輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料在淮安大橋主橋橋面鋪裝中的應(yīng)用研究

陳建勇 羅瑞林 徐肖龍 張 輝

(1.江蘇宿淮鹽高速公路管理有限公司 淮安 223001； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211806)

橋梁是公路建設(shè)的重要組成部分，而水泥混凝土橋梁以高性價(jià)比的特點(diǎn)，在我國近代橋梁建設(shè)中占據(jù)了很大比重，隨著既有橋梁使用時(shí)間的不斷延長及橋面荷載的快速增長與累積，橋梁結(jié)構(gòu)安全性與橋面鋪裝的耐久性都面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)，如何減輕橋梁承重負(fù)擔(dān)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題[1-3]。

國外應(yīng)用于道路工程的輕集料，主要有輕集料瀝青碎石封層和輕集料瀝青混合料?？傮w上，輕集料瀝青混合料的研究與推廣應(yīng)用相比碎石封層要少，在國外應(yīng)用的實(shí)體工程也相對(duì)有限。國內(nèi)有關(guān)輕集料應(yīng)用道路橋梁工程的研究主要集中于輕集料水泥混凝土，關(guān)于輕集料瀝青混凝土開展的研究和工程應(yīng)用極為有限，在實(shí)際鋪面工程的應(yīng)用仍處于起步階段，其工程應(yīng)用價(jià)值沒有受到應(yīng)有的重視[4-6]。

本文依托淮安大橋主橋橋面鋪裝改造工程，采用輕質(zhì)集料替代部分常用玄武巖集料，減小混合料重量，提高混合料模量，并形成相關(guān)施工工藝。通過對(duì)輕質(zhì)高模量瀝青混合料LHMAC-13(lightweight, high modulus asphalt concrete，LHMAC)在淮安大橋主橋橋面鋪裝改造工程中的應(yīng)用研究，以期為輕質(zhì)高模量瀝青混合料的推廣和應(yīng)用提供參改。

1 工程概況

淮安大橋主橋是一座雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土全漂浮體系斜拉橋，原橋面鋪裝結(jié)構(gòu)為4 cm玄武巖SMA-13+6.5cm石灰?guī)r纖維AC-16，建成通車已有11年，由于淮安大橋箱梁自重大，橋面板凹凸不平，局部鋪裝超厚超重，且出現(xiàn)平整度衰減和車轍等病害，對(duì)橋梁安全和耐久性十分不利，需對(duì)淮安大橋主橋第一車道、應(yīng)急車道進(jìn)行鋪裝改造。本次主橋橋面鋪裝改造工程以降低鋪裝重量與提升鋪裝性能為目標(biāo)，為了在維持原設(shè)計(jì)高程幾乎不變的情況下提升鋪裝線形平順性及鋪裝結(jié)構(gòu)耐久性，采用8 cm下層輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料+3 cm上層抗凝冰磨耗層，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)相比現(xiàn)有鋪裝減重1.35×104kN，下層采用輕質(zhì)高強(qiáng)密水瀝青混合料，其密度為2.2 g/cm3，相比常規(guī)玄武巖瀝青混合料，降低密度20%，減輕了鋪裝重量。另外，采用復(fù)合高模量劑，有效提高抗車轍性能，提高了路面的耐久性。

圖1 第一車道、應(yīng)急車道鋪裝結(jié)構(gòu)方案

2 輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料LHMAC-13配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

本工程所用常規(guī)集料為玄武巖，規(guī)格為10～15，5～10，3～5，0～3 mm。輕質(zhì)集料為碎石型頁巖陶粒，規(guī)格為5～10，0～3 mm，輕質(zhì)陶粒密度為1.6 g/cm3，遠(yuǎn)小于玄武巖的密度，僅為玄武巖密度的55%，且其吸水率低，與瀝青黏附性好。瀝青為70號(hào)道路石油瀝青，復(fù)合高模量劑為江蘇中路工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的HM-1高模量改性劑。經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)原材料均符合JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

2.2 級(jí)配選擇

為保證混合料的密水效果，一方面2.36 mm及以上篩孔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)參考AC中值與上限部分；另一方面，考慮提高油石比，使混合料處于“富油”狀態(tài)，避免輕質(zhì)集料被壓碎，提高0.075 mm篩孔集料通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，參考法國高模量混合料設(shè)計(jì)方法，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)。本工程采用的輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料級(jí)配如表1所示。

表1 輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料LHMAC-13級(jí)配

2.3 最佳油石比確定

按優(yōu)選級(jí)配比例配料，所添加復(fù)合高模量劑的摻量為混合料質(zhì)量的1.0%，壓實(shí)溫度為145 ℃。分別采用油石比4.7%，5.0%，5.3%進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)(試驗(yàn)條件為60 ℃)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 LHMAC-13設(shè)計(jì)級(jí)配馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可知，油石比為5.0%時(shí)，穩(wěn)定度達(dá)到最大值，因而選擇5.0%為設(shè)計(jì)油石比。

LHMAC-13設(shè)計(jì)結(jié)果為礦料比例m(1號(hào)料)∶m(2號(hào)料)∶m(3號(hào)料)∶m(4號(hào)料)∶m(輕質(zhì)陶粒)∶m(礦粉)=26.0∶5.0∶5.0∶20.0∶40.0∶4.0，油石比5.0%。LHMAC-13混合料體積指標(biāo)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。LHMAC-13混合料空隙率1.6%，保障了混合料的密水效果。穩(wěn)定度達(dá)14.44 kN，流值為4.31 mm，表明其高溫性能優(yōu)異。

表3 LHMAC-13混合料體積指標(biāo)及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料的路用性能研究

