澆注式瀝青混合料GA和GMA性能對(duì)比研究 *

閆東波，林路宇，張俊波，劉 艷，楊慶國(guó)

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 廈門路橋工程投資發(fā)展有限公司，福建 廈門 361026；3. 重慶特鋪路面工程技術(shù)有限公司，重慶 400026)

0 引 言

澆注式瀝青混合料按生產(chǎn)工藝可分為Mastic Asphalt(MA)和Guss Asphalt(GA)兩種類型。澆注式瀝青混凝土鋪裝技術(shù)起源于歐洲，英國(guó)、法國(guó)等國(guó)主要應(yīng)用MA技術(shù)，而以德國(guó)為代表的歐洲大部分國(guó)家主要應(yīng)用GA技術(shù)。MA分兩階段拌和，先在瀝青拌和樓拌和3 mm以下的細(xì)集料和礦粉形成瀝青砂膠(mastic epure, ME)，然后將瀝青砂膠轉(zhuǎn)移至澆注式瀝青混合料專用移動(dòng)加熱攪拌運(yùn)輸車(cooker)中，并分批次向cooker中添加粗集料進(jìn)行攪拌生產(chǎn)，整個(gè)生產(chǎn)過程約需10～12 h。GA采用一次性拌和方式生產(chǎn)，按配和比例將粗、細(xì)集料、礦粉和瀝青同時(shí)放入瀝青拌合樓攪拌缸，生產(chǎn)過程約2 min，后續(xù)在cooker中攪拌30 min即可攤鋪。這兩者除了生產(chǎn)工藝不同之外，所采用的瀝青結(jié)合料和礦質(zhì)混合料級(jí)配也有所不同，MA通常采用天然瀝青與基質(zhì)瀝青混合瀝青，礦質(zhì)混合料級(jí)配為間斷級(jí)配；GA通常采用聚合物改性瀝青，混合料級(jí)配為連續(xù)級(jí)配[1]。

我國(guó)鋼橋面鋪裝已廣泛采用澆注式瀝青混凝土。最早的項(xiàng)目為我國(guó)香港青馬大橋(1997年通車)和江蘇江陰大橋(1999年通車)，均采用MA技術(shù)，但應(yīng)用效果截然不同。青馬大橋鋼橋面鋪裝至今狀況良好，而江陰大橋的MA使用情況較差，2003年翻修，2004年再次崩潰，病害原因主要為重載交通影響[2]。隨后，我國(guó)大陸地區(qū)鋼橋面鋪裝澆注式瀝青混凝土普遍采用GA技術(shù)，而我國(guó)香港地區(qū)仍然習(xí)慣使用MA技術(shù)。

港珠澳大橋作為舉世矚目的世紀(jì)工程，工程人員對(duì)鋼橋面鋪裝技術(shù)進(jìn)行大量研究后認(rèn)為，MA細(xì)集料控制更為嚴(yán)格，MA混合料性能更為穩(wěn)定；而GA具有生產(chǎn)功效高的優(yōu)勢(shì)，繼而提出guss mastic asphalt(GMA)技術(shù)，即按照MA配合比設(shè)計(jì)、采用GA方式拌和生產(chǎn)工藝加工澆注式瀝青混合料[3-5]。

章登精[6]、王民等[7]分別對(duì)不同改性瀝青的GA瀝青混合料性能進(jìn)行了研究；紀(jì)方利[8]、孟文專等[9]、王賢良等[10]、李偉治[11]分別對(duì)GMA瀝青混合料的配合比和路用性能做了較多研究；朱定等[12]研究了GMA混合料標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝控制技術(shù)；張肖寧等[13]采用加速加載試驗(yàn)對(duì)MA和GMA高溫性能進(jìn)行了對(duì)比分析；聶文等[14]研究了MA和GMA工藝對(duì)澆注式瀝青混合料疲勞性能的影響；王芳等[15]從原材料、技術(shù)指標(biāo)要求、拌和工藝等方面對(duì)MA、GA、GMA這3種澆注式混合料進(jìn)行了差異化分析。

