莫桑比克馬普托大橋鋼橋面鋪裝用地材匹配性研究

付 斌，尚 飛

（重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶市 401336）

0 引 言

莫桑比克馬普托（Maputo）大橋及接線工程，主線起點(diǎn)K1+566~K114+998.245，全長113.429km，為莫桑比克首都馬普托市向南去往南非與莫桑比克南部Casacommercial邊界口岸的干線公路。

馬普托大橋橋面鋪裝施工項(xiàng)目屬于境外施工，原則上原材料應(yīng)盡可能使用當(dāng)?shù)氐夭模菍τ阡摌蛎驿佈b工程，相比于傳統(tǒng)路面鋪裝對于原材料的要求更為苛刻[1]。由于境外材料的規(guī)格以及性能指標(biāo)均與國內(nèi)不同，故本文通過兩者對比來確定當(dāng)?shù)氐夭膶τ跇蛎驿佈b的匹配性，從而為鋪裝工程原材料的供應(yīng)提供指導(dǎo)。

1 集料匹配性研究

1.1 集料巖性鑒定

取5~10mm馬普托地材集料若干，切片制樣后在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下進(jìn)行巖性鑒定，鑒定結(jié)果見圖1。由圖1可分析集料樣品的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)組分、集料酸堿性等。

1.1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

集料主要由自形-半自形板狀斜長石顆粒組成，間隙分布有輝石等細(xì)小顆?；螂[晶質(zhì)-玻璃質(zhì)等，構(gòu)成間粒間隱結(jié)構(gòu)（見圖1（a）），少量呈斑狀結(jié)構(gòu)（見圖1（b））的塊狀構(gòu)造，局部見杏仁狀構(gòu)造。

圖1 集料切塊后在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下的形貌

1.1.2 結(jié)構(gòu)組分

集料結(jié)構(gòu)組分主要有斜長石（48%）、輝石（12%）和玻璃質(zhì)（18%）等，含綠簾石（少量）、方解石（8%）、綠泥石（3%）、石英（少量）和絹云母（少量）；副礦物由金屬礦物磁鐵礦（8%）、赤鐵礦（微量）和黃鐵礦（少量）等組成。

斜長石（Pl）：約48%，呈自形-半自形板狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育聚片雙晶（見圖1（a）、圖1（b）），偶見生長環(huán)帶；斜長石板狀晶體略具定向排列特征，呈交織結(jié)構(gòu)，晶體格架中分布有細(xì)粒輝石及玻璃質(zhì)等，構(gòu)成間粒間隱結(jié)構(gòu)；部分斜長石呈斑晶，局部被方解石、綠泥石、絹云母和綠簾石等交代（見圖1（b）），局部方解石交代強(qiáng)烈，呈殘余結(jié)構(gòu)，粒徑為0.01~0.40mm。

輝石（Px）：約12%，呈半自形粒柱狀結(jié)構(gòu)（見圖1（c）），部分可見近六邊形或板狀晶體截面，可見解理，部分可見加大邊結(jié)構(gòu)特征，分布于板狀斜長石格架中（見圖1（a）），顆粒間被玻璃質(zhì)充填，局部被綠泥石及方解石等交代，粒徑為0.01~0.25mm。

玻璃質(zhì)：約18%，隱晶質(zhì)，淺褐黃色（見圖1（a）），沿板狀斜長石及輝石等顆粒間充填，正交鏡下全消光。

綠簾石（Ep）：少量，呈不規(guī)則粒狀，交代輝石和斜長石等，粒徑為0.01~0.20mm。

綠泥石（Chl）：約3%，鱗片狀，淺綠色-褐綠色，交代斜長石和輝石等，局部沿氣孔邊緣分布，粒徑為0.01~0.05mm。

絹云母（Ser）：少量，鱗片狀，交代斜長石等，粒徑小于0.10mm。

方解石（Cal）：約8%，呈不規(guī)則粒狀結(jié)構(gòu)，交代斜長石和輝石等，局部沿巖石裂隙充填，呈脈狀分布，或沿巖石氣孔充填，呈膠環(huán)狀集合體與放射狀石英等構(gòu)成杏仁體，部分可見發(fā)育解理，高級白干涉色（見圖1（c）），粒徑為0.01~0.30mm。