按JTG E20-2011規(guī)定，對(duì)成型馬歇爾試件和車轍試件進(jìn)行性能檢測(cè)，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)輕質(zhì)高強(qiáng)密水LHMAC-13混合料的性能特點(diǎn)，選擇相同原材料下的SMA-13、輕質(zhì)高強(qiáng)密水LHMAC-13混合料、常規(guī)高強(qiáng)密水HMAC-13混合料進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

1) 水穩(wěn)定性能。通過凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)密水LHMAC-13混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，并與常規(guī)的SBS改性SMA-13混合料、常規(guī)高強(qiáng)密水HMAC-13混合料進(jìn)行對(duì)比。不同混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可見，所設(shè)計(jì)的LHMAC-13混合料殘留穩(wěn)定度MS0與HMAC-13，SMA-13幾乎一樣；劈裂強(qiáng)度比TSR僅比SMA-13瀝青混合料低1.9%，HMAC-13幾乎一樣。由此可見輕質(zhì)高強(qiáng)密水LHMAC-13水穩(wěn)定性能較好，滿足規(guī)范要求。

2) 高溫穩(wěn)定性能。根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，在60 ℃，輪壓為0.7 MPa的條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，評(píng)價(jià)不同混合料的抗車轍性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可見，LHMAC-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到9 500次/mm以上，相比HMAC-13僅減小了9.5%，相比SMA-13混合料提高54%，表明LHMAC-13混合料具有優(yōu)異的抗車轍性能。

3) 低溫抗裂性能。根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)以檢驗(yàn)不同瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 不同混合料的低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可見，所設(shè)計(jì)的LHMAC-13混合料的彎曲應(yīng)變比SMA-13瀝青混合料降低10%，比HMAC-13瀝青混合料降低3.6%，但比技術(shù)要求值高出41.8%，可以認(rèn)為LHMAC-13混合料的低溫抗裂性能滿足要求。

4 依托工程實(shí)施

4.1 施工工藝

1) 拌和。輕質(zhì)陶粒獨(dú)立采用一套干燥筒設(shè)備烘干后，直接與經(jīng)“二次篩分”后的玄武巖、礦粉及膠結(jié)料進(jìn)行拌和。

拌和時(shí)間由試拌確定，且所有集料顆粒全部裹覆瀝青結(jié)合料，并以瀝青混合料拌和均勻?yàn)槎?。先將?fù)合高模量劑與集料進(jìn)行干拌，推薦干拌時(shí)間15 s，然后加入70號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行拌和，拌和時(shí)間約40 s。

2) 攤鋪。在攤鋪LHMAC-13之前，必須對(duì)橋面板拋丸處理后撒布水性環(huán)氧防水黏結(jié)層。水性環(huán)氧瀝青粘結(jié)強(qiáng)度高，施工便利，可以在常溫下進(jìn)行，并且不用加碎石。待水性環(huán)氧防水黏結(jié)層粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到0.7 MPa(40 ℃)以上方可進(jìn)行攤鋪。

3) 碾壓。瀝青混合料壓實(shí)是保證瀝青面層質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，為保證壓實(shí)度和平整度，初壓應(yīng)在混合料不產(chǎn)生推移、開裂等情況下盡量在攤鋪后較高溫度下進(jìn)行。盡可能避免采用鋼輪振動(dòng)碾壓方式，主要采用2臺(tái)鋼輪+3臺(tái)膠輪揉搓方式控制鋪裝層壓實(shí)度，提高橋面鋪裝層密實(shí)度。輕質(zhì)強(qiáng)密水混合料壓實(shí)工藝按表4選用。

表4 建議施工碾壓方案

4.2 質(zhì)量檢測(cè)

淮安大橋主橋輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料鋪裝路面施工完成后，為評(píng)價(jià)LHMAC-13的鋪筑效果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)平整度檢測(cè)、滲水系數(shù)檢測(cè)、取芯壓實(shí)度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料施工質(zhì)量檢測(cè)

由表5可見，平整度均值為0.5 mm，鋪裝層平整度良好；滲水系數(shù)均不超過50 mL/min，輕質(zhì)高強(qiáng)混合料LHMAC-13密水效果良好；橋面具有較高的壓實(shí)度,馬氏壓實(shí)度達(dá)到99.3%。輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料LHMAC-13路面施工質(zhì)量各檢測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1) 輕質(zhì)高強(qiáng)密水混合料所用輕質(zhì)陶粒密度僅為玄武巖密度的55%，輕質(zhì)高強(qiáng)混合料密度相比常規(guī)玄武巖瀝青混合料，降低20%，能有效減小鋪裝層質(zhì)量，減小橋梁承重壓力。

2) LHMAC-13混合料配合比設(shè)計(jì)中，最佳油石比為5.0%，空隙率1.6%，穩(wěn)定度達(dá)14.44 kN，混合料密水效果和高溫性能良好。

3) LHMAC-13混合料高溫抗車轍性能與HMAC-13相當(dāng)，遠(yuǎn)優(yōu)于SMA-13，動(dòng)穩(wěn)定度提高了54%；水穩(wěn)定性與SMA-13，HMAC-13相當(dāng)，低溫抗裂性略低于SMA-13，HMAC-13，但仍滿足規(guī)范要求。

4) LHMAC-13混合料通過采用獨(dú)立加熱筒加熱輕質(zhì)陶粒，保證了混合料的拌和溫度，采用2臺(tái)鋼輪+3臺(tái)膠輪揉搓方式控制鋪裝層壓實(shí)度，提高橋面鋪裝層密實(shí)度。

5) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施檢測(cè)結(jié)果表明LHMAC-13混合料壓實(shí)度為99.3%，碾壓壓實(shí)效果良好，密實(shí)不滲水，平整度良好。

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