筆者基于JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中GA技術(shù)性能要求以及T/CHTS 10018—2019《港珠澳大橋施工技術(shù)指南：第七分冊(cè)：鋼橋面鋪裝工程》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)中對(duì)GMA技術(shù)性能要求，選用相同的粗集料、細(xì)集料和礦粉，GA選用鋼橋面鋪裝常用的高強(qiáng)度聚合物改性瀝青，GMA參照港珠澳大橋選用湖瀝青與基質(zhì)瀝青的混合瀝青，分別對(duì)GA和GMA進(jìn)行混合料配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種不同類型澆注式瀝青混合料的性能進(jìn)行對(duì)比。

1 原材料與配合比

1.1 瀝 青

GA所用的聚合物改性瀝青，其性能檢測(cè)結(jié)果如表1，能滿足《規(guī)范》對(duì)GA改性瀝青要求。GMA采用湖瀝青與基質(zhì)瀝青的混合瀝青，本研究中的湖瀝青為特立尼達(dá)天然湖瀝青(TLA)，基質(zhì)瀝青為70 # 道路石油瀝青，檢測(cè)結(jié)果如表2～表4，可見瀝青性能滿足《指南》對(duì)GMA瀝青結(jié)合料技術(shù)要求。

表1 GA用聚合物改性瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of polymer modifiedasphalt for GA

表2 TLA的技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果Table 2 Technical indexes and test results of TLA

表3 70#道路石油瀝青的技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果Table 3 Technical indexes and test results of 70# road asphalt

表4 GMA用混合瀝青的技術(shù)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果Table 4 Technical indexes and test results of mixed asphalt for GMA

1.2 集 料

粗、細(xì)集料為優(yōu)質(zhì)玄武巖，填料為石灰石礦粉。集料主要力學(xué)性能和密度試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6，其性能指標(biāo)滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和《規(guī)范》要求。各規(guī)格集料篩分結(jié)果如表7。

表5 集料的主要力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of main mechanical properties of aggregate

表6 集料密度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of stone aggregate density

表7 集料篩分結(jié)果Table 7 Aggregate screening results

1.3 配合比

GA配合比設(shè)計(jì)參照《規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計(jì)方法，選用GA10級(jí)配，采用劉埃爾流動(dòng)性、貫入度及貫入度增量作為控制指標(biāo)，并以低溫彎曲試驗(yàn)檢驗(yàn)其低溫抗裂能力。通過配合比調(diào)試及其性能試驗(yàn)驗(yàn)證，得到GA的最佳配合比：4.75～9.50 mm為28.5%、2.36～4.75 mm為22%、0.60～2.36 mm為12.5%、0.075～0.060 mm為12.5%、礦粉為24.5%、最佳油石比為7.5%。

GMA配合比設(shè)計(jì)參照《指南》，包括兩個(gè)設(shè)計(jì)階段。第1階段：進(jìn)行ME設(shè)計(jì)。ME可溶瀝青含量控制在14%～17%，選取4～5個(gè)可溶瀝青含量分別拌制ME，測(cè)試25 ℃的硬度值；根據(jù)可溶瀝青含量與ME硬度值關(guān)系，選取最佳可溶瀝青含量。第2階段：進(jìn)行GMA配合比設(shè)計(jì)，GMA中粗集料含量為45±10%(占混合料重量比例)，選取3組不同粗骨料比例，按照已確定的最佳可溶瀝青含量，將粗集料、ME礦料和瀝青結(jié)合料混合攪拌得到GMA，分別測(cè)試劉埃爾流動(dòng)性、馬歇爾穩(wěn)定度、硬度值、沖擊韌性、車轍動(dòng)穩(wěn)定度等，確定最佳配比：9.5～13.2 mm為45%、4.75～9.50 mm為39.2%、2.36～4.75 mm為1.4%、0.60～2.36 mm為9.5%、0.075～0.600 mm為26.4%、礦粉為19.0%、最佳油石比為12.8%。