石英（Qtz）：少量，不規(guī)則粒狀，多沿巖石氣孔充填（見圖1（c）），集合體呈放射狀，波狀消光，與方解石等共生，粒徑小于0.10mm。

磁鐵礦（Mt）：約8%，呈自形-半自形粒狀，可見其菱形十二面體晶體截面特征，沿裂隙及邊緣被黃鐵礦及赤鐵礦等交代（見圖1（d）、圖1（e）），呈細(xì)脈狀或尖角狀結(jié)構(gòu)等，磁鐵礦等零散分布于斜長石和輝石等顆粒間，粒徑為0.002~0.250mm。

赤鐵礦（Hem）：微量，呈不規(guī)則粒狀，交代磁鐵礦（見圖1（f）），粒徑為0.002~0.020mm。

黃鐵礦（Py）：少量，呈不規(guī)則粒狀零散分布于斜長石和輝石等顆粒間，部分集合體呈細(xì)脈狀，偶見立方體晶體截面（見圖1（e）），多沿磁鐵礦邊緣及裂隙交代，粒徑為0.002~0.100mm。

集料鑒定名稱：（杏仁狀）含鐵質(zhì)輝石玄武巖。

1.1.3 集料酸堿性

在道路鋪筑中所用的集料可分為酸性集料和堿性集料，但實(shí)際情況復(fù)雜，集料一般均同時(shí)存在酸性和堿性成分，只是含量多少而已。一般以SiO2含量判斷集料的酸堿性：SiO2含量＞65%為酸性，52%＜SiO2含量＜65%為中性，SiO2含量＜52%為堿性[2]。

參照《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T176—2008）測定馬普托地材集料的酸堿性，得到其中的SiO2含量為42.67%，故該集料屬于堿性集料。

1.2 集料基本性能

1.2.1 集料規(guī)格

馬普托地材集料共計(jì)3種規(guī)格：5~10mm、3~5mm和0~3mm，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004），這3種規(guī)格分別對應(yīng)瀝青混合料S12、S14和S16這3檔集料。馬普托地材集料的篩分通過率結(jié)果和集料規(guī)格要求見表1、表2。

由表1、表2中的篩分通過率可以看出，馬普托地材3檔集料的篩分結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對集料規(guī)格的要求，通過合理摻配可以對其進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

表1 馬普托地材集料篩分結(jié)果

表2 瀝青混合料用集料規(guī)格

1.2.2 集料性能試驗(yàn)

針對馬普托地材集料，分別進(jìn)行集料密度、壓碎值、針片狀含量和黏附性等級等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表4 馬普托細(xì)集料（0~2.36mm）性能試驗(yàn)結(jié)果

由表3、表4可知：馬普托集料的性能均能夠較好地滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》基本要求，匹配性良好。

表3 馬普托粗集料（2.36~9.5mm）性能試驗(yàn)結(jié)果

2 礦粉匹配性研究

2.1 礦粉巖性鑒定

對馬普托地材礦粉進(jìn)行巖性鑒定。由于礦粉為粉末狀試樣，故無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)造鑒定。在NIKON LV100POL型偏反光顯微鏡下對粉末狀礦粉試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖2。

圖2 礦粉試樣光薄片在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下的形貌

2.1.1 結(jié)構(gòu)組分

樣品經(jīng)由環(huán)氧樹脂攪拌，凝固后加工成光薄片，在NIKONLV100POL型偏反光顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其組分主要為斜長石（60%）、輝石（22%）、角閃石（4%）和玻璃質(zhì)（3%）等，含綠簾石（少量）、方解石（3%）、綠泥石（少量）和絹云母（微量），金屬礦物有磁鐵礦（5%）、赤鐵礦（約2%）、黃鐵礦（少量）和褐鐵礦（微量）等。

斜長石（Pl）：約60%，呈不規(guī)則粒狀，部分見板狀晶體截面特征，偶見解理及聚片雙晶，一級灰白干涉色，偶見輝石細(xì)小顆粒和玻璃質(zhì)分布于斜長石格架中（見圖2（a）），局部被方解石、綠泥石、絹云母和綠簾石等交代（見圖2（b）），粒徑為0.01~0.20mm。

輝石（Px）：約22%，呈不規(guī)則粒狀，部分可見解理，偶見分布于板狀斜長石格架中，并且顆粒間被玻璃質(zhì)充填（見圖2（a）），局部被綠泥石及方解石等交代，粒徑為0.002~0.100mm。

