澆注式瀝青混合料配合比設計及施工質量檢測
——以泰州大橋鋼橋面鋪裝工程為例

陳馥利，虎 見,張 蕾

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710016;2.河南城建學院，河南 平頂山 467036)

澆注式瀝青混合料因其具有良好的抗凍融、防水性能，近年來在大跨徑鋼箱梁橋得到了較多的應用，例如青馬大橋、江陰大橋、山東勝利黃河大橋、安慶長江大橋、長沙三叉磯大橋、貴州北盤江大橋、南京四橋等。本文以泰州大橋鋼橋面鋪裝工程為例，介紹澆注式瀝青混合料配合比設計及施工質量檢測。

泰州大橋處于長江江蘇段中部泰州和鎮(zhèn)江、常州之間，為世界首座三塔兩跨特大跨徑鋼箱梁懸索橋，主跨長2 160 m(2×1 080 m),鋼箱梁結構選擇扁平流線形全焊接鋼箱梁，橋面寬度為36.7 m，行車道橋面寬度22.5 m，雙向六車道布置，中間帶寬為2.0 m。根據(jù)氣象資料，泰州大橋屬于北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，橋位所在地區(qū)30年來，極端最低氣溫為-11.6 ℃，極端最高氣溫為+37.9 ℃。根據(jù)交通量預測，未來20年泰州大橋年平均日交通量(累計標準軸次)為54 253 pcu/d。

1 鋪裝方案的確定

1.1 泰州大橋鋼橋面鋪裝條件

泰州大橋鋼箱梁采用正交異性鋼橋面板，頂板厚度為14 mm，局部厚16 mm，U形加勁肋厚6 mm，局部8 mm，頂板肋口寬300 mm，兩肋中心間距為600 mm；底板肋口寬400 mm，兩肋中心間距為850 mm，橫隔板間距3.2 m。從橋面系的結構來看，橋面系剛度已經(jīng)滿足鋼箱梁鋪裝的要求。

1.2 泰州大橋鋼橋面鋪裝方案選擇

國內(nèi)目前常用的3種鋪裝材料包括改性瀝青SMA、澆注式瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料。2類常用的鋼橋面鋪裝結構組合分別為單層鋪裝體系和雙層鋪裝體系，且以雙層鋪裝體系為主。考慮鋼橋面鋪裝在防水、強度等方面的特殊要求，作為鋼橋面板的鋪裝下層要求與鋼板有良好的黏結力以適應鋼板在溫度與行車荷載作用下的復雜變形，而鋪裝上層混凝土應具有高強度、良好的抗疲勞和耐腐蝕性能。

改性瀝青SMA中粗集料的含量一般高達70%～80%，過多的粗集料難以與鋼板達到密貼的效果；此外，鋪裝下層要求瀝青混合料的空隙率幾乎為零，而SMA的空隙率在3%～4%，這一點無法達到，因此改性瀝青SMA作為鋪裝下層不合適。

澆注式瀝青混合料(簡稱GA混合料)空隙率小于1%，內(nèi)部空隙不相連，因而不透水也不吸水，不會出現(xiàn)水損害現(xiàn)象，且對鋼板追從性好，能有效分散車輛荷載。此外，澆注式瀝青混合料瀝青用量達到8%左右，較高的瀝青用量使得它在低溫下具有良好的抗開裂能力，是良好的下層鋪裝材料。

環(huán)氧瀝青是由環(huán)氧樹脂、固化劑與基質瀝青經(jīng)過復雜的固化反應得到的混合物，固化反應從根本上改變了瀝青的熱塑性，從而賦予瀝青全新的物理、力學性能。環(huán)氧瀝青摻加一定比例的鋼橋面專用集料和礦粉，經(jīng)瀝青拌和樓拌和而成的環(huán)氧瀝青混合料具有普通瀝青混合料無法比擬的高強度、抗疲勞性能以及耐腐蝕性能，是鋼橋面上層鋪裝的理想材料。

筆者在對國內(nèi)外已有鋼橋面鋪裝方案進行對比分析并對鋪裝實際使用情況進行調(diào)研的基礎上，結合國內(nèi)車型軸載重、遠景交通量大的特點，提出泰州大橋鋼橋面鋪裝組合方案為“下層澆注式瀝青混凝土+上層環(huán)氧瀝青混凝土”，該組合方案在國內(nèi)屬首次，給設計和施工均帶了前所未有的難度和挑戰(zhàn)。

