澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量檢測(cè)
——以泰州大橋鋼橋面鋪裝工程為例

陳馥利，虎 見(jiàn),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(xué)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(lái)在大跨徑鋼箱梁橋得到了較多的應(yīng)用，例如青馬大橋、江陰大橋、山東勝利黃河大橋、安慶長(zhǎng)江大橋、長(zhǎng)沙三叉磯大橋、貴州北盤(pán)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(shè)計(jì)及施工質(zhì)量檢測(cè)。

泰州大橋處于長(zhǎng)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(zhǎng)2 160 m(2×1 080 m),鋼箱梁結(jié)構(gòu)選擇扁平流線形全焊接鋼箱梁，橋面寬度為36.7 m，行車(chē)道橋面寬度22.5 m，雙向六車(chē)道布置，中間帶寬為2.0 m。根據(jù)氣象資料，泰州大橋?qū)儆诒眮啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，橋位所在地區(qū)30年來(lái)，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(yù)測(cè)，未來(lái)20年泰州大橋年平均日交通量(累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)來(lái)看，橋面系剛度已經(jīng)滿(mǎn)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(guó)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(lèi)常用的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)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?？紤]鋼橋面鋪裝在防水、強(qiáng)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(jié)力以適應(yīng)鋼板在溫度與行車(chē)荷載作用下的復(fù)雜變形，而鋪裝上層混凝土應(yīng)具有高強(qiáng)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(dá)70%～80%，過(guò)多的粗集料難以與鋼板達(dá)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(diǎn)無(wú)法達(dá)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(jiǎn)稱(chēng)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(huì)出現(xiàn)水損害現(xiàn)象，且對(duì)鋼板追從性好，能有效分散車(chē)輛荷載。此外，澆注式瀝青混合料瀝青用量達(dá)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(kāi)裂能力，是良好的下層鋪裝材料。

環(huán)氧瀝青是由環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑與基質(zhì)瀝青經(jīng)過(guò)復(fù)雜的固化反應(yīng)得到的混合物，固化反應(yīng)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(xué)性能。環(huán)氧瀝青摻加一定比例的鋼橋面專(zhuān)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(wú)法比擬的高強(qiáng)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(duì)國(guó)內(nèi)外已有鋼橋面鋪裝方案進(jìn)行對(duì)比分析并對(duì)鋪裝實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)車(chē)型軸載重、遠(yuǎn)景交通量大的特點(diǎn)，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(guó)內(nèi)屬首次，給設(shè)計(jì)和施工均帶了前所未有的難度和挑戰(zhàn)。

1.3 鋪裝結(jié)構(gòu)組合

在對(duì)國(guó)內(nèi)外常用鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)和鋪裝厚度進(jìn)行調(diào)查研究的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)和厚度：行車(chē)道鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)厚度60 mm，結(jié)構(gòu)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(jié)層+35 mm下層澆注式瀝青混凝土+0.50 mm防水黏結(jié)層；中間帶鋪裝設(shè)計(jì)厚度65 mm，結(jié)構(gòu)組合為30 mm上層澆注式瀝青混凝土+0.2 mm層間黏結(jié)層+35 mm下層澆注式瀝青混凝土+0.5 mm防水黏結(jié)層；鋼橋面檢修道首先進(jìn)行噴砂除銹，然后涂2 mm環(huán)氧樹(shù)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(shè)計(jì)

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(diǎn)，并借鑒德國(guó)、日本、英國(guó)等提出的澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，提出泰州大橋下層澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)如下：

1)通過(guò)調(diào)研江陰長(zhǎng)江大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋試驗(yàn)橋(凍青橋)、安慶長(zhǎng)江大橋以及日本澆注式鋪裝方案，并分析不同的級(jí)配形式及其鋪裝使用效果，以及級(jí)配變化對(duì)混合料性能的影響，結(jié)合泰州大橋的實(shí)際條件，確定泰州大橋澆注式瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍。泰州大橋澆注式瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍如表1所示。

表1 泰州大橋澆注式瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍

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

3)根據(jù)集料和礦粉篩分結(jié)果，初定澆注式瀝青混合料級(jí)配。

4)進(jìn)行不同油石比的澆注式瀝青混合料劉埃爾試驗(yàn)、貫入度試驗(yàn)、車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)，確定最佳油石比。

5)檢驗(yàn)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(duì)澆注式瀝青混合料的質(zhì)量有非常關(guān)鍵的影響，雖然澆注式瀝青混合料高溫穩(wěn)定性主要依賴(lài)膠漿的性能，對(duì)集料的要求沒(méi)有SMA嚴(yán)格，但也要求粗集料堅(jiān)硬、耐磨，與瀝青具有良好的黏附性；澆注式瀝青混合料中細(xì)集料占有比例大，其主要作用是吸附瀝青結(jié)合料，填充粗集料骨架之間的空隙，增加密實(shí)度，對(duì)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(dòng)性，便于施工，可在細(xì)集料中摻加一定比例的天然砂；但所用比例需要限制，因?yàn)樘烊簧芭c瀝青的黏附性較差，對(duì)高溫抗車(chē)轍不利。經(jīng)過(guò)對(duì)多家玄武巖生產(chǎn)單位進(jìn)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(xiàng)性能指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)均能滿(mǎn)足鋼橋面鋪裝的特殊要求。