2 性能研究

2.1 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

GA評(píng)價(jià)指標(biāo)有流動(dòng)性(240 ℃)、貫入度及貫入度增量(50～60 ℃)和低溫彎曲應(yīng)變(-10 ℃)這3項(xiàng)，分別檢驗(yàn)混合料的施工和易性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性；GMA采用流動(dòng)性試驗(yàn)(240 ℃)檢驗(yàn)和易性，但評(píng)價(jià)高、低溫性能的指標(biāo)與GA不同，采用硬度試驗(yàn)(35 ℃)、馬歇爾試驗(yàn)(60 ℃)和車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性，采用沖擊韌性值(15 ℃)評(píng)價(jià)低溫性能。GA和GMA除和易性指標(biāo)一致外，高、低溫性能的指標(biāo)完全不同。為便于比較GA和GMA性能，分別按照各自最佳配合比拌制GA和GMA，成型試件，將GA和GMA的性能指標(biāo)合并，并對(duì)GA和GMA做性能檢測(cè)和比較分析。

2.2 性能試驗(yàn)

GA和GMA的性能試驗(yàn)見表8。

表8 GA和GMA性能試驗(yàn)Table 8 Performance testing of GA and GMA

2.2.1 劉埃爾流動(dòng)性試驗(yàn)

劉埃爾流動(dòng)性試驗(yàn)可判斷澆注式瀝青混合料的施工和易性。根據(jù)最佳配合比，按照相應(yīng)的拌和工藝拌制混合料，檢測(cè)和易性，結(jié)果見表8?？梢娺@兩種混合料的劉埃爾流動(dòng)性基本一致，均滿足要求。

2.2.2 貫入度試驗(yàn)

貫入度試驗(yàn)測(cè)定澆注式瀝青混合料試件的貫入度和貫入度增量，用于判斷澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。本次試驗(yàn)溫度按照夏炎熱區(qū)取值，為60 ℃。GA和GMA的貫入度試驗(yàn)結(jié)果見表8?？梢娺@兩種混合料貫入度試驗(yàn)結(jié)果差別較大，GA貫入度和貫入度試驗(yàn)結(jié)果能滿足《規(guī)范》要求，且有較多富余量；而GMA不滿足《規(guī)范》要求，且偏離較多。GA的60 ℃貫入度性能明顯優(yōu)于GMA。

2.2.3 硬度試驗(yàn)

硬度值指標(biāo)源于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范BS 1447—1988。英國(guó)工程界在MA混合料設(shè)計(jì)時(shí)，以對(duì)ME檢測(cè)25 ℃的硬度值來控制ME性能。在港珠澳大橋建設(shè)時(shí)，工程人員通過對(duì)GMA檢測(cè)35 ℃的硬度值，來評(píng)價(jià)GMA性能。

對(duì)GA和GMA進(jìn)行35 ℃硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表8。GA和GMA硬度值結(jié)果均能滿足《指南》對(duì)澆注式瀝青混合料硬度值要求，但GMA的35 ℃硬度值優(yōu)于GA。

2.2.4 馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的主要試驗(yàn)；GA和GMA的馬歇爾試驗(yàn)(60 ℃)結(jié)果如表9。可見GA和GMA馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果均能滿足《指南》對(duì)澆注式瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的要求，但GMA的60 ℃馬歇爾穩(wěn)定度優(yōu)于GA。

表9 GA和GMA馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Marshall test results of GA and GMA

2.2.5 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)用于檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫抗車轍性能，GA和GMA的60 ℃車轍試驗(yàn)結(jié)果見表8?？梢奊A和GMA車轍試驗(yàn)結(jié)果均能滿足《指南》對(duì)澆注式瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的要求，但GA的60 ℃車轍動(dòng)穩(wěn)定度優(yōu)于GMA。

