GMA 澆筑式瀝青混合料的制備及性能

孟文專，王廣芹

蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112

澆筑式瀝青混合料廣泛應(yīng)用于鋼橋面鋪裝領(lǐng)域，在發(fā)展過程中形成了以德國、日本為代表的GA（guss asphalt）和以英國為代表的MA（mastic asphalt）兩種類型：MA 是采用先拌合瀝青、細(xì)集料及礦粉形成瀝青膠砂（ME），再摻加單粒徑粗集料拌合成品混合料的兩階段拌合工藝，施工效率較低、工期較長，屬于間斷級配，并在香港及深圳地區(qū)得到成功應(yīng)用，且鋪裝材料路用性能表現(xiàn)較好［1-4］；而GA 屬于連續(xù)密級配，是采用將各種材料直接在拌合站拌合的一階段拌合工藝，可連續(xù)施工，效率較MA 高，國內(nèi)應(yīng)用較多，但部分應(yīng)用GA的鋪裝工程在使用過程中的高溫性能并不理想［5-9］。近年來，華南理工大學(xué)聯(lián)合其他研究機(jī)構(gòu)在兼顧性能和效率的前提下，提出了一種適合于鋼橋面鋪裝的澆筑式瀝青混合料——GMA（guss mastic asphalt），即按照MA 方式備料及配合比設(shè)計(jì)、采用GA 拌和方式進(jìn)行生產(chǎn)的澆筑式瀝青混合料［10］，隨著在港珠澳大橋鋼橋面鋪裝工程的大規(guī)模應(yīng)用，GMA 混合料已成為鋼橋面鋪裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本研究依托港珠澳大橋鋪裝工程，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)研究了GMA 瀝青膠結(jié)料組成及拌和時(shí)間對混合料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原 料

基質(zhì)瀝青（殼牌，A 級70#，廣州新粵瀝青有限公司）；湖瀝青采用特立尼達(dá)天然湖瀝青（Trinidad lake asphalt，TLA）。基質(zhì)瀝青和TLA 的性能檢測結(jié)果分別見表1 和表2。

表1 A-70#基質(zhì)瀝青性能檢測結(jié)果Tab.1 Testing results of properties of A-70#asphalt

表2 TLA 性能檢測結(jié)果Tab.2 Testing results of properties of TLA

粗集料材質(zhì)為玄武巖，規(guī)格為5～10 mm；細(xì)集料采用石灰?guī)r破碎而成，分為A（2.36～0.6 mm）、B（0.6～0.212 mm）、C（0.212～0.075 mm）3 個(gè)規(guī)格；粗集料、細(xì)集料均為江蘇茅迪集團(tuán)方山集料加工廠生產(chǎn)，產(chǎn)地為江蘇句容；填料采用石灰?guī)r礦粉（廣東省惠州市博羅縣雄茂建材廠）。

1.2 混合料的制備

本研究依據(jù)《道路、建筑人行道和鋪裝的瀝青瑪蹄脂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》（BS 1447：1988）［11］，綜合考慮中國《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》和《港珠澳大橋主體工程橋梁DB01 標(biāo)施工圖設(shè)計(jì)》（簡稱“施工圖設(shè)計(jì)”）的相關(guān)要求進(jìn)行GMA 混合料的配比設(shè)計(jì)，所用GMA 混合料中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：粗集料含量48%，瀝青膠砂含量52%（細(xì)集料A 含量7.4%，細(xì)集料B 含量9.8%，細(xì)集料C含量3.3%，礦粉含量20.4%，復(fù)合瀝青用量11.1%）。

GMA 混合料用瀝青結(jié)合料采用A-70#基質(zhì)瀝青和TLA 配制而成的復(fù)合瀝青，該復(fù)合瀝青中TLA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%，65%，70%，75%，80%。配制方法為：將TLA 加熱至180 ℃，A-70 基質(zhì)瀝青加熱至140 ℃，按照比例和用量在165 ℃下攪拌3～5 min。GMA 混合料制備過程：將復(fù)合瀝青加熱至165 ℃，粗集料、細(xì)集料（A、B、C 共3 檔料）、礦粉加熱至220 ℃，按照試驗(yàn)所需的質(zhì)量加入小庫克攪拌機(jī)，拌和溫度設(shè)定為220 ℃，攪拌頻率為25 Hz，拌合0.5 h；攪拌頻率調(diào)至7 Hz，再拌合1～4 h。

將拌合好的GMA 混合料測試流動性，并分別成型硬度［12］試件、車轍試件、沖擊韌性（即疲勞性能）試件［13-15］（由車轍試件切制成250 mm×30 mm×35 mm 獲得）。

1.3 測試方法

按照施工圖設(shè)計(jì)提出的方法進(jìn)行復(fù)合瀝青及GMA 混合料的性能測試，具體測試方法見表3。

表3 性能測試方法Tab.3 Testing methods of properties

2 結(jié)果與討論

2.1 TLA摻量對復(fù)合瀝青及GMA性能的影響

按照1.2 節(jié)的組成配比及方法配制復(fù)合瀝青及GMA 混合料，復(fù)合瀝青中TLA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%，65%，70%，75%，80%，制備好的復(fù)合瀝青按照表3 的方法進(jìn)行針入度和軟化點(diǎn)的測試；混合料拌和好后（拌和時(shí)間為2 h），按照表3 的方法進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖1（a）和圖1（b）所示。