角閃石（Hbl）：約4%，呈不規(guī)則粒狀，綠色-深綠色，顯多色性，可見解理，多單晶體分布，粒徑為0.002~0.100mm。

玻璃質(zhì)：約3%，隱晶質(zhì)，淺褐黃色（見圖2（a）），沿板狀斜長石和輝石等顆粒間充填，正交鏡下全消光。由于玻璃質(zhì)與環(huán)氧樹脂膠在透射光下均為無色，且具全消光特征，因此粉末試樣中不好區(qū)分，含量估計(jì)偏少。

綠簾石（Ep）：少量，呈不規(guī)則粒狀，交代斜長石等（見圖2（b）），粒徑為0.01~0.10mm。

綠泥石（Chl）：少量，鱗片狀，淺綠色，交代角閃石和輝石等，粒徑小于0.05mm。

絹云母（Ser）：微量，鱗片狀，交代斜長石等，粒徑小于0.05mm。

方解石（Cal）：約3%，呈不規(guī)則粒狀，交代斜長石和輝石等，高級白干涉色（見圖2（a）），粒徑為0.002~0.100mm。

磁鐵礦（Mt）：約5%，呈不規(guī)則粒狀，沿裂隙及邊緣被黃鐵礦和赤鐵礦等交代（見圖2（c）、圖2（d）），呈細(xì)脈狀或尖角狀結(jié)構(gòu)等，粒徑為0.002~0.100mm。

赤鐵礦（Hem）：約2%，呈不規(guī)則粒狀（見圖2（e）），交代磁鐵礦，粒徑為0.002~0.100mm。

黃鐵礦（Py）：少量，呈不規(guī)則粒狀，可見沿磁鐵礦邊緣及裂隙交代，粒徑為0.002~0.050mm。

褐鐵礦（Lm）：微量，呈不規(guī)則粒狀或膠狀（見圖2（f）），分布于透明礦物中，褐紅色內(nèi)反射色，粒徑小于0.05mm。

礦粉鑒定名稱：由于粉末狀試樣無法觀察結(jié)構(gòu)特征，故無法對礦粉進(jìn)行名稱定性。

2.1.2 礦粉酸堿性

參照《水泥化學(xué)分析方法》（GB/T176—2008）測定馬普托地材礦粉的酸堿性，得到其中的SiO2含量為51.40%。由此可知，該礦粉屬于堿性但偏中性，可以用于鋪裝工程。

2.2 礦粉基本性能

針對馬普托地材礦粉，分別進(jìn)行外觀觀察、礦粉密度試驗(yàn)和篩分試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 馬普托地材礦粉性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，馬普托地材礦粉的性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》基本要求，匹配性良好。

3 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

3.1 澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

3.1.1 配合比設(shè)計(jì)

進(jìn)行澆注式瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，所使用的集料與礦粉均為馬普托地材原料。針對地材礦粉過細(xì)這一因素，參照交通部已經(jīng)發(fā)行的《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3364-02—2019）中的級配范圍進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10的優(yōu)化級配及范圍見表6。

表6 澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10的優(yōu)化級配及范圍

根據(jù)優(yōu)化配合比，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選取相差0.5%的3種油石比7.3%、7.8%和8.3%作為備選油石比，進(jìn)行混合料的劉埃爾流動(dòng)性及貫入度試驗(yàn)。3種油石比對應(yīng)的澆注式聚合物改性瀝青混合料流動(dòng)性與貫入度試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同油石比下澆注式聚合物改性瀝青混合料性能

由表7可知，在礦粉過細(xì)優(yōu)化級配下，最佳油石比位于相對合理的范圍內(nèi)。3種油石比對于澆注式聚合物改性瀝青混合料的性能影響明顯：7.3%的油石比對應(yīng)的混合料偏“硬”，流動(dòng)性超過了1min，將會對現(xiàn)場施工造成較大影響；8.3%的油石比對應(yīng)的混合料過“軟”，相應(yīng)的流動(dòng)性優(yōu)異，但是貫入度過大，將影響混合料的高溫穩(wěn)定性；7.8%的油石比對應(yīng)的混合料性能均符合相關(guān)性能的影響，并且成本也可接受。

在允許范圍內(nèi)，瀝青混合料的優(yōu)化級配應(yīng)盡量減少礦粉用量，以保證在礦粉過細(xì)的情況下混合料中仍然具有足夠的有效油膜厚度，從而使得正常油石比范圍中的混合料流動(dòng)性能得到保證。

