面鋪裝高溫穩(wěn)定性前提下對關(guān)聯(lián)篩孔通過率進行調(diào)整。綜合課題組前期研究成果，最終提出適用于橋面鋪裝的HRA-13級配范圍，見表3。

表3 HRA-13推薦級配范圍Table 3 HRA-13 recommended grading range篩孔尺寸/mm篩孔通過率/%上限下限1610010013.2100909.587714.7566522.3654371.1835250.627180.321120.151680.075106

在HRA-13推薦級配范圍中選擇3組粗細不同的級配，采用6.0%專用改性瀝青，0.15%高強聚酯纖維拌制熱壓式瀝青混合料并成型馬歇爾試件，測試試件的體積和力學(xué)指標如表4所示。

表4 HRA-13馬歇爾試件體積和力學(xué)指標Table 4 HRA-13 Marshall specimen volume and me-chanical index試驗項目空隙率VV/%礦料間隙率VMA/%瀝青飽和度VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mm級配13.315.077.814.35.2級配類型級配23.013.984.713.95.5級配32.913.679.114.35.1技術(shù)要求①1.0～3.0——≥10 4.0～6.0注:①表4及下文各表中提出的相關(guān)技術(shù)要求是在參考《公路鋼橋面設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范》(送審稿)中有關(guān)改性瀝青混凝土性能要求后,綜合考慮工程實際需求、熱壓式瀝青混凝土材料特點等因素得到。

為了避免橋面板受到下滲雨水的侵蝕破壞，可適當降低熱壓式瀝青混合料的空隙率。由于級配3成型的熱壓式瀝青混合料空隙率最小，且力學(xué)強度等指標均滿足相關(guān)技術(shù)要求，因此選擇級配3作為熱壓式瀝青混凝土HRA-13的最優(yōu)級配，具體級配組成如表5所示。

表5 熱壓式瀝青混凝土HRA-13最優(yōu)級配Table 5 HRA-13 optimal grading篩孔尺寸/mm通過率/%篩孔尺寸/mm通過率/%16100 1.1830.213.298.5 0.621.19.582.7 0.315.04.7561.4 0.1512.32.3649.2 0.07510.6

1.3 油石比設(shè)計

對于熱壓式瀝青混凝土最佳油石比的確定，英國規(guī)范采用馬歇爾設(shè)計法，設(shè)計流程與我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中規(guī)定的大體相同，但在確定最佳油石比時將合成礦料密度CDMA、毛體積密度和穩(wěn)定度等作為主要控制指標。劉勇[4]認為采用CDMA作為控制指標的馬歇爾法與我國規(guī)范中的馬歇爾法確定的最佳油石比結(jié)果基本一致，由于我國馬歇爾法操作簡單且技術(shù)成熟，因此本研究仍采用我國常規(guī)方法確定熱壓式瀝青混凝土最佳油石比。為了確保熱壓式瀝青混凝土設(shè)計可靠性和使用耐久性，在確定最佳油石比時，同時引入熱壓式瀝青混合料高低溫性能作為輔助控制指標。

從表5熱壓式瀝青混凝土HRA-13最優(yōu)級配可知，集料2.36 mm篩孔的通過率為49.2%，其中礦粉含量高達10.6%。級配中細集料和礦粉的占比大即礦料的比表面積大，導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料用量顯著提高。英國BS 594規(guī)范中推薦的HRA-13油石比應(yīng)不小于7%，考慮到兩國氣候條件和交通狀況的差異性，初擬6.0%油石比進行最佳油石比設(shè)計。采用上述HRA-13最優(yōu)級配在五組不同的油石比下成型試件，馬歇爾試件體積和力學(xué)指標如表6所示，熱壓式瀝青混合料高低溫性能試驗結(jié)果如圖1所示。

參照我國規(guī)范中馬歇爾法設(shè)計流程[5]，在滿足全部體積和力學(xué)指標下得到OACmax=7.0%，OACmin=6.1%。如圖1所示，熱壓式瀝青混合料在同時滿足動穩(wěn)定度大于4 000次/mm,低溫彎曲應(yīng)變大于3 500 με下油石比范圍為5.4%～6.3%。在馬歇爾法設(shè)計過程中引入高低溫性能指標，油石比范圍縮小至6.1%～6.3%，此時OAC1=6.1%，OAC2=6.3%，取OAC1和OAC2兩者平均值得到熱壓式瀝青混合料最佳油石比OAC=6.2%。

表6 不同油石比下HRA-13馬歇爾試件試驗結(jié)果Table 6 Test results of HRA-13 Marshall test specimens with different oil-stone ratios油石比/%空隙率/%礦料間隙率/%瀝青飽和度/%穩(wěn)定度/kN流值/mm5.24.012.971.514.64.25.63.513.173.814.54.46.03.113.779.014.14.96.42.414.984.313.55.36.81.415.388.612.25.5

