澆注式瀝青混合料GA和GMA性能對比研究 *

閆東波，林路宇，張俊波，劉 艷，楊慶國

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 廈門路橋工程投資發展有限公司，福建 廈門 361026；3. 重慶特鋪路面工程技術有限公司，重慶 400026)

0 引 言

澆注式瀝青混合料按生產工藝可分為Mastic Asphalt(MA)和Guss Asphalt(GA)兩種類型。澆注式瀝青混凝土鋪裝技術起源于歐洲，英國、法國等國主要應用MA技術，而以德國為代表的歐洲大部分國家主要應用GA技術。MA分兩階段拌和，先在瀝青拌和樓拌和3 mm以下的細集料和礦粉形成瀝青砂膠(mastic epure, ME)，然后將瀝青砂膠轉移至澆注式瀝青混合料專用移動加熱攪拌運輸車(cooker)中，并分批次向cooker中添加粗集料進行攪拌生產，整個生產過程約需10～12 h。GA采用一次性拌和方式生產，按配和比例將粗、細集料、礦粉和瀝青同時放入瀝青拌合樓攪拌缸，生產過程約2 min，后續在cooker中攪拌30 min即可攤鋪。這兩者除了生產工藝不同之外，所采用的瀝青結合料和礦質混合料級配也有所不同，MA通常采用天然瀝青與基質瀝青混合瀝青，礦質混合料級配為間斷級配；GA通常采用聚合物改性瀝青，混合料級配為連續級配[1]。

我國鋼橋面鋪裝已廣泛采用澆注式瀝青混凝土。最早的項目為我國香港青馬大橋(1997年通車)和江蘇江陰大橋(1999年通車)，均采用MA技術，但應用效果截然不同。青馬大橋鋼橋面鋪裝至今狀況良好，而江陰大橋的MA使用情況較差，2003年翻修，2004年再次崩潰，病害原因主要為重載交通影響[2]。隨后，我國大陸地區鋼橋面鋪裝澆注式瀝青混凝土普遍采用GA技術，而我國香港地區仍然習慣使用MA技術。

港珠澳大橋作為舉世矚目的世紀工程，工程人員對鋼橋面鋪裝技術進行大量研究后認為，MA細集料控制更為嚴格，MA混合料性能更為穩定；而GA具有生產功效高的優勢，繼而提出guss mastic asphalt(GMA)技術，即按照MA配合比設計、采用GA方式拌和生產工藝加工澆注式瀝青混合料[3-5]。

章登精[6]、王民等[7]分別對不同改性瀝青的GA瀝青混合料性能進行了研究；紀方利[8]、孟文專等[9]、王賢良等[10]、李偉治[11]分別對GMA瀝青混合料的配合比和路用性能做了較多研究；朱定等[12]研究了GMA混合料標準化施工工藝控制技術；張肖寧等[13]采用加速加載試驗對MA和GMA高溫性能進行了對比分析；聶文等[14]研究了MA和GMA工藝對澆注式瀝青混合料疲勞性能的影響；王芳等[15]從原材料、技術指標要求、拌和工藝等方面對MA、GA、GMA這3種澆注式混合料進行了差異化分析。

筆者基于JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》(以下簡稱《規范》)中GA技術性能要求以及T/CHTS 10018—2019《港珠澳大橋施工技術指南：第七分冊：鋼橋面鋪裝工程》(以下簡稱《指南》)中對GMA技術性能要求，選用相同的粗集料、細集料和礦粉，GA選用鋼橋面鋪裝常用的高強度聚合物改性瀝青，GMA參照港珠澳大橋選用湖瀝青與基質瀝青的混合瀝青，分別對GA和GMA進行混合料配合比設計，并對兩種不同類型澆注式瀝青混合料的性能進行對比。

1 原材料與配合比

1.1 瀝 青

GA所用的聚合物改性瀝青，其性能檢測結果如表1，能滿足《規范》對GA改性瀝青要求。GMA采用湖瀝青與基質瀝青的混合瀝青，本研究中的湖瀝青為特立尼達天然湖瀝青(TLA)，基質瀝青為70 # 道路石油瀝青，檢測結果如表2～表4，可見瀝青性能滿足《指南》對GMA瀝青結合料技術要求。

表1 GA用聚合物改性瀝青性能指標Table 1 Performance indexes of polymer modifiedasphalt for GA

表2 TLA的技術指標及檢測結果Table 2 Technical indexes and test results of TLA

表3 70#道路石油瀝青的技術指標及檢測結果Table 3 Technical indexes and test results of 70# road asphalt

