摘要：在车辆荷载和环境因素的综合作用下，水泥混凝土桥面土铺装易出现车辙、坑槽等病害，影响行车质量和交通安全。为此，选择SBS改性沥青、高强沥青及高强沥青+0.3%玄武岩纤维三种沥青胶结料，研究分析其作为水泥混凝土桥面铺装的性能。分别采用SCB低温断裂试验及动态蠕变试验，分析混合料的低温抗裂性能及高温抗车辙性能。试验结果表明，高强沥青+0.3%玄武岩纤维沥青混合料的高低温性能均较好，从而确定了王庄桥铺装结构方案。
关键词：高强沥青；玄武岩纤维；桥面铺装
由于水泥混凝土桥梁施工难度相对较低、原材料获取容易，广泛应用于中小跨径桥梁建设中。沥青混凝土铺装作为水泥混凝土桥梁主要的铺装类型，在使用过程中，受行车作用及环境因素的影响，易出现车辙、推移及拥包等病害。其中车辙病害的产生主要是因为沥青胶结料高温性能较差，进而导致沥青混合料在高温季节条件下，受荷载作用，产生不可恢复的变形，即为车辙。本文依托镇江句容X104疏港公路王庄桥桥面铺装养护工程，该桥梁于2011年建成通车，全桥长696m，宽24.5m，桥梁上部结构为23跨30m预制预应力混凝土小箱梁，先简支后结构连续。桥面纵坡为3%和-2.1%，原铺装层结构为6cm普通沥青AC-20+4cm改性沥青SMA-13沥青混凝土。由于该桥纵坡大，通行的重载车辆多，运营3年后，桥面出现了严重的车辙，2015年对桥面10cm沥青铺装层进行了铣刨与恢复，并在沥青混合料内添加了抗车辙剂，两年后，铺装层又出现了严重的车辙病害。为了提高该桥面沥青混凝土铺装的抗车辙性能，本文通过室内试验，对比研究SBS改性沥青、高强沥青及玄武岩纤维对沥青混合料高低温性能的影响，确定路用性能较好的沥青混凝土铺装上面层设计方案，并将其应用于实体养护工程施工。
1原材料
试验所用的高强沥青、石灰岩、玄武岩集料及矿粉经检测各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）中的性能要求。
1.1沥青
试验选用的沥青胶结料分为：SBS改性沥青及高强沥青，各项技术指标如表1所示。由表1可以看出，高强沥青针入度小于SBS改性沥青，且其60℃的动力黏度远小于SBS改性沥青，高强沥青具有更加优异的抗永久变形能力，说明高强沥青在实际路面温度范围内，表现出较好的高温稳定性，对于改善甚至预防车辙病害有着积极的作用；此外，高强沥青的针入度指数高于SBS改性沥青，因此表现为更小的温度敏感性。
1.2集料
沥青混凝土铺装上面层选用AC-13结构，集料为玄武岩，下面层选用SUP-20，所用集料为石灰岩，玄武岩、石灰岩集料及矿粉，各项技术指标均满足规范要求。其中AC-13及SUP-20混合料的矿料级配如表2、表3所示。
1.3玄武岩纤维
玄武岩纤维的性能检测结果如表4所示。
2试验方案为分析
SBS改性沥青、高强沥青及高强沥青+0.3%玄武岩纤维三种胶结料（以下简称为A、B、C）对沥青混合料性能的影响，进而确定性能较优的混合料设计方案，本文分别采用上述三种沥青胶结料，首先确定各种沥青对应的最佳油石比，并在最佳油石比用量下，进行沥青混合料的常规性能检测，包括浸水马歇尔试验、车辙试验、真空保水冻融循环劈裂试验；此外，结合SCB低温断裂试验及动态蠕变试验，评价混合料的低温断裂特性及高温稳定性。首先根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）中规定的马歇尔设计方法，确定AC-13及SUP-20混合料对应三种胶结料时的最佳油石比，如表5所示。根据最佳油石比结果，可以发现高强沥青与SBS改性沥青油石比相当，添加玄武岩纤维的级配最佳油石比提高了0.2%。2.1SCB低温断裂试验本文选用半圆弯曲断裂试验（SCB）评价不同的沥青对混合料低温断裂特性的影响。首先需要利用Superpave旋转压实仪，成型直径150mm，高度180mm的圆柱形试件，并按照50mm的厚度对圆柱形试件进行切割，切割后的半圆试件如图1所示。试验装置采用三点加载的模式，半圆试件的底部选用两个直径为10mm的金属圆棒作为下部支点，支点距离为0.8倍的试件直径，本文中支点间距即为120mm，此时试件底部拉应力较大，且试件在支点处不会出现显著的剪切破坏。上部支点为压头，加载速率为0.5mm/min，试验过程中可记录试件破坏的荷载及破坏应变。试验之前，应将半圆试件置于-10℃的低温箱中保温4h，待温度稳定后再进行试验。2.2动态蠕变试验本文利用UTM万能试验机进行混合料的动态蠕变试验，试验过程参照AASHTO及NCHRP中规定的重复加载永久变形试验。加载力为0.7MPa，加载周期为1s，包括0.1s的半正弦加载段及0.9s的恢复段。由于夏季路面实际温度可达60~70℃，因此，本文的动态蠕变试验温度设为62℃。试件尺寸为直径100mm，高40mm的圆柱形试件。本文采用相同累计永久变形量对应的流变次数作为评价混合料高温性能的指标。
