浇注式沥青混凝土组合结构车辙试验研究

闫东波， 刘艳， 卢现林， 张晓华

(1.重庆特铺路面工程技术有限公司， 重庆市 401121； 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司)

中国的钢桥面铺装类型主要包括双层SMA体系、浇注式沥青混凝土体系、环氧沥青混凝土体系和ERS等。其中浇注式沥青混凝土铺装结构在国内外已普遍应用，大部分取得了良好的使用效果。“浇注式沥青混凝土+改性沥青SMA”铺装结构已成为广泛使用的典型结构，该结构不但具有优良的路用性能，而且施工便利性和经济性都具有明显优势。举世瞩目的港珠澳大桥，技术人员历经多年的应用调研、理论分析和室内试验研究，确定采用浇注式沥青混凝土铺装结构，并取得了良好效果。

浇注式沥青混凝土因沥青用量高、流淌施工特性而具有优良的抗疲劳开裂性能和完全防水性能，然而，浇注式沥青混凝土铺装的高温抗车辙性能一直备受质疑。浇注式沥青混合料细集料用量高、矿粉用量高、沥青用量高，属于典型的悬浮密实结构，为改善浇注式沥青混合料的高温性能，不少学者从改性沥青性能、沥青用量和矿料级配等方面做了研究。

在以往的试验研究中，当胶结料采用基质沥青与天然沥青的混合沥青时，浇注式沥青混凝土的60 ℃动稳定度为450～750次/mm；当胶结料采用SBS改性沥青与天然沥青的混合沥青时，浇注式沥青混凝土的60 ℃动稳定度为600～1 100次/mm；当胶结料采用高强度聚合物改性沥青时，浇注式沥青混凝土的60 ℃动稳定度为600～800次/mm。总体来看，浇注式沥青混凝土的动稳定度都不高，虽然SMA是一种骨架密实型沥青混合料，高温性能优良，但“浇注式沥青混凝土+SMA”组合结构的动稳定度一般为2 000～4 000次/mm。

人们对浇注式沥青混凝土组合结构高温性能的影响因素和如何优化浇注式沥青混凝土组合结构的抗车辙性能研究较少，该文以车辙试验为主要试验方法，从不同试验温度、不同性能混合料组合和不同厚度组合三方面对“浇注式沥青混凝土GA10+改性沥青SMA10”组合结构的抗车辙性能进行研究，探索影响组合结构动稳定度的关键因素，拟合数值公式，并提出优化浇注式沥青混凝土组合结构高温性能的措施。

1 试件制备

试验中，浇注式沥青混合料所用的结合料为浇注式专用高强度聚合物改性沥青，SMA采用高弹性改性沥青，粗集料和细集料为玄武岩，填料为石灰石矿粉，根据需要添加木质素纤维，原材料性能指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》和JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》的要求。

参照JTG F40—2004和JTG/T 3364-02—2019中混合料的配合比设计方法，以其中GA10和SMA10级配范围的中值级配为目标级配，GA10通过油石比变动，SMA10通过高弹改性沥青的性能调整，制备出满足不同性能要求的GA10和SMA10混合料。浇注式沥青混合料的主要设计参数为流动性、贯入度和贯入度增量，该文对其增加车辙试验。GA10根据贯入度、贯入度增量和动稳定度的大小分为3级(编号：Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)，SMA10根据动稳定度的大小分为3级(编号：Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ)，性能测试结果如表1、2所示。

表1 不同性能级别GA10的测试结果

表2 不同性能级别SMA10的测试结果

将不同编号的GA10和SMA10进行组合并制作组合结构试件，GA10(厚度：35 mm)作下面层，SMA10(厚度：35 mm)作上面层，制作9种组合结构试样备用(各组试样数量根据试验需要有所不同),编号和组合方式见表3。

表3 不同性能混合料的组合结构试样

选取组合结构试样5中的GA10(Ⅱ号，动稳定度：795次/mm)和SMA10(Ⅴ号，动稳定度：5 556次/mm)，保持组合结构总厚度70 mm不变，改变GA10和SMA10的厚度，制作5种组合结构试样备用，编号和组合方式见表4。

表4 不同厚度组合的组合结构试样

2 不同温度下的车辙试验

中国地域广阔，环境温度差异较大，而钢箱梁桥由于钢箱梁的储热作用，钢桥面铺装温度一般比环境温度高25 ℃左右，按照北方夏季30 ℃、南方夏季40 ℃推算，钢桥面铺装在夏季的使用温度高达55～65 ℃。

JTG/T 3364-02—2019根据气候分区对钢桥面铺装组合结构的高温稳定性能做了要求，组合结构试件厚度按设计厚度成型，当上面层为改性沥青SMA时，组合结构车辙试验动稳定要求如表5所示。

