鋼橋面澆注式瀝青混凝土配合比設計研究
——以福鼎八尺門大橋為例

鄭 彧

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

0 引言

澆注式瀝青混合料，是高瀝青含量、高礦粉含量、高拌合溫度及無需碾壓，靠自身流動性攤鋪而成的一種瀝青混合料。澆注式瀝青混合料的空隙率幾乎為零，它以其良好的隨從變形能力、抗老化能力和密實防水等特點，在鋼橋面鋪裝中得到廣泛應用，如江陰長江大橋、東海大橋、安慶長江大橋、泰州長江大橋等[1]。

本文以福鼎八尺門大橋為例，對澆注式瀝青混合料配合比設計展開研究。首先，原材料因地制宜，就地取材，并結合以往工程經驗，對原材料進行充分比選。其次，關注路用性能，通過貫入度試驗、劉埃爾試驗，初步確定澆注式瀝青混合料的級配形式和最佳油石比；再采用低溫彎曲試驗，驗證配合比是否滿足要求，最終確定澆注式瀝青混合料配合比設計方案。

從目前國內外鋼橋面澆注式瀝青混凝土使用情況看，高溫性能不足是其最主要的缺點。如江陰長江大橋在通車不久后就出現明顯的車轍、擁包等病害；國外澆注式鋼橋面鋪裝也存在類似問題，如德國境內的大部分澆注式瀝青混凝土鋪裝也存在明顯的車轍病害[2]。該項目所在地福鼎地區，夏天最高室外氣溫達到35℃，據推算鋼橋面溫度可達60℃以上。因此，“高溫性能和施工和易性為主，低溫性能為輔”是該項目澆注式瀝青混凝土配合比設計主要原則。

1 工程背景

八尺門大橋主橋結構形式為(33+67+200)m獨塔單索面混合梁斜拉橋，全橋鋼箱梁總長183m，為帶翼緣流線型截面，鋼橋面鋪裝采用瀝青混凝土鋪裝，鋪裝面積約5000m2。鋼箱梁采用正交異性結構鋼橋面板，面板厚16mm。

澆注式瀝青混凝土在鋼橋面鋪裝中應用，由早期的單層鋪裝，如江陰長江大橋、重慶鵝公巖大橋，發展到如今多數作為雙層鋪裝的下層結構[3]，如泰州長江大橋、南京四橋等。近年“下面層澆注式瀝青混合料GA+上面層SMA”鋪裝組合已成為鋼橋面鋪裝的主流，GA和SMA兩種不同的混合料特性在不同鋪裝層位中發揮著不同的作用，取得了良好的使用效果。通過綜合比較鋪裝結構的路用性能、施工控制、經濟性、工期、養護等因素，該項目鋼橋面鋪裝方案采用防水粘結層+35mm澆注式瀝青混凝土+粘層+35mm高彈改性瀝青SMA-10，具體結構如圖1所示。本文針對下層澆注式瀝青混合料配合比設計展開研究。

圖1 鋪裝結構設計圖

2 澆注式瀝青混合料配合比設計

各國澆注式瀝青混合料配合比設計方法均有所不同：德國采用40℃下的貫入度和貫入度增量作為評價指標；日本采用貫入度、動穩定度作為評價指標；英國采用硬度指數、動穩定度、車轍深度、車轍率作為評價指標[4]。我國經過多年的研究和大量工程經驗，總結出鋼橋面澆注式瀝青混合料配合比設計流程，目前已形成規范[5]：

(1)對原材料進行性能試驗比選，如集料、礦粉、瀝青結合料。

(2)先根據以往經驗預估油石比，選取集料合成3組不同級配，進行貫入度試驗和劉埃爾試驗。

(3)根據貫入度、貫入度增量及劉埃爾值，確定初選級配。

(4)以預估油石比作為中值，按±0.2%變化，取5個不同瀝青用量，再次進行貫入度試驗和劉埃爾試驗，初步確定最佳油石比。

(5)根據初步確定的最佳油石比和級配成型試件進行低溫彎曲試驗，驗證其低溫性能，最終確定配合比方案。

2.1 原材料要求

(1)瀝青結合料

澆注式瀝青混合料瀝青含量高，瀝青和細集料形成的瀝青膠漿，直接影響澆注式瀝青混合料的性能，而瀝青又決定著膠漿的性能[6]，瀝青的粘彈性決定著它抵抗永久變形能力，澆注式瀝青混合料的高拌和溫度對瀝青的抗老化能力提出了更高要求，瀝青的硬度對混合料的流動性也有所影響，因此瀝青的選擇至關重要。目前，澆注式瀝青混合料常用的瀝青結合料主要有3類：①聚合物改性瀝青；②聚合物改性瀝青與天然瀝青復合改性瀝青；③道路石油瀝青與天然瀝青復合改性瀝青。摻配天然瀝青(主要采用湖瀝青)目的在于提高瀝青結合料的高溫性能，但常溫或低溫下的脆性也限制了它在鋼橋面鋪裝中應用。同時，天然瀝青雜質較多，影響瀝青性能穩定性，且大規模開采天然瀝青不利于環境保護。該項目經過綜合比選后，采用高強聚合物改性瀝青，技術指標如表1所示，滿足技術要求。