1.3 鋪裝結構組合

在對國內(nèi)外常用鋼橋面鋪裝結構和鋪裝厚度進行調(diào)查研究的基礎上，綜合考慮泰州大橋氣象條件、交通條件確定了泰州大橋鋼橋面鋪裝結構和厚度：行車道鋼橋面鋪裝設計厚度60 mm，結構組合從上到下為25 mm上層環(huán)氧瀝青混凝土+0.45 mm層間黏結層+35 mm下層澆注式瀝青混凝土+0.50 mm防水黏結層；中間帶鋪裝設計厚度65 mm，結構組合為30 mm上層澆注式瀝青混凝土+0.2 mm層間黏結層+35 mm下層澆注式瀝青混凝土+0.5 mm防水黏結層；鋼橋面檢修道首先進行噴砂除銹，然后涂2 mm環(huán)氧樹脂防水層，最后鋪2 cm厚的單層防水彩色塑膠板。

2 澆注式瀝青混合料配合比設計

根據(jù)澆注式瀝青混合料的特性以及鋼橋面鋪裝工作的特點，并借鑒德國、日本、英國等提出的澆注式瀝青混合料配合比設計的經(jīng)驗，提出泰州大橋下層澆注式瀝青混合料配合比設計如下：

1)通過調(diào)研江陰長江大橋、潤揚長江大橋試驗橋(凍青橋)、安慶長江大橋以及日本澆注式鋪裝方案，并分析不同的級配形式及其鋪裝使用效果，以及級配變化對混合料性能的影響，結合泰州大橋的實際條件，確定泰州大橋澆注式瀝青混合料設計級配范圍。泰州大橋澆注式瀝青混合料設計級配范圍如表1所示。

表1 泰州大橋澆注式瀝青混合料設計級配范圍

2)確定原材料并進行性能檢驗，包括粗集料、細集料、礦粉、湖瀝青、直餾瀝青、混合瀝青的性能檢驗。

3)根據(jù)集料和礦粉篩分結果，初定澆注式瀝青混合料級配。

4)進行不同油石比的澆注式瀝青混合料劉埃爾試驗、貫入度試驗、車轍動穩(wěn)定度試驗、低溫彎曲試驗，確定最佳油石比。

5)檢驗混合料配合比。

2.1 原材料要求

2.1.1 集料

集料的顆粒形狀、棱角性對澆注式瀝青混合料的質量有非常關鍵的影響，雖然澆注式瀝青混合料高溫穩(wěn)定性主要依賴膠漿的性能，對集料的要求沒有SMA嚴格，但也要求粗集料堅硬、耐磨，與瀝青具有良好的黏附性；澆注式瀝青混合料中細集料占有比例大，其主要作用是吸附瀝青結合料，填充粗集料骨架之間的空隙，增加密實度，對混合料的抗水損能力和耐久性有顯著的影響。為增加澆注式瀝青混合料的流動性，便于施工，可在細集料中摻加一定比例的天然砂；但所用比例需要限制，因為天然砂與瀝青的黏附性較差，對高溫抗車轍不利。經(jīng)過對多家玄武巖生產(chǎn)單位進行考察與比選，泰州大橋鋼橋面鋪裝澆注式瀝青混合料所用集料采用金石磊生產(chǎn)線加工的玄武巖2#(5～10 mm)、3#料(3～5 mm)、4#料(0～3 mm)，集料的各項性能指標經(jīng)檢驗均能滿足鋼橋面鋪裝的特殊要求。

2.1.2 結合料

澆注式瀝青混合料是典型的懸浮密實結構，混合料中瀝青含量超過7%，其強度來源于結合料的黏結力，因此結合料對混合料的性能起著決定性作用。在選擇瀝青時，既要保證瀝青結合料有較高的黏度，以提高混合料的強度，又要避免使用太硬的瀝青，以不影響其流動度和低溫抗裂性。英國采用普通石油瀝青(針入度60～80,0.1 mm)與天然湖瀝青摻配而成的硬質瀝青，湖瀝青參量高，通常在50%～70%。日本學者認為摻加過多的湖瀝青可能增加拌合和施工難度，使混合料脆性變大，為降低湖瀝青的摻配量，日本采用針入度20～40(0.1 mm)的硬質瀝青與湖瀝青摻配。泰州大橋通過對SHELL-I改性瀝青、SHELL-II改性瀝青、東海改性瀝青、SK高彈聚合物改性瀝青，以及中石油30#直餾瀝青與湖瀝青按不同比例摻配，檢測澆注式瀝青混合料的各項性能指標，在保證混合料高溫施工有較好流動性的同時，提高混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂性能，經(jīng)比選，采用中石油30#直餾瀝青與湖瀝青按70∶30(質量比)摻配的混合瀝青作為泰州大橋的結合料。結合料檢測結果如表2所示。

