莫桑比克馬普托大橋鋼橋面鋪裝用地材匹配性研究

付 斌，尚 飛

（重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶市 401336）

0 引 言

莫桑比克馬普托（Maputo）大橋及接線工程，主線起點K1+566~K114+998.245，全長113.429km，為莫桑比克首都馬普托市向南去往南非與莫桑比克南部Casacommercial邊界口岸的干線公路。

馬普托大橋橋面鋪裝施工項目屬于境外施工，原則上原材料應盡可能使用當地地材，但是對于鋼橋面鋪裝工程，相比于傳統路面鋪裝對于原材料的要求更為苛刻[1]。由于境外材料的規格以及性能指標均與國內不同，故本文通過兩者對比來確定當地地材對于橋面鋪裝的匹配性，從而為鋪裝工程原材料的供應提供指導。

1 集料匹配性研究

1.1 集料巖性鑒定

取5~10mm馬普托地材集料若干，切片制樣后在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下進行巖性鑒定，鑒定結果見圖1。由圖1可分析集料樣品的結構構造、結構組分、集料酸堿性等。

1.1.1 結構構造

集料主要由自形-半自形板狀斜長石顆粒組成，間隙分布有輝石等細小顆粒或隱晶質-玻璃質等，構成間粒間隱結構（見圖1（a）），少量呈斑狀結構（見圖1（b））的塊狀構造，局部見杏仁狀構造。

圖1 集料切塊后在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下的形貌

1.1.2 結構組分

集料結構組分主要有斜長石（48%）、輝石（12%）和玻璃質（18%）等，含綠簾石（少量）、方解石（8%）、綠泥石（3%）、石英（少量）和絹云母（少量）；副礦物由金屬礦物磁鐵礦（8%）、赤鐵礦（微量）和黃鐵礦（少量）等組成。

斜長石（Pl）：約48%，呈自形-半自形板狀結構，發育聚片雙晶（見圖1（a）、圖1（b）），偶見生長環帶；斜長石板狀晶體略具定向排列特征，呈交織結構，晶體格架中分布有細粒輝石及玻璃質等，構成間粒間隱結構；部分斜長石呈斑晶，局部被方解石、綠泥石、絹云母和綠簾石等交代（見圖1（b）），局部方解石交代強烈，呈殘余結構，粒徑為0.01~0.40mm。

輝石（Px）：約12%，呈半自形粒柱狀結構（見圖1（c）），部分可見近六邊形或板狀晶體截面，可見解理，部分可見加大邊結構特征，分布于板狀斜長石格架中（見圖1（a）），顆粒間被玻璃質充填，局部被綠泥石及方解石等交代，粒徑為0.01~0.25mm。

玻璃質：約18%，隱晶質，淺褐黃色（見圖1（a）），沿板狀斜長石及輝石等顆粒間充填，正交鏡下全消光。

綠簾石（Ep）：少量，呈不規則粒狀，交代輝石和斜長石等，粒徑為0.01~0.20mm。

綠泥石（Chl）：約3%，鱗片狀，淺綠色-褐綠色，交代斜長石和輝石等，局部沿氣孔邊緣分布，粒徑為0.01~0.05mm。

絹云母（Ser）：少量，鱗片狀，交代斜長石等，粒徑小于0.10mm。

方解石（Cal）：約8%，呈不規則粒狀結構，交代斜長石和輝石等，局部沿巖石裂隙充填，呈脈狀分布，或沿巖石氣孔充填，呈膠環狀集合體與放射狀石英等構成杏仁體，部分可見發育解理，高級白干涉色（見圖1（c）），粒徑為0.01~0.30mm。

石英（Qtz）：少量，不規則粒狀，多沿巖石氣孔充填（見圖1（c）），集合體呈放射狀，波狀消光，與方解石等共生，粒徑小于0.10mm。

磁鐵礦（Mt）：約8%，呈自形-半自形粒狀，可見其菱形十二面體晶體截面特征，沿裂隙及邊緣被黃鐵礦及赤鐵礦等交代（見圖1（d）、圖1（e）），呈細脈狀或尖角狀結構等，磁鐵礦等零散分布于斜長石和輝石等顆粒間，粒徑為0.002~0.250mm。