表5 铺装组合结构车辙试验动稳定度要求

选取组合结构试样5，分别在45、50、55、60、65和70 ℃6个不同温度条件下进行车辙试验，得到组合结构试样5的车辙动稳定度如表6所示。

表6 不同温度下组合结构试样5的车辙试验结果

从表6可以看出：“GA10+SMA10”组合结构的车辙动稳定度受温度影响十分显著，当温度升高时，车辙动稳定度明显下降。当温度为60 ℃时，组合结构的动稳定度为3 116次/mm，满足JTG/T 3364-02—2019对夏凉区的要求，当温度升至65 ℃时，组合结构的动稳定度降至1 684次/mm，已不能满足夏热区的要求。

贯入度和贯入度增量是国内外普遍应用于评价浇注式沥青混合料高温稳定性的技术指标，一般不进行车辙试验，JTG/T 3364-02—2019也未对浇注式沥青混合料的动稳定度提出要求。组合结构试样5中，上面层SMA10的60 ℃动稳定度为5 556次/mm，下面层GA10的60 ℃动稳定度为795次/mm、贯入度为3.15 mm、贯入度增量为0.31 mm，均满足JTG F40—2004和JTG/T 3364-02—2019对混合料高温性能的要求，但组合结构的车辙动稳定度却不能满足夏热区和夏炎热区的要求，说明仅检测上、下面层材料的高温性能，尚不足以保证组合结构的高温抗车辙性能。这要求技术人员在应用浇注式沥青混凝土铺装方案时，应特别关注组合结构的整体抗车辙性能，设计和施工应用均应将组合结构的车辙动稳定度试验作为必检项目，及时发现组合结构高温性能的不足并采取相应措施进行优化和提高。

对表6中的试验结果进行数理统计和回归分析，建立铺装组合结构动稳定度与试验温度的指数计算模型，如式(1)所示：

y=a·ebx

(1)

式中：y为铺装组合结构的动稳定度；x为车辙试验温度；a、b为与上、下面层材料性能和厚度相关的常数。

采用式(1)对铺装组合结构动稳定度和试验温度进行指数回归拟合，得到二维图形和指数回归方程，如图1和式(2)所示。

y= 619.75+2.11×106×e-0.114 4x

(2)

图1 不同温度下组合结构动稳定度变化趋势图

从图1和式(2)可以看出：当上、下面层性能和厚度确定后，组合结构的动稳定度与试验温度之间存在很好的指数函数关系，拟合相关系数R达0.991。说明温度对“GA10+SMA10”组合结构的动稳定度影响显著，随着试验温度的增加，动稳定度呈指数趋势下降。

3 不同混合料性能组合的车辙试验

对表3中的组合结构试样1～9完成60 ℃车辙试验，试验结果如表7所示。

表7 不同性能沥青混凝土的组合结构车辙试验结果

为了考察上、下面层混合料性能对组合结构的影响程度，用双因素方差分析法对表7数据进行分析。上面层SMA10动稳定度的影响为因素A，下面层GA10动稳定度的影响为因素B，考虑A、B两个因素有交互作用的影响。分析结果如表8所示。

表8 组合结构车辙试验双因素方差分析结果

由表8可知：因素A和因素B均对试验结果有显著影响，两者之间的交互作用不显著；因素B的影响较因素A显著，也就是说下面层GA10动稳定度的改变较上面层SMA10动稳定度的改变对组合结构动稳定度影响更大。

根据双因素方差分析结果，排除了上、下面层动稳定度的交互作用对组合结构抗车辙性能的影响，对表7中的试验结果进行数理统计和回归分析，建立铺装组合结构动稳定度与上、下面层动稳定度的多元线性计算模型，如式(3)所示：

z=a+bx+cy

(3)

式中：z为铺装组合结构的动稳定度；x为铺装上面层SMA10的动稳定度；y为铺装下面层GA10的动稳定度；a、b、c为与铺装厚度和试验温度相关的常数。

采用式(3)对铺装组合结构动稳定度和上、下面层的动稳定度进行线性回归拟合，得到三维图形和多元线性回归方程，如图2和式(4)所示。

z=417.41+0.32x+1.44y

(4)

图2 组合结构动稳定度与上、下面层动稳定度关系图

分析拟合结果可知：组合结构的动稳定度与上、下面层的动稳定度数据拟合效果较好，相关系数R达到0.962；上面层SMA10和下面层GA10的动稳定度对组合结构动稳定度的贡献呈线性，根据拟合公式，已知上、下面层沥青混凝土的动稳定度可推算组合结构的动稳定度。

根据目前浇注式沥青混凝土的研究和应用现状，60 ℃动稳定度基本能够达到500次/mm及以上，以组合结构动稳定度2 000次/mm进行反算，得到SMA10的动稳定度值为2 696次/mm，也就是说，当SMA10的60 ℃动稳定度达到2 696次/mm时，组合结构的动稳定度即能满足JTG/T 3364-02—2019对夏凉区的要求，SMA是典型的骨架密实型沥青混合料，具有优良的高温稳定性，60 ℃动稳定度较容易达到2 696次/mm以上，说明“GA10+SMA10”组合结构的高温稳定性满足夏凉区钢桥面铺装的需求完全没有问题。