2.1.2 結(jié)合料

澆注式瀝青混合料是典型的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，混合料中瀝青含量超過(guò)7%，其強(qiáng)度來(lái)源于結(jié)合料的黏結(jié)力，因此結(jié)合料對(duì)混合料的性能起著決定性作用。在選擇瀝青時(shí)，既要保證瀝青結(jié)合料有較高的黏度，以提高混合料的強(qiáng)度，又要避免使用太硬的瀝青，以不影響其流動(dòng)度和低溫抗裂性。英國(guó)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(zhì)瀝青，湖瀝青參量高，通常在50%～70%。日本學(xué)者認(rèn)為摻加過(guò)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(zhì)瀝青與湖瀝青摻配。泰州大橋通過(guò)對(duì)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(cè)澆注式瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在保證混合料高溫施工有較好流動(dòng)性的同時(shí)，提高混合料的高溫抗車(chē)轍、低溫抗開(kāi)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(zhì)量比)摻配的混合瀝青作為泰州大橋的結(jié)合料。結(jié)合料檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 混合瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2.1.3 礦粉

在澆注式瀝青混合料中，礦粉的作用至關(guān)重要，礦粉用量很大，達(dá)到25%左右，礦粉與瀝青相互作用后，瀝青化學(xué)組分在礦粉表面重新排列，形成結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)瀝青所占比例大，礦粉顆粒之間的黏結(jié)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(xì)度即較大的比表面積，保證顆粒粒徑小于0.075 mm的通過(guò)率大于80%。此外，礦粉應(yīng)干燥、潔凈、無(wú)雜質(zhì)，使用時(shí)不出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，在澆注式瀝青混合料生產(chǎn)時(shí)，由于礦粉用量大，混合料的拌制溫度要求高，所以應(yīng)提前對(duì)礦粉進(jìn)行預(yù)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(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 確定級(jí)配

根據(jù)各種礦料以及礦粉篩分結(jié)果，確定混合料的合成級(jí)配，如表3所示。

表3 混合料合成級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 最佳油石比確定

根據(jù)合成級(jí)配，采用30#直餾瀝青與湖瀝青按70∶30(質(zhì)量比)比例配制的結(jié)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(duì)3種不同油石比的混合料進(jìn)行劉埃爾流動(dòng)度試驗(yàn)、40 ℃貫入度及貫入度增量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同油石比下的混合料流動(dòng)度、貫入度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，油石比為8.9%、9.2%時(shí)混合料的流動(dòng)度、貫入度及增量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)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(shí)各種礦料所占質(zhì)量比為：2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=30∶10∶36∶24，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1 混合料合成級(jí)配曲線

2.2.3 混合料低溫性能檢驗(yàn)

對(duì)油石比為8.9%的混合料的低溫性能檢驗(yàn)，方法采用日本鋪裝試驗(yàn)便覽中的-10 ℃、15 mm/min破壞彎曲應(yīng)變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明油石比為8.9%的混合料低溫彎曲應(yīng)變滿(mǎn)足大于設(shè)計(jì)要求的6.0×10-3με，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，小梁低溫彎曲試驗(yàn)如圖2所示。

表5 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖2 低溫彎曲試驗(yàn)

3 泰州大橋澆注式瀝青混合料施工檢測(cè)

由該配合比指導(dǎo)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(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和施工要求，具體試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 澆注式瀝青混合料施工檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)根據(jù)鋼橋面雙層上下層功能的不同以及對(duì)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(jìn)行性能對(duì)比分析,提出泰州大橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)為“下層澆注式瀝青混凝土+上層環(huán)氧瀝青混凝土”，重點(diǎn)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(shè)計(jì)。

2)檢驗(yàn)集料、礦粉、結(jié)合料的力學(xué)性能，確定合成級(jí)配2#料∶3#料∶4#料∶礦粉=30∶10∶36∶24(質(zhì)量比)，最佳瀝青用量8.9%時(shí)，混合料的高低溫性能最優(yōu)且均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

3)該配合比指導(dǎo)生產(chǎn)的澆注式瀝青混合料應(yīng)用于泰州大橋鋼橋面實(shí)體工程，經(jīng)施工檢測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。泰州大橋自通車(chē)后，運(yùn)營(yíng)狀況良好，其澆注式瀝青混合料鋪裝材料能滿(mǎn)足當(dāng)?shù)貧夂?、交通條件。澆注式瀝青混合料成功應(yīng)用于泰州大橋下層鋪裝，可為我國(guó)大跨徑鋼橋面鋪裝研究起到一定的參考作用。

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