如圖1（a）所示，隨著TLA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，針入度先快速減小，軟化點(diǎn)先快速增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%后，針入度緩慢降低，軟化點(diǎn)緩慢增大；因TLA 本身瀝青質(zhì)量含量較高，加入后復(fù)合瀝青的膠體結(jié)構(gòu)由溶劑型結(jié)構(gòu)或溶膠型結(jié)構(gòu)向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，整體的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性得到快速提高［16］，添加至一定量后，膠體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，整體的溫度敏感性變化較小，故針入度、軟化點(diǎn)變化較小。

如圖1（b）所示，隨著TLA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，流動性逐步變差，后趨于穩(wěn)定，硬度值先快速減小，TLA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%后硬度值緩慢降低，這與復(fù)合瀝青膠體結(jié)構(gòu)的變化趨勢一致，復(fù)合瀝青在向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程中，復(fù)合瀝青的黏結(jié)性變大［16-17］，具有更高的黏結(jié)力和熱穩(wěn)定性，混合料顆粒間黏聚力變大，抗變形能力強(qiáng)，硬度值小，導(dǎo)致混合料的流動性變差。

圖1 TLA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對（a）復(fù)合瀝青和（b）GMA 性能的影響Fig.1 Effects of mass fraction of TLA on properties of（a）compound asphalt and（b）GMA

基于施工圖設(shè)計(jì)中鋪裝材料的技術(shù)要求及成本考慮，TLA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳為70%。

2.2 混合料的拌和時(shí)間對GMA 性能的影響

按照1.2 的組成配比及方法配制GMA 混合料，設(shè)置不同的拌和時(shí)間（1.5，2，2.5，3，3.5，4 h），達(dá)到設(shè)置的拌和時(shí)間后，取樣測試流動性，并分別成型硬度試件、車轍試件、沖擊韌性試件，再按照表3 的方法進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2（a）和圖2（b）所示。

由圖2（a）可看出，隨著拌和時(shí)間的延長，GMA的流動性先略變好后快速變差，這表明拌和時(shí)間延長至2.5 h 過程中，混合料中瀝青微粒與礦料逐步均勻分布，達(dá)到自由流淌狀態(tài)，同時(shí)瀝青膠結(jié)料也達(dá)到一定程度的老化且其塑性、流動性變化不大［18］；拌和2.5 h 后，瀝青膠結(jié)料老化程度加劇，老化起主導(dǎo)作用，塑性快速變差，流動性差。

在硬度方面，隨著拌和時(shí)間的延長，硬度值先快速減小后趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)榛旌狭现袨r青膠結(jié)料達(dá)到一定程度的老化后，瀝青膠結(jié)料溫度敏感性降低，且瀝青微粒與礦料逐步均勻分布，顆粒間黏聚力增大，抗變形能力強(qiáng)，硬度值小；拌和時(shí)間大于3 h 后，瀝青膠結(jié)料老化程度加劇，混合料顆粒間黏聚力變化較小，抗變形能力基本不變，故硬度值趨于穩(wěn)定。

在攪拌時(shí)間不超過4 h 時(shí)，混合料的流動性、硬度均符合施工圖設(shè)計(jì)的要求。

圖2 拌和時(shí)間對GMA 性能的影響：（a）流動性和硬度，（b）高溫性能和沖擊韌性Fig.2 Effects of mixing time on properties of GMA：（a）fluidity and hardness，（b）dynamic stability and impact toughness

由圖2（b）可看出，隨著拌和時(shí)間的延長，GMA的高溫穩(wěn)定性持續(xù)增加，沖擊韌性持續(xù)降低。其原因是：隨著拌和時(shí)間的延長，瀝青膠結(jié)料持續(xù)老化，溫度敏感性降低，混合料顆粒黏結(jié)更緊密，動穩(wěn)定度較高，高溫性能得到改善，混合料逐步呈現(xiàn)出“脆性”的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致混合料的沖擊韌性值持續(xù)減小，即抗疲勞性能降低。

攪拌時(shí)間不超過4 h 時(shí)，混合料的高溫性能符合施工圖設(shè)計(jì)的要求；但拌和時(shí)間超過3.5 h 后，沖擊韌性＜400 N·mm，不符合施工圖設(shè)計(jì)的要求，從抗疲勞性能方面考慮，拌和時(shí)間建議不超過3.5 h；因此，持續(xù)攪拌起到了讓GMA 中瀝青膠結(jié)料適度老化的作用，有利于提高混合料的高溫性能［9，18］，但會降低材料的沖擊韌性即抗疲勞性能，綜合考慮高溫穩(wěn)定性及抗疲勞性能，最佳的拌和時(shí)間為1.5～3.5 h。

3 結(jié) 語

1）GMA 膠結(jié)料中摻入TLA，有利于膠結(jié)料的膠體結(jié)構(gòu)向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，可明顯降低瀝青膠結(jié)料的溫度敏感性，提高混合料顆粒間的黏聚力及抗變形能力，使硬度值小，但會導(dǎo)致混合料的流動性變差；基于鋪裝材料的技術(shù)要求及成本考慮，TLA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)推薦值為70%。

2）GMA 混合料的拌和時(shí)間在1.5～4 h 內(nèi)，持續(xù)攪拌使GMA 中瀝青膠結(jié)料適度老化，隨著拌和時(shí)間的延長，GMA 混合料的流動性變差，硬度變好，高溫性能變好，沖擊韌性（抗疲勞性能）變差；綜合考慮高溫穩(wěn)定性及抗疲勞性能，GMA 的拌和時(shí)間推薦值為1.5～3.5 h。

參

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