3.1.2 性能驗(yàn)證

除了油石比優(yōu)選時(shí)已經(jīng)得到驗(yàn)證的流動(dòng)性和貫入度指標(biāo)，本文還對澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10的低溫彎曲性能和疲勞性能進(jìn)行了驗(yàn)證。-10℃下GA10的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果和四點(diǎn)彎曲疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果見表8、表9。

表8 GA10在-10℃下的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表9 GA10的四點(diǎn)彎曲疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

由表8、表9可知，設(shè)計(jì)得到的聚合物改性瀝青混合料GA10的低溫性能和四點(diǎn)彎曲疲勞性能均十分優(yōu)異，能夠達(dá)到規(guī)范要求。

3.2高彈性改性瀝青混合料SMA配合比設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

3.2.1 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)級配設(shè)計(jì)理論和礦料篩分結(jié)果，確定的SMA10級配組成見表10。

表10 SMA10合成級配表

按照馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，確定高彈性改性瀝青混合料SMA10的最佳油石比為6.3%（摻加0.2%聚酯纖維）；在最佳油石比下，SMA10的體積指標(biāo)及性能測試結(jié)果見表11。由表11可知，在確定的最佳油石比基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)混合料的空隙率、礦料間隙率、干粗骨料骨架空隙率等體積指標(biāo)都可以滿足現(xiàn)行規(guī)范的基本要求。

表11 SMA10在最佳油石比下的體積指標(biāo)及性能測試結(jié)果

3.2.2 性能驗(yàn)證

3.2.2.1 抗水損害性能

由于馬普托地材礦粉的巖性偏中性，使得填料與瀝青結(jié)合料的黏附不良，在水的作用下，易產(chǎn)生失黏和剝落破壞，從而影響瀝青-集料的整體性，進(jìn)而影響瀝青混合料的抗水損性能。這對于瀕海多雨的馬普托大橋來說存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，所以擬采用適當(dāng)降低空隙率的方法（控制混合料的空隙率接近3%）來提高混合料的抗水損能力[3-5]。

表12為改善前后的SMA10抗水損害性能。

由表12可知，降低空隙率能夠明顯提升SMA混合料的抗水損害性能，改善后其凍融劈裂殘留強(qiáng)度比為87.8%，高于規(guī)范要求的85%。

表12 改善前后SMA10的抗水損害性能

3.2.2.2 高溫抗車轍性能

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052—2000）中T0719的試驗(yàn)方法測試了60℃和70℃重載時(shí)SMA10車轍的動(dòng)穩(wěn)定度，結(jié)果見表13。由表13可以看出，高彈性改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能符合規(guī)范技術(shù)要求。

表13 SMA10高溫抗車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2.3 低溫彎曲性能

瀝青混合料的低溫極限變形能力可通過低溫大梁彎曲試驗(yàn)測試。SMA10低溫大梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表14?？梢钥闯?，高彈性改性瀝青混合料SMA10的-10℃低溫大梁彎曲應(yīng)變值大于7000μm/m，滿足本項(xiàng)目研究提出的要求[6]。

表14 SMA10低溫大梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2.4 四點(diǎn)彎曲疲勞性能

對高彈性改性瀝青混合料SMA10進(jìn)行2種微應(yīng)變情況下的疲勞研究，得到2種微應(yīng)變下的疲勞性能，結(jié)果見表15。由表15可知，SMA10在2種微應(yīng)變情況下的疲勞性能均十分優(yōu)異。

表15 SMA10的疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

（1）經(jīng)過鑒定，馬普托集料地材為(杏仁狀)含鐵質(zhì)輝石玄武巖，屬于堿性集料，各項(xiàng)性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對瀝青路用混合料集料的相關(guān)要求。

（2）馬普托地材礦粉巖性為堿性巖性，各項(xiàng)技術(shù)性能均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對路用混合料集料的相關(guān)要求，但其中礦粉0.075mm篩孔通過率偏高，總體符合使用要求。

（3）針對馬普托大橋地材進(jìn)行了澆注式聚合物改性瀝青混合料GA10和高彈性改性瀝青混合料SMA10的配合比設(shè)計(jì)，并通過各項(xiàng)路用性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)根據(jù)馬普托地材設(shè)計(jì)得到的兩種混合料配合比能夠符合馬普托大橋橋面鋪裝的使用要求。