輝綠巖用于鋼橋面鋪裝SMA適用性分析

歐陽(yáng)男， 楊群， 程志強(qiáng)

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550014； 2.同濟(jì)大學(xué) 道路與鐵道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

畢都高速公路北盤江大橋鋼橋面鋪裝工程采用瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)作為鋪裝磨耗層。SMA因其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性及抗滑性而廣泛應(yīng)用于鋼橋面鋪裝磨耗層。瀝青混合料中集料占其比重的90%以上，因此集料的選擇對(duì)瀝青混合料的體積參數(shù)以及路用性能有非常重要的影響。而相比普通路面，鋼橋面鋪裝層對(duì)所用的集料要求較高，需針對(duì)鋼橋面鋪裝的特殊性，結(jié)合本地的具體工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼橋面鋪裝用集料的物理力學(xué)性能進(jìn)行重點(diǎn)考察。

鋼橋面鋪裝對(duì)集料的特殊要求表現(xiàn)之一是要求粗集料受高溫后仍保持抗荷載壓碎的能力。鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)要求決定了粗集料在生產(chǎn)施工過(guò)程中需要在持續(xù)高溫的條件下承受施工設(shè)備反復(fù)揉壓的復(fù)雜力學(xué)作用。因此在高溫條件下保持足夠的抗壓碎能力是評(píng)價(jià)鋼橋面鋪裝用粗集料的重要技術(shù)指標(biāo)。

另外，鋼橋面鋪裝對(duì)SMA的體積設(shè)計(jì)要求宜趨嚴(yán)格。這是因?yàn)?，為了確保鋼橋面鋪裝與鋼板之間的協(xié)調(diào)變形，確保鋪裝層瀝青混合料的抗裂性能，在設(shè)計(jì)鋪裝層混合料時(shí)一般選用偏上限的油石比。因此可能提高SMA泛油的風(fēng)險(xiǎn)，為了降低這一風(fēng)險(xiǎn)，需要更加嚴(yán)格的體積設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。這就需要在集料選型時(shí)注意集料級(jí)配與其物理性質(zhì)的匹配，從而確保目標(biāo)配合比的體積參數(shù)更加合理。

根據(jù)貴州地區(qū)的路面工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，北盤江大橋設(shè)計(jì)文件采用玄武巖作為SMA粗集料，但由于輝綠巖材料離建設(shè)項(xiàng)目距離較近，本著原材料就地取材，節(jié)約工程費(fèi)用的考慮，項(xiàng)目建設(shè)方特委托項(xiàng)目組開(kāi)展鋼橋面鋪裝工程應(yīng)用輝綠巖集料的適用性分析與研究。

基于上述因素，該文選擇羅甸輝綠巖料場(chǎng)集料與清鎮(zhèn)產(chǎn)玄武巖集料，通過(guò)物相分析、原材料物理力學(xué)分析、混合料配合比設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)等技術(shù)措施對(duì)輝綠巖用于鋼橋面鋪裝SMA進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，以及對(duì)采用輝綠巖粗集料與玄武巖粗集料的兩種SMA混合料性能進(jìn)行對(duì)比，部分結(jié)論將為該地區(qū)與類似地區(qū)的鋼橋面鋪裝原材料(集料)選型提供一定參考依據(jù)。

1 集料試驗(yàn)

鋼橋面鋪裝表層受行車荷載與自然環(huán)境因素的長(zhǎng)期共同作用，要求具有良好的結(jié)構(gòu)性能，以及良好的長(zhǎng)期抗滑性能。而集料的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)鋪裝層抗變形、耐久性和抗滑性等使用性能有非常重要的影響。

首先采用輝綠巖與玄武巖進(jìn)行堅(jiān)固性、壓碎值、磨耗值和磨光值等反映粗集料潛在抗滑耐磨耗性能的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果如表1、2所示。

表1 兩種集料的壓碎值、磨耗值試驗(yàn)結(jié)果

表2 兩種集料的磨光值試驗(yàn)結(jié)果

2 物相分析

由于特殊的施工與運(yùn)營(yíng)條件，用于鋼橋面鋪裝的集料技術(shù)指標(biāo)普遍高于其他工程。其中一個(gè)重要屬性表現(xiàn)為集料在經(jīng)高溫加熱后能夠保證強(qiáng)度不明顯下降的特性，在集料力學(xué)指標(biāo)中可以采用高溫壓碎值表征。通過(guò)對(duì)進(jìn)熱料倉(cāng)前后輝綠巖的冷、熱料進(jìn)行物相分析，可以對(duì)比集料受短時(shí)極端高溫條件后的組成成分變化情況，有助于深入認(rèn)識(shí)輝綠巖集料的耐高溫性能。通過(guò)X射線粉末衍射試驗(yàn)(XRD)，對(duì)比冷、熱料XRD譜的變化狀態(tài)，可以找出輝綠巖中受熱不穩(wěn)定成分。

