集料加工工藝對澆注式瀝青混合料性能的影響

王 芳，高星林，戴建標

（港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519060）

0 引 言

澆注式瀝青混凝土作為鋼橋面鋪裝的主要材料之一，具有優(yōu)異的防水性、抗疲勞性以及隨從鋼板變形的能力等，在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)橋面鋪裝上得到廣泛應(yīng)用。為了避免瀝青混凝土鋪裝過早出現(xiàn)裂縫、車轍等常規(guī)病害，提高使用性能和壽命，國內(nèi)外開展了大量研究，但現(xiàn)有的規(guī)范和研究主要集中在瀝青用量、瀝青材料等方面，對提升瀝青混凝土使用性能的效果有限，且?guī)硐鄬Ω甙旱脑靸r，影響澆注式瀝青混合料的廣泛應(yīng)用；因此混合料中集料的性能及其與混合料性能間相關(guān)性的研究提上日程。彭波［1］通過研究表明，集料的結(jié)構(gòu)組成對瀝青混合料的性能影響非常顯著，粗集料的骨架支撐作用對瀝青混合料的高溫性能起著決定性作用，而細集料的填充性能顯著影響瀝青混合料的耐久性；錢野［2］分析了不同形態(tài)粗集料對混合料高溫性能的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當針片狀含量超過12%后混合料抗剪強度顯著下降，且粗級配對針片狀含量更為敏感；王彥喆［3］在試驗中發(fā)現(xiàn)：集料棱角性越強，其混合料高溫抗剪能力越強；對于密級配瀝青混合料（AC），通過磨耗試驗使粗集料外形改變到一定狀態(tài)時，所引起的混合料性能改變就不再明顯，而對于間斷級配瀝青混合料（SAC、SMA等），集料外形改變對混合料性能的影響比密級配更強烈。

大量研究成果表明，改善集料加工特性對瀝青混凝土鋪裝的使用性能有顯著提高作用，而目前國內(nèi)集料加工水平普遍較低，設(shè)備陳舊、管理粗放、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題突出。為了解決上述問題，港珠澳大橋在技術(shù)方案上首次提出了GMA澆注式瀝青混凝土新技術(shù)，在管理上首次創(chuàng)新實踐了“集料工廠化加工”理念［4］，鼓勵承包人建立現(xiàn)代化的鋪裝專用集料工廠，借鑒食品行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)的模式，進行鋪裝集料的精細加工。本文依托港珠澳大橋工程，闡述普通集料與工廠化生產(chǎn)集料在生產(chǎn)工藝上的主要區(qū)別，并通過反復(fù)試驗對比，分析2種不同工藝生產(chǎn)集料的技術(shù)性能，及其對澆注式 GA-10、GMA-10兩種典型瀝青混合料性能的影響，旨在通過改善集料加工特性來提升港珠澳大橋澆注式瀝青混合料的路用性能，為中國大跨徑橋面鋪裝工業(yè)化施工作出有益探索。

1 集料生產(chǎn)工藝及技術(shù)性能分析

1.1 普通集料生產(chǎn)工藝流程

國內(nèi)生產(chǎn)普通集料的主要設(shè)備有顎式破碎機、圓錐式破碎機、錘式破碎機、反擊式破碎機和立式?jīng)_擊破碎機，常采用顎式破碎機進行初破，然后將超規(guī)格的石料通過皮帶繼續(xù)回到圓錐式破碎機或反擊式破碎機進行第二次破碎，破碎后的粗集料經(jīng)過整形機整形，最后通過不同規(guī)格的篩網(wǎng)篩分成滿足粒徑要求的碎石［5－7］。

1.2 工廠化集料生產(chǎn)工藝流程

（1）工廠化生產(chǎn)集料所用原材料均為半成品料，將優(yōu)質(zhì)基巖中的開采、一破、二破等工序前移至石場附近，集料工廠進場規(guī)格為10～20mm的優(yōu)質(zhì)半成品料［8］。