赤鐵礦（Hem）：微量，呈不規則粒狀，交代磁鐵礦（見圖1（f）），粒徑為0.002~0.020mm。

黃鐵礦（Py）：少量，呈不規則粒狀零散分布于斜長石和輝石等顆粒間，部分集合體呈細脈狀，偶見立方體晶體截面（見圖1（e）），多沿磁鐵礦邊緣及裂隙交代，粒徑為0.002~0.100mm。

集料鑒定名稱：（杏仁狀）含鐵質輝石玄武巖。

1.1.3 集料酸堿性

在道路鋪筑中所用的集料可分為酸性集料和堿性集料，但實際情況復雜，集料一般均同時存在酸性和堿性成分，只是含量多少而已。一般以SiO2含量判斷集料的酸堿性：SiO2含量＞65%為酸性，52%＜SiO2含量＜65%為中性，SiO2含量＜52%為堿性[2]。

參照《水泥化學分析方法》（GB/T176—2008）測定馬普托地材集料的酸堿性，得到其中的SiO2含量為42.67%，故該集料屬于堿性集料。

1.2 集料基本性能

1.2.1 集料規格

馬普托地材集料共計3種規格：5~10mm、3~5mm和0~3mm，根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40—2004），這3種規格分別對應瀝青混合料S12、S14和S16這3檔集料。馬普托地材集料的篩分通過率結果和集料規格要求見表1、表2。

由表1、表2中的篩分通過率可以看出，馬普托地材3檔集料的篩分結果均符合《公路瀝青路面施工技術規范》中對集料規格的要求，通過合理摻配可以對其進行配合比設計。

表1 馬普托地材集料篩分結果

表2 瀝青混合料用集料規格

1.2.2 集料性能試驗

針對馬普托地材集料，分別進行集料密度、壓碎值、針片狀含量和黏附性等級等試驗，試驗結果見表3、表4。

表4 馬普托細集料（0~2.36mm）性能試驗結果

由表3、表4可知：馬普托集料的性能均能夠較好地滿足《公路瀝青路面施工技術規范》基本要求，匹配性良好。

表3 馬普托粗集料（2.36~9.5mm）性能試驗結果

2 礦粉匹配性研究

2.1 礦粉巖性鑒定

對馬普托地材礦粉進行巖性鑒定。由于礦粉為粉末狀試樣，故無法進行結構構造鑒定。在NIKON LV100POL型偏反光顯微鏡下對粉末狀礦粉試樣進行觀察，結果見圖2。

圖2 礦粉試樣光薄片在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下的形貌

2.1.1 結構組分

樣品經由環氧樹脂攪拌，凝固后加工成光薄片，在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下進行觀察，發現其組分主要為斜長石（60%）、輝石（22%）、角閃石（4%）和玻璃質（3%）等，含綠簾石（少量）、方解石（3%）、綠泥石（少量）和絹云母（微量），金屬礦物有磁鐵礦（5%）、赤鐵礦（約2%）、黃鐵礦（少量）和褐鐵礦（微量）等。

斜長石（Pl）：約60%，呈不規則粒狀，部分見板狀晶體截面特征，偶見解理及聚片雙晶，一級灰白干涉色，偶見輝石細小顆粒和玻璃質分布于斜長石格架中（見圖2（a）），局部被方解石、綠泥石、絹云母和綠簾石等交代（見圖2（b）），粒徑為0.01~0.20mm。

輝石（Px）：約22%，呈不規則粒狀，部分可見解理，偶見分布于板狀斜長石格架中，并且顆粒間被玻璃質充填（見圖2（a）），局部被綠泥石及方解石等交代，粒徑為0.002~0.100mm。