当采用“浇注式沥青混凝土+改性沥青SMA”铺装结构时，分别或同时提高上面层SMA和下面层浇注式沥青混凝土的高温性能，能够提高组合结构的抗车辙性能；相对于上面层SMA，下面层浇注式沥青混凝土的高温性能的提高对组合结构高温抗车辙性能的影响要显著得多，因此，为提高浇注式沥青混凝土组合结构的抗车辙性能，应尽可能提高下面层浇注式沥青混凝土的高温性能，这对夏热区和夏炎热区钢桥面铺装应用浇注式沥青混凝土方案时考虑优化高温抗车辙性能的措施具有重要参考作用。

4 不同厚度组合的车辙试验

对表4中的组合结构试样A～E，在60 ℃条件下进行车辙试验，试验结果如表9所示。

表9 不同厚度组合车辙试验结果

由表4和表9可知：在总厚度不变时，随着上面层SMA10厚度的减小和下面层GA10厚度的增加，组合结构动稳定度不断下降，这是由于SMA10的高温性能优于GA10而导致的。

对表9中的试验结果进行数理统计和回归分析，建立铺装组合结构动稳定度与上、下面层厚度的指数计算模型，如式(5)所示：

z=a+b·e(cx+dy)

(5)

式中：z为铺装组合结构的动稳定度；x为上面层SMA10的厚度；y为下面层GA10的厚度；a、b、c、d为与上、下面层材料性能相关的常数。

采用式(5)对铺装组合结构动稳定度和上、下面层厚度进行指数回归拟合，得到三维图形和指数回归方程，如图3和式(6)所示。

z=1 445+175×e(0.069x-0.000 61y)

(6)

图3 组合结构动稳定度与上、下面层厚度关系图

从图3和式(6)可以看出：当上、下面层性能确定后，组合结构的动稳定度与上、下面层的厚度之间存在较好的指数函数关系，拟合相关系数R达到0.953。说明调整上面层SMA10和下面层GA10的厚度对“GA10+SMA10”组合结构的动稳定度影响显著，随着上面层SMA10厚度的减小和下面层GA10厚度的增加，组合结构的动稳定度呈指数趋势下降。

相对而言，上面层SMA10厚度的增加比下面层GA10厚度的减小对组合结构抗车辙性能的优化显著得多，下面层GA10厚度的减少对组合结构高温抗车辙性能的影响较小；因此，当采用浇注式沥青混凝土+SMA铺装结构时，为保证高温稳定性，宜尽量增加上面层SMA的厚度。

如果铺装总厚度一定，即(x+y)为定值，当z=2 000次/mm时，可以计算出x和y的值，即：为满足组合结构动稳定度≥2 000次/mm的要求时x的最小值和y的最大值。

目前，钢桥面“浇注式沥青混凝土+改性沥青SMA”铺装方案的实际应用厚度一般为60～80 mm，铺装下面层浇注式沥青混凝土均采用GA10型级配，设计厚度一般为30～35 mm，由于GA10在240 ℃左右条件下具有良好的流淌性，无需碾压即能达到密实状态，其摊铺厚度最低可达25 mm，但应该视钢桥面板的平整度情况对摊铺宽度进行适当减少；铺装上面层SMA可采用SMA10或SMA13，设计厚度一般为30～40 mm，由于水平震荡压路机的普遍应用和胶轮压路机用于SMA碾压的可行性，SMA10的铺装厚度可提高至45 mm，SMA13可提高至50 mm。

5 结论

对钢桥面铺装常用的“浇注式沥青混凝土+改性沥青SMA”组合结构进行了系统的车辙试验研究，发现试验温度、混合料性能和不同厚度组合对组合结构的抗车辙性能均有影响。研究结果对于优化钢桥面浇注式沥青混凝土铺装的高温性能、指导浇注式沥青混凝土铺装的设计和施工具有参考价值。主要结论为：

(1) 温度对浇注式沥青混凝土铺装结构的抗车辙性能影响显著，随着温度的升高，组合结构的动稳定度呈指数趋势下降，浇注式沥青混凝土铺装结构的高温稳定性在夏凉区没有任何问题，在夏热区或夏炎热区应用时，应特别加强对组合结构车辙动稳定度的检验。

(2) 上面层SMA和下面层浇注式沥青混凝土的高温性能对组合结构动稳定度的贡献呈线性趋势，组合结构的抗车辙性能随着上面层SMA和下面层浇注式沥青混凝土高温性能的提高而提高，下面层浇注式沥青混凝土高温性能的提高对组合结构抗车辙性能的影响要显著得多，优化浇注式沥青混凝土的高温性能是提高铺装组合结构高温抗车辙性能的有效手段。

(3) 保持铺装总厚度不变时，上面层SMA和下面层浇注式沥青混凝土厚度的调整对组合结构高温抗车辙性能有显著影响，组合结构的动稳定度随着上面层SMA厚度的增加和下面层浇注式沥青混凝土厚度的减小呈指数趋势提高，SMA厚度的增加能够更加显著地提高组合结构的高温抗车辙性能，铺装设计时应尽可能提高上面层SMA的厚度。