（2）港珠澳大橋?qū)沧⑹紾MA-10瀝青混合料細集料規(guī)格要求（表1），參照英國（BS 1447—1988）標準所提出的新增0.212mm檔細集料分級，國內(nèi)普通集料加工廠暫無該孔徑篩分設(shè)備，在加工生產(chǎn)過程中亦極易造成篩網(wǎng)堵塞，導(dǎo)致集料串倉。中山集料工廠一方面按照需求導(dǎo)向劃分了粗、細集料生產(chǎn)線，引入食品行業(yè)常用的RCAS空氣篩、多電機振動概率篩及干式除塵設(shè)備，優(yōu)化細集料分檔效果；另一方面引進歐洲技術(shù)的沖擊式立軸破碎機，確保碎石破碎后生產(chǎn)的集料規(guī)格形狀更接近立方體，棱角性及表面紋理更佳。

表1 GMA細集料規(guī)格要求

（3）建立信息化的工業(yè)管控流程，實現(xiàn)全天候生產(chǎn)。通過生產(chǎn)線的智能化集中控制，實現(xiàn)集料數(shù)據(jù)全生命周期的數(shù)字化，生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動記錄、可追溯，并建立無塵化的車間管理，不受天氣變化影響，實現(xiàn)全天候生產(chǎn)，確保集料質(zhì)量的穩(wěn)定性。

1.3 不同工藝集料技術(shù)性能對比

普通粗、細集料分別采用廣東省產(chǎn)2.2cm半成品輝綠巖、石灰?guī)r按照傳統(tǒng)工藝加工而成，工廠化生產(chǎn)粗、細集料選用同種母巖精細加工而成。依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）的規(guī)定，對2種集料的加工特性進行多次重復(fù)檢測，得出主要結(jié)論如下。

（1）與普通工藝生產(chǎn)粗集料相比，10～15mm、5～10mm、3～5mm規(guī)格的工廠化生產(chǎn)的粗集料的堅固性、小于0.075顆粒含量2個指標的平均值分別提高了72.22%、83.33%，軟石含量幾乎為0；10～15mm、5～10mm規(guī)格精細加工的粗集料的針片狀含量、洛杉磯磨耗損值2個指標的平均值分別減少了80.8%、62.71%；10～15mm 粒徑精細加工的粗集料的壓碎值減少了26%。

（2）與普通工藝生產(chǎn)細集料相比，工廠化生產(chǎn)的細集料的亞甲藍值減少了70%，砂當量增加了20%，充分說明工廠化精細加工細集料的潔凈度更高。

2 對GA澆注式混合料性能的影響

2.1 配合比設(shè)計

參照港珠澳大橋已成功實施的級配設(shè)計方法和礦料的篩分結(jié)果，得到其合成級配，如表2所示。

表2 GA-10礦料級配

根據(jù)上述已確定的級配，初定澆注式瀝青混合料的油石比為7.4%、7.7%、8%。拌合后將試件成型，通過貫入度試驗來測試混合料的流動性及熱穩(wěn)定性，同時采用流動性試驗結(jié)果來評價混合料的性能，以確定 GA-10的最佳油石比［9－12］。其中，流動性采用德國的劉埃爾流動性試驗方法進行測試，結(jié)果見表3。

表3 GA-10配合比設(shè)計階段性能檢測數(shù)據(jù)

由表3可知：當澆注式瀝青混合料的油石比為7.4%時，貫入度為1.75mm，貫入度增量為0.09 mm，流動性較低，不適宜作為鋼橋面鋪裝的下面層；當油石比為8.0%時，貫入度增量為0.42mm，超出設(shè)計要求指標，不滿足要求；當油石比為7.7%時，流動度和貫入度指標相對較為均衡。因此，確定以7.7%作為瀝青混合料的最佳油石比（TLA湖瀝青、SBS改性瀝青摻配比例為1∶4）。

2.2 GA-10混合料性能分析

2.2.1 燃燒篩分合成級配檢測

對采用同種基巖的普通集料和工廠生產(chǎn)集料所組成GA-10混合料分別進行燃燒篩分檢測，結(jié)果見表4。由表4可知：由普通工藝生產(chǎn)的集料組成的GA-10瀝青混合料，各篩孔通過率最大偏差為4.8%；而工廠化生產(chǎn)的集料各篩孔通過率偏差基本維持在1%以下，與設(shè)計合成級配基本一致，故工廠化生產(chǎn)可有效降低瀝青混合料的級配變化。

2.2.2 GA-10性能試驗結(jié)果分析

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）的規(guī)定，分別對2種不同集料制備的混合料試件進行劉埃爾流動度測試、車轍試驗、貫入度試驗及低溫彎曲試驗，其主要技術(shù)指標檢測結(jié)果見表5。