角閃石（Hbl）：約4%，呈不規則粒狀，綠色-深綠色，顯多色性，可見解理，多單晶體分布，粒徑為0.002~0.100mm。

玻璃質：約3%，隱晶質，淺褐黃色（見圖2（a）），沿板狀斜長石和輝石等顆粒間充填，正交鏡下全消光。由于玻璃質與環氧樹脂膠在透射光下均為無色，且具全消光特征，因此粉末試樣中不好區分，含量估計偏少。

綠簾石（Ep）：少量，呈不規則粒狀，交代斜長石等（見圖2（b）），粒徑為0.01~0.10mm。

綠泥石（Chl）：少量，鱗片狀，淺綠色，交代角閃石和輝石等，粒徑小于0.05mm。

絹云母（Ser）：微量，鱗片狀，交代斜長石等，粒徑小于0.05mm。

方解石（Cal）：約3%，呈不規則粒狀，交代斜長石和輝石等，高級白干涉色（見圖2（a）），粒徑為0.002~0.100mm。

磁鐵礦（Mt）：約5%，呈不規則粒狀，沿裂隙及邊緣被黃鐵礦和赤鐵礦等交代（見圖2（c）、圖2（d）），呈細脈狀或尖角狀結構等，粒徑為0.002~0.100mm。

赤鐵礦（Hem）：約2%，呈不規則粒狀（見圖2（e）），交代磁鐵礦，粒徑為0.002~0.100mm。

黃鐵礦（Py）：少量，呈不規則粒狀，可見沿磁鐵礦邊緣及裂隙交代，粒徑為0.002~0.050mm。

褐鐵礦（Lm）：微量，呈不規則粒狀或膠狀（見圖2（f）），分布于透明礦物中，褐紅色內反射色，粒徑小于0.05mm。

礦粉鑒定名稱：由于粉末狀試樣無法觀察結構特征，故無法對礦粉進行名稱定性。

2.1.2 礦粉酸堿性

參照《水泥化學分析方法》（GB/T176—2008）測定馬普托地材礦粉的酸堿性，得到其中的SiO2含量為51.40%。由此可知，該礦粉屬于堿性但偏中性，可以用于鋪裝工程。

2.2 礦粉基本性能

針對馬普托地材礦粉，分別進行外觀觀察、礦粉密度試驗和篩分試驗等，試驗結果見表5。

表5 馬普托地材礦粉性能試驗結果

由表5可知，馬普托地材礦粉的性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》基本要求，匹配性良好。

3 瀝青混合料配合比設計及性能驗證

3.1 澆注式瀝青混合料配合比設計及性能驗證

3.1.1 配合比設計

進行澆注式瀝青混合料配合比設計時，所使用的集料與礦粉均為馬普托地材原料。針對地材礦粉過細這一因素，參照交通部已經發行的《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG/T3364-02—2019）中的級配范圍進行配合比設計。

澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10的優化級配及范圍見表6。

表6 澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10的優化級配及范圍

根據優化配合比，結合經驗選取相差0.5%的3種油石比7.3%、7.8%和8.3%作為備選油石比，進行混合料的劉埃爾流動性及貫入度試驗。3種油石比對應的澆注式聚合物改性瀝青混合料流動性與貫入度試驗結果見表7。

表7 不同油石比下澆注式聚合物改性瀝青混合料性能

由表7可知，在礦粉過細優化級配下，最佳油石比位于相對合理的范圍內。3種油石比對于澆注式聚合物改性瀝青混合料的性能影響明顯：7.3%的油石比對應的混合料偏“硬”，流動性超過了1min，將會對現場施工造成較大影響；8.3%的油石比對應的混合料過“軟”，相應的流動性優異，但是貫入度過大，將影響混合料的高溫穩定性；7.8%的油石比對應的混合料性能均符合相關性能的影響，并且成本也可接受。