3试验结果
3.1混合料常规性能
分别测试SBS改性沥青、高强沥青及高强沥青+0.3%玄武岩纤维AC-13混合料与SUP-20混合料的残留稳定度、冻融劈裂强度及动稳定度，结果如表6所示。根据表6可以看出，三种胶结料对应的沥青混合料的残留稳定度较为接近，说明三种混合料在水稳定性能方面无显著差异；而高强沥青+0.3%玄武岩纤维的混合料冻融劈裂强度比显著优于SBS改性沥青及高强沥青混合料，低温抗裂性能较好，这主要是因为纤维的存在，增强了混合料之间的连接性，起到了加筋的作用。在高温性能方面，SBS改性沥青、高强沥青及高强沥青+0.3%玄武岩纤维三种混合料的动稳定度依次增大，说明三种混合料的高温抗车辙性能逐渐增强。综上，高强沥青+0.3%玄武岩纤维沥青混合料的高温抗车辙性能及低温抗裂性能均优于其余两种混合料。
3.2SCB低温断裂试验
根据低温断裂试验结果，计算出AC-13及SUP-20混合料对应不同胶结料的试件抗弯拉强度、破坏应变如表7所示。可以看出，与SBS改性沥青相比，高强沥青的弯拉强度相对较大，但破坏时的变形量基本相似，说明高强沥青对于提高混合料的抗裂性有一定的作用；高强沥青+0.3%玄武岩纤维的弯拉强度和破坏应变均大于其他两种混合料，且其跨中挠度也相对较大，说明该类型的混合料具有较强强度的同时，兼具一定的韧性，能防止沥青混合料在低温条件下出现脆性破坏。这一结果也与常规试验中的冻融劈裂试验的结果基本相似。
3.3动态蠕变试验
三种混合料的动态蠕变试验结果曲线如图2~图3所示。根据图2~图3中的混合料动态蠕变结果，可以发现高强沥青+0.3%玄武岩纤维沥青混合料的竖向累计永久变形要显著小于高强沥青及SBS改性沥青；对于AC-13混合料，SBS改性沥青混合料的累计应变最大，即此类沥青混合料在相同的加载条件下产生的变形最大，说明SBS改性沥青混合料的高温抗车辙性能劣于高强沥青及高强沥青+0.3%玄武岩纤维沥青混合料。而SUP-20混合料的试验结果与AC-13混合料呈现相似的规律，说明高强沥青+0.3%玄武岩纤维沥青混合料高温性能较好。
4工程实施效果
4.1交通量分析
镇江句容X104疏港公路王庄桥近四年交通量调查结果，如表8所示。根据表8可知，该桥的交通量较大，以货车为主，尤其是大中型重载货车，且随着通车年限的增长，交通量增幅显著，尤其是2018—2019年。因此，较大的重载交通量，对桥面铺装的抗变形性能，尤其是高温天气下的抗车辙性能提出了严苛的要求。
4.2车辙深度检测
为研究高强沥青混凝土在改善桥面铺装高温性能的适用性，2018年11月对王庄桥进行了养护施工。通车效果理想，为检测其抗车辙能力，于2020年10月27日，对王庄桥及南堍交叉口车辙进行测量，采用3m直尺人工测量。车辙深度检测结果如表9所示。根据表9中的车辙深度检测结果，通车近两年，在重载货车的作用下，桥面各位置的车辙深度均较小，大致分布于2~4mm。该结果表明，高强沥青混凝土在高温重载的作用下，其变形相对较小，表现出了较好的高温稳定性，能够满足桥面铺装对材料高温抗车辙性能的要求。
5结论
通过上述分析，可得出以下结论：（1）高强沥青的温度敏感性优于SBS改性沥青，具有较好的高温稳定性及良好的抗变形能力，高强沥青PG分级可以达到PG82-22。（2）高强沥青+0.3%玄武岩纤维沥青混合料的高温抗车辙性能及低温抗裂性能均优于高强沥青及SBS改性沥青混合料，添加玄武岩纤维可以提高沥青混合料高低温性能约10%~15%。因此，该类型的沥青混合料对于改善桥面铺装的抗车辙性能有着积极的作用。（3）由于高强沥青+0.3%玄武岩纤维AC-13混合料性能较好，因此将其作为本次句容王庄桥养护维修工程桥面铺装结构的上面层，并以SUP-20混合料作为铺装结构下面层；铺装结构与水泥桥面之间选用水性环氧作为黏结层，保证良好的渗透性及黏结性能。综上，句容王庄桥养护维修工程选用的桥面铺装结构为：水性环氧黏结层+6cmSUP-20+4cmAC-13。（4）方案实施后，经过两年多跟踪观测，路用性能良好，后期将继续跟踪观测。
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作者：王玉蓉 杨正军 李小鹏 单位：句容市公路管理处 南京道润交通科技有限公司