由表5可知，與普通工藝生產(chǎn)集料制備的GA-10相比，工廠化生產(chǎn)集料制備的GA-10的劉埃爾流動度減小了48.6%，貫入度減小了37%，貫入度增量減小了57%，極限彎曲應(yīng)變增加了30%，動穩(wěn)定度提升了31%?？梢姡捎霉S化生產(chǎn)集料制備的GA-10瀝青混合料比普通工藝生產(chǎn)集料制備的GA-10瀝青混合料具備更好的低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性能。

表4 GA-10燃燒篩分合成級配檢測數(shù)據(jù)

表5 不同工藝生產(chǎn)集料組成GA-10的主要技術(shù)指標檢測情況

2.2.3 變異性

依據(jù)變異性試驗規(guī)程，對采用工廠化生產(chǎn)集料制備的GA-10瀝青混合料進行10組試件的測試，其檢測平均值、平方差及變異系數(shù)見表6。

由表6可知，工廠化生產(chǎn)集料組成的GA-10瀝青混合料的各項技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求，其貫入度平均值為2.233mm，貫入度增量平均值為0.152 mm，低溫彎曲應(yīng)變平均值為0.127 5×10－7，動穩(wěn)定度平均值為449.1次·mm－1。各項主要指標的變異系數(shù)均小于0.1，說明采用工廠生產(chǎn)集料制備的GA-10澆注式瀝青混合料技術(shù)性能穩(wěn)定性較好。

表6 GA-10混合料性能檢測數(shù)據(jù)及變異性

3 對GMA澆注式混合料性能的影響

由于GMA澆注式瀝青混合料對細集料的分檔要求較高，采用普通集料無法制備出質(zhì)量合格的GMA混合料，故僅對工廠化生產(chǎn)集料制備的GMA-10瀝青混合料進行性能分析。

3.1 配合比設(shè)計

參考港珠澳大橋主體工程已成功實施的GMA-10混合料配合比（表7）進行試件制備。其中，粗集料采用中山集料廠生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)輝綠巖集料，細集料和礦粉為該工廠生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，TLA湖瀝青、AH-基質(zhì)瀝青摻配比例為7∶3。

表7 GMA-10混合料配合比

3.2 GMA-10性能試驗結(jié)果分析

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）的規(guī)定，共計對23組試件進行劉埃爾流動度測試、車轍試驗、貫入度試驗及小梁三點彎曲沖擊韌性試驗，檢測結(jié)果見表8。

表8 GMA-10混合料性能檢測數(shù)據(jù)及變異性

由表8可知，工廠化生產(chǎn)集料的級配變異系數(shù)最大值為2.07%，集料級配變異性?。徊捎霉S化生產(chǎn)集料的GMA-10澆注式瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、硬度、車轍動穩(wěn)定度、沖擊韌性等技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求，其變異系數(shù)最大值為4.89%，瀝青混合料性能均具有較好的穩(wěn)定性。由此可見，高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的工廠化集料，將加強GMA-10澆注式瀝青混合料的性能穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

（1）相較國內(nèi)鋪裝用集料加工普遍“露天化”生產(chǎn)的粗放管理現(xiàn)狀，港珠澳大橋中山集料工廠首次引入現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)線裝備及管理理念，通過工業(yè)生產(chǎn)信息化的管理，確保生產(chǎn)集料的高品質(zhì)及高穩(wěn)定性。

（2）與普通工藝生產(chǎn)集料相比，工廠化生產(chǎn)集料在強度、針片狀含量、砂當量、亞甲藍值等性能方面均有較大提高，集料的棱角性和潔凈度得到有效提升，且不同篩孔通過率變異性較小，混合料級配的穩(wěn)定性較高。

（3）與普通工藝生產(chǎn)集料所制備的GA-10澆注式瀝青混合料相比，工廠化生產(chǎn)集料制備混合料更接近設(shè)計級配，級配變異性小，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性得到了顯著提高，鋪裝路面綜合性能得到了增強。

（4）市面上普通工藝生產(chǎn)集料難以滿足GMA-10細集料分檔技術(shù)要求，無法制備合格的GMA-10澆注式瀝青混合料，工廠化生產(chǎn)集料所制備GMA-10混合料各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求，其變異系數(shù)較小，具備較好的穩(wěn)定性。