2.2.6 低溫彎曲試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)用于檢驗(yàn)瀝青混合料的低溫抗裂性能。《規(guī)范》要求進(jìn)行-10 ℃混合料彎曲試驗(yàn)，并對(duì)-10 ℃極限彎曲應(yīng)變做了要求。GA和GMA的-10 ℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表10。GA能滿足《規(guī)范》對(duì)各區(qū)域項(xiàng)目的技術(shù)要求，且富余量較大；而GMA無法滿足要求，且偏差較多。GA的-10 ℃極限彎曲應(yīng)變明顯優(yōu)于GMA。

2.2.7 沖擊韌性試驗(yàn)

沖擊韌性是指材料在沖擊荷載作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力[16]。在港珠澳大橋建設(shè)中，采用沖擊韌性來評(píng)價(jià)澆注式瀝青混合料的抵抗疲勞開裂性能。采用T0715—2011瀝青混合料彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為15 ℃。典型的荷載位移曲線如圖1，陰影部分面積即為沖擊韌性，代表瀝青混合料抵抗沖擊荷載能力。

表10 GA和GMA低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Low temperature bending test results of GA and GMA

圖1 沖擊韌性曲線示意Fig. 1 Schematic diagram of impact toughness curve

對(duì)GA和GMA進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)(15 ℃)，結(jié)果見表8。這兩種混合料沖擊韌性均能滿足《指南》對(duì)澆注式瀝青混合料沖擊韌性要求。從數(shù)值上來看，GA沖擊韌性結(jié)果顯著優(yōu)于GMA，是GMA的3倍以上，說明GA抵抗疲勞開裂的性能比GMA更好。

2.3 性能分析

整理GA和GMA的性能檢測(cè)結(jié)果：GA既能滿足《規(guī)范》要求也能滿足《指南》要求；而GMA僅只能滿足《指南》要求。澆注式瀝青混合料GA和GMA的施工和易性均滿足要求，但路用性能有較大差異。

2.3.1 高溫穩(wěn)定性

貫入度試驗(yàn)普遍用于評(píng)價(jià)澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。澆注式瀝青混合料車轍試驗(yàn)性能在《規(guī)范》中作為建議指標(biāo)而不強(qiáng)制執(zhí)行；硬度試驗(yàn)在MA配合比設(shè)計(jì)中用于控制ME的性能而不用于評(píng)價(jià)混合料性能；馬歇爾試驗(yàn)是目前瀝青混合料中最重要的一個(gè)試驗(yàn)方法，但是否適用于評(píng)定非碾壓、趨于零空隙的澆注式瀝青混合料的高溫性能，尚缺乏理論依據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)支撐?？傊?，采用聚合物改性瀝青的GA高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于采用天然瀝青+基質(zhì)瀝青的GMA的，但GMA在35 ℃左右的中高溫抗壓穩(wěn)定性要優(yōu)于GA的。

2.3.2 抗裂性能

通常認(rèn)為：低溫抗裂性能和沖擊韌性與疲勞性能有相關(guān)性。無論從-10 ℃極限彎曲應(yīng)變還是15 ℃沖擊韌性來看，采用聚合物改性瀝青的GA明顯優(yōu)于采用天然瀝青+基質(zhì)瀝青的GMA，說明采用聚合物改性瀝青的GA低溫抗裂性能和疲勞性能更好。

3 結(jié) 論

筆者通過對(duì)澆注式瀝青混合料GA和GMA的系統(tǒng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，這兩者路用性能有較大差異。其主要結(jié)論為：

1)采用聚合物改性瀝青的GA高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、沖擊韌性明顯優(yōu)于采用天然瀝青+基質(zhì)瀝青的GMA。

2)設(shè)計(jì)單位在對(duì)橋面鋪裝項(xiàng)目采用澆注式瀝青混凝土方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目具體使用條件提供設(shè)計(jì)參數(shù)，技術(shù)指標(biāo)體系和技術(shù)性能選用都需慎重，特別要考慮交通荷載和氣候環(huán)境條件。