表4 GMA用混合瀝青的技術指標及檢測結果Table 4 Technical indexes and test results of mixed asphalt for GMA

1.2 集 料

粗、細集料為優質玄武巖，填料為石灰石礦粉。集料主要力學性能和密度試驗結果如表5、表6，其性能指標滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》和《規范》要求。各規格集料篩分結果如表7。

表5 集料的主要力學性能試驗結果Table 5 Test results of main mechanical properties of aggregate

表6 集料密度試驗結果Table 6 Test results of stone aggregate density

表7 集料篩分結果Table 7 Aggregate screening results

1.3 配合比

GA配合比設計參照《規范》規定的設計方法，選用GA10級配，采用劉埃爾流動性、貫入度及貫入度增量作為控制指標，并以低溫彎曲試驗檢驗其低溫抗裂能力。通過配合比調試及其性能試驗驗證，得到GA的最佳配合比：4.75～9.50 mm為28.5%、2.36～4.75 mm為22%、0.60～2.36 mm為12.5%、0.075～0.060 mm為12.5%、礦粉為24.5%、最佳油石比為7.5%。

GMA配合比設計參照《指南》，包括兩個設計階段。第1階段：進行ME設計。ME可溶瀝青含量控制在14%～17%，選取4～5個可溶瀝青含量分別拌制ME，測試25 ℃的硬度值；根據可溶瀝青含量與ME硬度值關系，選取最佳可溶瀝青含量。第2階段：進行GMA配合比設計，GMA中粗集料含量為45±10%(占混合料重量比例)，選取3組不同粗骨料比例，按照已確定的最佳可溶瀝青含量，將粗集料、ME礦料和瀝青結合料混合攪拌得到GMA，分別測試劉埃爾流動性、馬歇爾穩定度、硬度值、沖擊韌性、車轍動穩定度等，確定最佳配比：9.5～13.2 mm為45%、4.75～9.50 mm為39.2%、2.36～4.75 mm為1.4%、0.60～2.36 mm為9.5%、0.075～0.600 mm為26.4%、礦粉為19.0%、最佳油石比為12.8%。

2 性能研究

2.1 性能評價指標

GA評價指標有流動性(240 ℃)、貫入度及貫入度增量(50～60 ℃)和低溫彎曲應變(-10 ℃)這3項，分別檢驗混合料的施工和易性、高溫穩定性和低溫抗裂性；GMA采用流動性試驗(240 ℃)檢驗和易性，但評價高、低溫性能的指標與GA不同，采用硬度試驗(35 ℃)、馬歇爾試驗(60 ℃)和車轍試驗評價高溫穩定性，采用沖擊韌性值(15 ℃)評價低溫性能。GA和GMA除和易性指標一致外，高、低溫性能的指標完全不同。為便于比較GA和GMA性能，分別按照各自最佳配合比拌制GA和GMA，成型試件，將GA和GMA的性能指標合并，并對GA和GMA做性能檢測和比較分析。

2.2 性能試驗

GA和GMA的性能試驗見表8。

表8 GA和GMA性能試驗Table 8 Performance testing of GA and GMA

2.2.1 劉埃爾流動性試驗

劉埃爾流動性試驗可判斷澆注式瀝青混合料的施工和易性。根據最佳配合比，按照相應的拌和工藝拌制混合料，檢測和易性，結果見表8。可見這兩種混合料的劉埃爾流動性基本一致，均滿足要求。

2.2.2 貫入度試驗

貫入度試驗測定澆注式瀝青混合料試件的貫入度和貫入度增量，用于判斷澆注式瀝青混合料的高溫穩定性。本次試驗溫度按照夏炎熱區取值，為60 ℃。GA和GMA的貫入度試驗結果見表8。可見這兩種混合料貫入度試驗結果差別較大，GA貫入度和貫入度試驗結果能滿足《規范》要求，且有較多富余量；而GMA不滿足《規范》要求，且偏離較多。GA的60 ℃貫入度性能明顯優于GMA。

2.2.3 硬度試驗

硬度值指標源于英國標準規范BS 1447—1988。英國工程界在MA混合料設計時，以對ME檢測25 ℃的硬度值來控制ME性能。在港珠澳大橋建設時，工程人員通過對GMA檢測35 ℃的硬度值，來評價GMA性能。