在允許范圍內，瀝青混合料的優化級配應盡量減少礦粉用量，以保證在礦粉過細的情況下混合料中仍然具有足夠的有效油膜厚度，從而使得正常油石比范圍中的混合料流動性能得到保證。

3.1.2 性能驗證

除了油石比優選時已經得到驗證的流動性和貫入度指標，本文還對澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10的低溫彎曲性能和疲勞性能進行了驗證。-10℃下GA10的低溫彎曲試驗結果和四點彎曲疲勞性能試驗結果見表8、表9。

表8 GA10在-10℃下的低溫彎曲試驗結果

表9 GA10的四點彎曲疲勞性能試驗結果

由表8、表9可知，設計得到的聚合物改性瀝青混合料GA10的低溫性能和四點彎曲疲勞性能均十分優異，能夠達到規范要求。

3.2高彈性改性瀝青混合料SMA配合比設計及性能驗證

3.2.1 配合比設計

根據級配設計理論和礦料篩分結果，確定的SMA10級配組成見表10。

表10 SMA10合成級配表

按照馬歇爾試驗結果，確定高彈性改性瀝青混合料SMA10的最佳油石比為6.3%（摻加0.2%聚酯纖維）；在最佳油石比下，SMA10的體積指標及性能測試結果見表11。由表11可知，在確定的最佳油石比基礎上，設計混合料的空隙率、礦料間隙率、干粗骨料骨架空隙率等體積指標都可以滿足現行規范的基本要求。

表11 SMA10在最佳油石比下的體積指標及性能測試結果

3.2.2 性能驗證

3.2.2.1 抗水損害性能

由于馬普托地材礦粉的巖性偏中性，使得填料與瀝青結合料的黏附不良，在水的作用下，易產生失黏和剝落破壞，從而影響瀝青-集料的整體性，進而影響瀝青混合料的抗水損性能。這對于瀕海多雨的馬普托大橋來說存在較大的風險，所以擬采用適當降低空隙率的方法（控制混合料的空隙率接近3%）來提高混合料的抗水損能力[3-5]。

表12為改善前后的SMA10抗水損害性能。

由表12可知，降低空隙率能夠明顯提升SMA混合料的抗水損害性能，改善后其凍融劈裂殘留強度比為87.8%，高于規范要求的85%。

表12 改善前后SMA10的抗水損害性能

3.2.2.2 高溫抗車轍性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ052—2000）中T0719的試驗方法測試了60℃和70℃重載時SMA10車轍的動穩定度，結果見表13。由表13可以看出，高彈性改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能符合規范技術要求。

表13 SMA10高溫抗車轍試驗結果

3.2.2.3 低溫彎曲性能

瀝青混合料的低溫極限變形能力可通過低溫大梁彎曲試驗測試。SMA10低溫大梁彎曲試驗結果見表14。可以看出，高彈性改性瀝青混合料SMA10的-10℃低溫大梁彎曲應變值大于7000μm/m，滿足本項目研究提出的要求[6]。

表14 SMA10低溫大梁彎曲試驗結果

3.2.2.4 四點彎曲疲勞性能

對高彈性改性瀝青混合料SMA10進行2種微應變情況下的疲勞研究，得到2種微應變下的疲勞性能，結果見表15。由表15可知，SMA10在2種微應變情況下的疲勞性能均十分優異。

表15 SMA10的疲勞試驗結果

4 結語

（1）經過鑒定，馬普托集料地材為(杏仁狀)含鐵質輝石玄武巖，屬于堿性集料，各項性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》中對瀝青路用混合料集料的相關要求。

（2）馬普托地材礦粉巖性為堿性巖性，各項技術性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》對路用混合料集料的相關要求，但其中礦粉0.075mm篩孔通過率偏高，總體符合使用要求。

（3）針對馬普托大橋地材進行了澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10和高彈性改性瀝青混合料SMA10的配合比設計，并通過各項路用性能指標進行驗證，發現根據馬普托地材設計得到的兩種混合料配合比能夠符合馬普托大橋橋面鋪裝的使用要求。