表1 高強聚合物改性瀝青技術指標

(2)集料和填料

集料是鋼橋面鋪裝中的主要原材料之一，在大跨徑鋼橋的設計中，為減輕鋼橋面鋪裝恒載，并保證路用性能，需選用質地堅硬、致密、顆粒形狀好、與瀝青有良好粘結性的石料。該項目采用的集料為福鼎霞浦本地產玄武巖：玄武巖碎石5mm～10mm、玄武巖機制砂0mm～5mm，礦粉采用石灰巖礦粉，篩分結果如表2所示，主要性能檢測結果如表3所示。

表2 集料篩分結果 %

表3 集料檢測結果

(3)級配形式

澆注式瀝青混合料為懸浮密實結構，級配以細集料為主，最大粒徑一般不超過10mm，0.075mm通過率高達25%左右。關鍵篩孔4.75mm和0.075mm通過率分別反映的是粗細比和粉膠比。粗細比和粉膠比是澆注式瀝青混合料性能的關鍵影響因素[7]。該項目根據現有集料篩分結果，調整不同礦料比例，配制出細、中、粗3種級配，同時保證配制的級配落在技術要求的GA-10范圍內。3種不同級配形式詳見表4，級配曲線詳見圖2。

表4 級配形式 %

圖2 三種級配曲線

2.2 配合比設計

2.2.1初選級配

針對澆注式瀝青混合料特點，配合比設計首先要滿足混合料流動性和高溫性能。參考國內類似工程經驗，澆注式瀝青混合料最佳油石比基本在7.0%～9.0%之間，故，本研究初擬油石比7.8%，根據以上3組級配進行配合比設計試驗，即劉埃爾試驗和貫入度試驗，混合料拌和溫度240℃，因福鼎地區屬夏炎熱區，故，貫入度試驗溫度采用60℃。試驗結果如表5所示。

表5 3種級配試驗結果(7.8%油石比)

從表5中可知，①澆注式瀝青混合料集料粗細程度與貫入度和貫入度增量呈現良好的關聯度，混合料高溫性能隨著粗細比增加而提高，其中細級配貫入度和貫入度增量試驗平均值雖然滿足要求，但已接近上限，個別試驗值不滿足要求。可見適當加大5mm～10mm碎石比例，可提高澆注式瀝青混合料的高溫性能。②粗級配的劉埃爾值大于中級配和細級配，中級配和細級配的劉埃爾值相差不多，粗級配的劉埃爾值在技術要求上限左右，這說明0.075mm通過率對混合料施工和易性影響顯著，0.075mm通過率越低，流動性越差。

綜合考慮3種級配的高溫性能及施工和易性，該項目推薦采用中級配，4.75mm通過率取GA-10級配范圍的下限，0.075mm通過率取GA-10級配范圍的上限。各礦料質量比：5mm～10mm碎石：0～5mm玄武巖機制砂：礦粉=36∶36∶28。

2.2.2確定油石比

根據上述所確定的級配，在預估油石比7.8%左右，按±0.2%變化，取5個不同油石比，進行貫入度和劉埃爾試驗，以確定最佳油石比。試驗結果如表6所示。

表6 不同油石比試驗結果(中級配)

從表6可知，油石比對劉埃爾值和貫入度試驗值影響顯著，隨著油石比增大，劉埃爾值逐漸下降，施工和易性逐步提升，但高溫性能逐步下降，貫入度和貫入度增量逐漸增大。這是因為過多的瀝青會導致出現瀝青膠漿之外的自由瀝青，不利于混合料高溫下抵抗變形能力。當油石比達到8.0%以上時，貫入度和貫入度增量不滿足要求；當油石比為7.4%時，劉埃爾值不滿足要求。綜合考慮試驗結果和經濟性，該項目最佳油石比初定為7.6%。

2.2.3低溫性能驗證

低溫開裂是目前橋面鋪裝的主要病害之一。這是由于鋼板在低溫下會出現溫縮現象而導致鋪裝層開裂，并且在車載作用下，在加勁肋和橫隔板頂部易產生較大的負彎矩而導致受拉開裂，并且由于鋼板構造而導致剛度突變，在突變處易出現開裂[8]。根據上述確定的級配(中級配)和油石比(7.6%)，進行低溫彎曲試驗，驗證其低溫性能，即制備車轍板并切割為小梁試件，試件尺寸300mm×100mm×50mm，計算跨徑200mm，荷載速率50mm/min，試驗溫度為-10℃，試驗結果見表7，試驗曲線如圖3所示。

表7 彎曲應變試驗結果

圖3 低溫彎曲曲線(-10℃)

從試驗結果可看出，澆注式瀝青混合料在低溫(-10℃)狀況下，試件沒有破壞以前，豎向荷載和跨中撓度基本保持線性關系，即材料處于彈性狀態，曲線具有明顯的峰值，當荷載到12.24kN時，試件出現破壞，彎曲應變8.8×10-3，這表明了采用該配合比方案的澆注式瀝青混合料具有較好的抵抗彎曲變形能力，可滿足技術要求。

3 結語

本文參考了國內外澆注式瀝青混凝土的研究情況及工程經驗，結合八尺門大橋實際情況，從原材料、路用性能、施工和易性3個方面展開澆注式瀝青混凝土配合比設計研究，最終提出了適用于八尺門大橋設計要求的澆注式瀝青混凝土配合比方案。

八尺門大橋通車至今已有兩年半，鋼橋面鋪裝目前使用情況良好，未見明顯病害，說明本配合比方案設計是成功的，為今后類似工程提供了一定借鑒。