圖1 不同油石比下HRA-13高低溫性能試驗結(jié)果Figure 1 HRA-13 high and low temperature performance test results under different oil-stone ratios

2 路用性能研究

在完成礦料級配和油石比設(shè)計后，成型瀝青混合料對熱壓式瀝青混凝土的路用性能進行驗證，以下主要對其展開高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及疲勞耐久性等路用性能研究。

2.1 高溫穩(wěn)定性

分別選取SBS改性瀝青和熱壓式瀝青混凝土專用改性瀝青在最佳級配下成型混合料，采用室內(nèi)車轍試驗評價熱壓式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 HRA-13室內(nèi)車轍試驗結(jié)果Table 7 HRA-13 indoor rutting test results類別動穩(wěn)定度/次/mm總變形量/mm瀝青類型1-D瀝青2 5713.94專用改性瀝青4 7801.93技術(shù)要求≥4 000 —

試驗結(jié)果表明，采用專用改性瀝青成型的HRA-13高溫性能更優(yōu)，動穩(wěn)定度約為SBS改性瀝青成型的HRA-13的2倍，在保證車轍試件具有相同壓實度的前提下，專用改性瀝青HRA-13車轍深度較小。綜上所述，對于熱壓式瀝青混凝土這類非骨架型瀝青混凝土而言，瀝青膠結(jié)料的基本性能對混合料的高溫穩(wěn)定性能影響十分顯著。在一定范圍內(nèi)，瀝青膠結(jié)料高溫性能越好，熱壓式瀝青混凝土高溫抗變形能力越強。

2.2 低溫穩(wěn)定性

采用-10 ℃和-15 ℃下的小梁彎曲試驗，評價熱壓式瀝青混凝土在低溫下的變形能力，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 HRA-13低溫彎曲試驗結(jié)果Table 8 HRA-13 low temperature bending test results類別不同試驗溫度(℃)的跨中撓度/mm不同極限應(yīng)變/με-10-15-10-15試驗結(jié)果1.070.875 5204 155技術(shù)要求——≥3 500 ≥3 500

試驗結(jié)果表明，在-10℃時熱壓式瀝青混凝土彎曲變形能力較好，隨著溫度下降至-15℃，小梁彎拉應(yīng)變和跨中撓度沒有大幅降低，熱壓式瀝青混凝土仍能滿足橋面鋪裝的變形要求。分析可知，熱壓式瀝青混凝土專用改性瀝青在低溫下延度大，而且熱壓式瀝青混凝土具有較高的油石比和偏細的級配，混合料空隙率小、結(jié)構(gòu)密實，因此熱壓式瀝青混凝土具有良好的變形協(xié)調(diào)性。

2.3 水穩(wěn)定性

通過浸水馬歇爾試驗對熱壓式瀝青混凝土的抗水損害能力進行評價，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 HRA-13浸水馬歇爾試驗結(jié)果Table 9 HRA-13 water immersion Marshall test results類別浸水前穩(wěn)定度/kN浸水后穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%試驗結(jié)果13.813.094.2技術(shù)要求≥10—≥90

試驗數(shù)據(jù)表明，HRA-13在浸水48 h后強度損失不大，水對混合料的破壞程度有限。主要由于熱壓式瀝青混合料結(jié)構(gòu)密實、連通空隙少，水難以深入到內(nèi)部對混合料產(chǎn)生破壞，而且專用改性瀝青動力粘度大，與石料的粘附性強，水對外部的瀝青混合料的影響不大，因此熱壓式瀝青混凝土應(yīng)用于橋面鋪裝時能有效抵抗雨水的侵蝕破壞。

2.4 疲勞耐久性

本項目采用控制應(yīng)變的加載方式，在750 με水平下對熱壓式瀝青混凝土HRA-13進行四點彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 HRA-13四點彎曲疲勞試驗結(jié)果Table 10 HRA-13 four-point bending fatigue test results類別疲勞壽命/次試驗結(jié)果664 130技術(shù)要求≥100 000

試驗結(jié)果表明，熱壓式瀝青混凝土具有良好的疲勞性能，能適應(yīng)荷載、溫度等引起的應(yīng)力或應(yīng)變的長期重復(fù)作用，從而大幅延長橋面鋪裝的使用壽命。

3 結(jié)論

a.橋面鋪裝用熱壓式瀝青混凝土最佳油石比為6.2%，最佳聚酯纖維摻量為0.15%。

b.HRA專用改性劑顯著提高瀝青混合料的高溫抗變形、抗水損害等路用性能。