試驗(yàn)前，將輝綠巖集料研磨成細(xì)粉，篩取粒徑小于325目細(xì)粉進(jìn)行XRD試驗(yàn)。XRD試驗(yàn)采用連續(xù)掃描，掃描角度3°～90°，掃描速度2°/min～4°/min，步長(zhǎng)0.02°。

圖1、2為輝綠巖熱料與冷料分別進(jìn)行XRD試驗(yàn)及物相分析結(jié)果。由圖可見(jiàn)：圖譜在12°與28°左右發(fā)現(xiàn)明顯峰值，其中28°的峰值屬于鈉長(zhǎng)石的峰值之一，而12°左右的峰值可能為斜綠泥石及與鐵蛇紋石峰值之一的疊加。此外，諸多局部譜圖峰值也與斜綠泥石及鐵蛇紋石的峰值較為吻合。因此初步分析表明，此次試驗(yàn)采用的輝綠巖樣品主要含有鈉長(zhǎng)石、斜綠泥石以及鐵蛇紋石。

通過(guò)對(duì)比進(jìn)熱料倉(cāng)前后集料物相組成的變化可知，冷、熱料的組成成分除在局部峰值略有改變外，基本峰值并未發(fā)生顯著改變。這說(shuō)明集料在加熱前后，成分沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明輝綠巖集料受熱后仍然較為穩(wěn)定，沒(méi)有其他物質(zhì)的產(chǎn)生。

圖1 輝綠巖(熱料)XRD譜圖

圖2 輝綠巖(冷料)XRD譜圖

3 集料物理力學(xué)特性分析

表3、4為輝綠巖細(xì)、粗集料試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。同時(shí)為了評(píng)價(jià)集料質(zhì)量的穩(wěn)定性，將其他采用同種輝綠巖集料作為粗集料的歷史測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比。分析表明：采用輝綠巖集料質(zhì)量穩(wěn)定。同時(shí)為了評(píng)價(jià)其高溫條件下的物理力學(xué)性能，測(cè)試了石料高溫壓碎值。高溫壓碎值是在200 ℃溫度下，保溫4 h后采用常規(guī)壓碎值試驗(yàn)相同的方法試驗(yàn)。表3數(shù)據(jù)表明：輝綠巖粗集料具有良好的高溫穩(wěn)定性能，這與集料物相分析的結(jié)論相一致。

表3 輝綠巖細(xì)集料測(cè)試結(jié)果

表4 輝綠巖粗集料測(cè)試結(jié)果

注：歷史測(cè)試值為該地區(qū)其他應(yīng)用輝綠巖作為集料的工程中所提供的數(shù)據(jù)。

4 輝綠巖集料對(duì)SMA配比設(shè)計(jì)與性能的影響

4.1 原材料

(1) 瀝青。SMA膠結(jié)料采用高彈改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

為了平衡不同主體間的利益，需要建立有效的利益協(xié)同和補(bǔ)償機(jī)制，平衡了利益主體之間的利益訴求，在制度上給予激勵(lì)以解決合作動(dòng)力不足的問(wèn)題[10]。為了鼓勵(lì)企業(yè)積極參加到治理過(guò)程中，政府可以對(duì)部分企業(yè)提供補(bǔ)貼，提高工作人員的積極性，同時(shí)企業(yè)也能在此過(guò)程中樹(shù)立公益形象，獲得大眾更多的消費(fèi)傾向和政府的政策傾向，不斷整合資源和增強(qiáng)主體意識(shí)。再者，如今“新零售”的出現(xiàn)通過(guò)線上與線下同款同價(jià)，消費(fèi)場(chǎng)景碎片化，營(yíng)造全鏈條的生態(tài)，實(shí)現(xiàn)跨渠道的融通，政府鼓勵(lì)企業(yè)開(kāi)展線下活動(dòng)，消費(fèi)者可以通過(guò)線上購(gòu)物線下退換貨等方式支持電商新的營(yíng)銷方式。

表5 高彈改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

(2) 集料與礦粉。試驗(yàn)采用的集料主要為輝綠巖和石灰?guī)r集料，不同粒徑集料以及礦粉的密度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 集料和礦粉密度的測(cè)試結(jié)果

(3) 級(jí)配。在進(jìn)行高彈改性瀝青SMA-10混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，馬歇爾試件采用雙面各擊實(shí)75次的方法成型，試件尺寸高度誤差的允許范圍為(63.5±1.3) mm。SMA-10混合料配合比設(shè)計(jì)以5～10 mm輝綠巖、3～5 mm石灰?guī)r、0～3 mm石灰?guī)r作為控制組(SH)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；以3～5 mm輝綠巖、0～3 mm輝綠巖細(xì)集料取代控制組中的兩檔集料進(jìn)行對(duì)照組(HL)的配合比設(shè)計(jì)，然后分析對(duì)比兩種混合料的路用性能。作為對(duì)比的SMA-10混合料的合成級(jí)配曲線見(jiàn)圖3。

4.2 控制組最佳油石比的確定

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，得到的毛體積密度、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)以及穩(wěn)定度(MS)與油石比的關(guān)系曲線，如圖4所示。按油石比為5.8%確定的空隙率為3.6%，作為控制級(jí)配。