對GA和GMA進行35 ℃硬度試驗，結果見表8。GA和GMA硬度值結果均能滿足《指南》對澆注式瀝青混合料硬度值要求，但GMA的35 ℃硬度值優于GA。

2.2.4 馬歇爾試驗

馬歇爾試驗是瀝青混合料配合比設計的主要試驗；GA和GMA的馬歇爾試驗(60 ℃)結果如表9。可見GA和GMA馬歇爾穩定度試驗結果均能滿足《指南》對澆注式瀝青混合料馬歇爾穩定度的要求，但GMA的60 ℃馬歇爾穩定度優于GA。

表9 GA和GMA馬歇爾試驗結果Table 9 Marshall test results of GA and GMA

2.2.5 車轍試驗

車轍試驗用于檢驗瀝青混合料的高溫抗車轍性能，GA和GMA的60 ℃車轍試驗結果見表8。可見GA和GMA車轍試驗結果均能滿足《指南》對澆注式瀝青混合料動穩定度的要求，但GA的60 ℃車轍動穩定度優于GMA。

2.2.6 低溫彎曲試驗

低溫彎曲試驗用于檢驗瀝青混合料的低溫抗裂性能。《規范》要求進行-10 ℃混合料彎曲試驗，并對-10 ℃極限彎曲應變做了要求。GA和GMA的-10 ℃低溫彎曲試驗結果如表10。GA能滿足《規范》對各區域項目的技術要求，且富余量較大；而GMA無法滿足要求，且偏差較多。GA的-10 ℃極限彎曲應變明顯優于GMA。

2.2.7 沖擊韌性試驗

沖擊韌性是指材料在沖擊荷載作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力[16]。在港珠澳大橋建設中，采用沖擊韌性來評價澆注式瀝青混合料的抵抗疲勞開裂性能。采用T0715—2011瀝青混合料彎曲試驗，試驗溫度為15 ℃。典型的荷載位移曲線如圖1，陰影部分面積即為沖擊韌性，代表瀝青混合料抵抗沖擊荷載能力。

表10 GA和GMA低溫彎曲試驗結果Table 10 Low temperature bending test results of GA and GMA

圖1 沖擊韌性曲線示意Fig. 1 Schematic diagram of impact toughness curve

對GA和GMA進行沖擊韌性試驗(15 ℃)，結果見表8。這兩種混合料沖擊韌性均能滿足《指南》對澆注式瀝青混合料沖擊韌性要求。從數值上來看，GA沖擊韌性結果顯著優于GMA，是GMA的3倍以上，說明GA抵抗疲勞開裂的性能比GMA更好。

2.3 性能分析

整理GA和GMA的性能檢測結果：GA既能滿足《規范》要求也能滿足《指南》要求；而GMA僅只能滿足《指南》要求。澆注式瀝青混合料GA和GMA的施工和易性均滿足要求，但路用性能有較大差異。

2.3.1 高溫穩定性

貫入度試驗普遍用于評價澆注式瀝青混合料的高溫穩定性。澆注式瀝青混合料車轍試驗性能在《規范》中作為建議指標而不強制執行；硬度試驗在MA配合比設計中用于控制ME的性能而不用于評價混合料性能；馬歇爾試驗是目前瀝青混合料中最重要的一個試驗方法，但是否適用于評定非碾壓、趨于零空隙的澆注式瀝青混合料的高溫性能，尚缺乏理論依據和應用經驗支撐。總之，采用聚合物改性瀝青的GA高溫穩定性明顯優于采用天然瀝青+基質瀝青的GMA的，但GMA在35 ℃左右的中高溫抗壓穩定性要優于GA的。

2.3.2 抗裂性能

通常認為：低溫抗裂性能和沖擊韌性與疲勞性能有相關性。無論從-10 ℃極限彎曲應變還是15 ℃沖擊韌性來看，采用聚合物改性瀝青的GA明顯優于采用天然瀝青+基質瀝青的GMA，說明采用聚合物改性瀝青的GA低溫抗裂性能和疲勞性能更好。

3 結 論

筆者通過對澆注式瀝青混合料GA和GMA的系統試驗分析發現，這兩者路用性能有較大差異。其主要結論為：

1)采用聚合物改性瀝青的GA高溫穩定性、低溫抗裂性、沖擊韌性明顯優于采用天然瀝青+基質瀝青的GMA。

2)設計單位在對橋面鋪裝項目采用澆注式瀝青混凝土方案時，應結合項目具體使用條件提供設計參數，技術指標體系和技術性能選用都需慎重，特別要考慮交通荷載和氣候環境條件。