表2 混合瀝青試驗檢測結果

2.1.3 礦粉

在澆注式瀝青混合料中，礦粉的作用至關重要，礦粉用量很大，達到25%左右，礦粉與瀝青相互作用后，瀝青化學組分在礦粉表面重新排列，形成結構瀝青和自由瀝青，結構瀝青越多，則瀝青膠漿的黏附性能就越好。由于堿性和單位比表面積大的礦粉與瀝青作用后形成的結構瀝青所占比例大，礦粉顆粒之間的黏結力也就越大；因此礦粉與瀝青具有良好的黏附性要求礦粉為磨制的堿性天然石粉，且具有足夠的細度即較大的比表面積，保證顆粒粒徑小于0.075 mm的通過率大于80%。此外，礦粉應干燥、潔凈、無雜質，使用時不出現(xiàn)結團現(xiàn)象，在澆注式瀝青混合料生產(chǎn)時，由于礦粉用量大，混合料的拌制溫度要求高，所以應提前對礦粉進行預熱。泰州大橋采用由鎮(zhèn)江生產(chǎn)的石灰?guī)r高資礦粉，其各項性能指標均符合設計要求。

2.2 配合比設計

2.2.1 確定級配

根據(jù)各種礦料以及礦粉篩分結果，確定混合料的合成級配，如表3所示。

表3 混合料合成級配試驗結果

2.2.2 最佳油石比確定

根據(jù)合成級配，采用30#直餾瀝青與湖瀝青按70∶30(質量比)比例配制的結合料，拌制油石比為8.6%、8.9%、9.2%的澆注式瀝青混合料，拌和溫度為240 ℃。對3種不同油石比的混合料進行劉埃爾流動度試驗、40 ℃貫入度及貫入度增量試驗，試驗結果如表4所示。

表4 不同油石比下的混合料流動度、貫入度試驗結果

對以上試驗結果進行分析，油石比為8.9%、9.2%時混合料的流動度、貫入度及增量均滿足設計要求，為保證混合料的高溫性能，選用8.9%為最佳油石比，此時各種礦料所占質量比為：2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=30∶10∶36∶24，級配曲線見圖1。

圖1 混合料合成級配曲線

2.2.3 混合料低溫性能檢驗

對油石比為8.9%的混合料的低溫性能檢驗，方法采用日本鋪裝試驗便覽中的-10 ℃、15 mm/min破壞彎曲應變試驗，試驗結果表明油石比為8.9%的混合料低溫彎曲應變滿足大于設計要求的6.0×10-3με，試驗結果見表5，小梁低溫彎曲試驗如圖2所示。

表5 低溫彎曲試驗結果

圖2 低溫彎曲試驗

3 泰州大橋澆注式瀝青混合料施工檢測

由該配合比指導生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料用于泰州大橋鋪裝下面層，其混合料試驗結果滿足設計和施工要求，具體試驗檢測結果如表6所示。

表6 澆注式瀝青混合料施工檢測結果

4 結 論

1)根據(jù)鋼橋面雙層上下層功能的不同以及對改性瀝青SMA、澆注式瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料3種鋪裝材料進行性能對比分析,提出泰州大橋橋面鋪裝結構為“下層澆注式瀝青混凝土+上層環(huán)氧瀝青混凝土”，重點介紹泰州大橋鋼橋面鋪裝下層澆注式瀝青混合料配合比的設計。

2)檢驗集料、礦粉、結合料的力學性能，確定合成級配2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=30∶10∶36∶24(質量比)，最佳瀝青用量8.9%時，混合料的高低溫性能最優(yōu)且均滿足設計需要。

3)該配合比指導生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料應用于泰州大橋鋼橋面實體工程，經(jīng)施工檢測各項指標符合設計要求。泰州大橋自通車后，運營狀況良好，其澆注式瀝青混合料鋪裝材料能滿足當?shù)貧夂颉⒔煌l件。澆注式瀝青混合料成功應用于泰州大橋下層鋪裝，可為我國大跨徑鋼橋面鋪裝研究起到一定的參考作用。

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