圖3 SMA-10合成級(jí)配曲線

圖4 控制組油石比與馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系

4.3 輝綠巖細(xì)集料對(duì)SMA性能參數(shù)的影響

采用相同的合成級(jí)配，配制的對(duì)照組(全為輝綠巖)和控制組合成級(jí)配，取3.6%空隙率時(shí)的最佳油石比為6.5%?？刂平M與對(duì)照組混合料的性能驗(yàn)證結(jié)果如表7所示。

表7 SMA-10混合料性能驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)表7對(duì)比兩組SMA-10的體積參數(shù)與性能指標(biāo)做如下討論：

(1) 采用輝綠巖代替石灰?guī)r作為SMA細(xì)集料后，SMA的最佳油石比增加(約0.7%)，礦料間隙率增加(約1.95%)，瀝青飽和度增加(約2.5%)。這可能是由于輝綠巖細(xì)集料總體相對(duì)于石灰?guī)r吸水率較高(表6)，在瀝青混合料拌和過(guò)程中吸收了更多的瀝青，致使油石比增加。

(2)VMA是SMA設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一，根據(jù)筆者工程經(jīng)驗(yàn)，石灰?guī)r粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料或輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料一般不容易達(dá)到VMA大于17%的要求，因此為了達(dá)到要求，工程上需要適當(dāng)?shù)亟档蚔MA的下限至16.5%。而通過(guò)此次試驗(yàn)可知，全部采用輝綠巖粗、細(xì)集料的SMA-10不但可以滿足17%的要求，還仍有富余。說(shuō)明全部采用輝綠巖粗、細(xì)集料的SMA方案相比輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料的組合在體積參數(shù)方面亦是合理可行的。VMA大于17%的要求實(shí)際上是中國(guó)在學(xué)習(xí)引入SMA時(shí)直接引入的。在歐美等使用SMA的國(guó)家并無(wú)采用石灰?guī)r作為細(xì)集料的工程習(xí)慣，因此該指標(biāo)可以較為容易達(dá)到。而中國(guó)普遍習(xí)慣采用石灰?guī)r作為細(xì)集料，粗集料則普遍采用比重較大的玄武巖或輝綠巖，因此在計(jì)算SMA的礦料間歇率時(shí)，不易達(dá)到VMA的要求。因此根據(jù)中國(guó)的實(shí)際工程用料情況，VMA指標(biāo)宜做適當(dāng)調(diào)整。

總的來(lái)說(shuō)，采用輝綠巖粗、細(xì)集料的組合用于SMA是可行的。在選擇集料組合方案應(yīng)針對(duì)鋼橋面具體的情況進(jìn)行討論。一方面，全輝綠巖集料SMA方案提高了瀝青用量，并降低了高溫性能，但同時(shí)對(duì)抗水損害、抗疲勞、抗變形能力方面具有顯著提升，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各方面性能后作出選擇。

根據(jù)畢都高速北盤江大橋鋼橋面的情況，以及前期對(duì)于貴州地區(qū)鋼橋面鋪裝使用狀況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)SMA磨耗層的主要病害為3類：① 層間滑移；② 由于層間滑移開(kāi)裂引發(fā)的瀝青混合料水破壞；③ 車轍。同類型鋼橋面鋪裝并無(wú)出現(xiàn)疲勞裂縫類病害。因此從混合料設(shè)計(jì)角度來(lái)看，建議在橋面SMA設(shè)計(jì)中以降低車轍風(fēng)險(xiǎn)為主。由于采用輝綠巖細(xì)集料會(huì)造成SMA的抗車轍性能一定程度下降，因此根據(jù)專家討論與建議，最終采用輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料的方案。

5 結(jié)論

結(jié)合畢都高速公路北盤江大橋鋼橋面鋪裝工程對(duì)輝綠巖用于鋼橋面鋪裝的可行性進(jìn)行了討論，主要結(jié)論如下：

(1) 輝綠巖高溫壓碎值為 12.9%，高溫抗壓性能優(yōu)于玄武巖，洛杉磯磨耗值為 18.8%，磨光值為46，能滿足作為抗滑表層集料的技術(shù)要求。

(2) 物相分析表明：貴州地區(qū)出產(chǎn)輝綠巖組成成分具有良好的高溫穩(wěn)定性以及高溫處理后保持強(qiáng)度不顯著下降的特性，是作為鋼橋面鋪裝集料的理想選擇。

(3) 選用全輝綠巖粗、細(xì)集料的SMA混合料相比輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料更容易達(dá)到體積參數(shù)要求。

(4) 輝綠巖細(xì)集料用于橋面鋪裝SMA是可行的，但需要考慮輝綠巖細(xì)集料對(duì)SMA路用性能帶來(lái)的影響。在低溫多雨地區(qū)，采用全輝綠巖粗、細(xì)集料的SMA混合料是比較理想的選擇。

(5) 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與同類型橋面鋪裝使用效果，建議采用輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料的方案，該文的部分結(jié)論對(duì)于低溫多雨地區(qū)的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)選型具有一定參考意義。