GMA澆注式鋼橋面鋪裝配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

詹文兵, 江勝文, 羅傳熙, 黃志勇

(1.長大市政工程(廣東)有限公司, 廣州 510641; 2.保利長大工程有限公司, 廣州 510641;3.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣州 510641)

20世紀(jì)90年代末我國鋼橋面鋪裝開始廣泛采用澆注式瀝青混凝土鋪裝。香港青馬大橋采用的MA澆注式鋪裝至今路用性能狀況良好[8],江蘇江陰大橋同樣采用MA澆注式鋪裝受重載交通的影響,產(chǎn)生較多病害使用情況較差,于2003年翻修[9-10]。據(jù)此我國大陸地區(qū)多采用GA澆注式作為鋼橋面鋪裝技術(shù)。舉世矚目的港珠澳大橋工程,結(jié)合已有鋼橋面鋪裝經(jīng)驗(yàn)及大量技術(shù)研究后提出GMA澆注式鋪裝技術(shù)[11]。GMA混合料按照MA配合比進(jìn)行設(shè)計(jì),保留MA對(duì)于細(xì)集料的嚴(yán)格控制技術(shù),在混合料性能更加穩(wěn)定的基礎(chǔ)上采用GA一次性拌合工藝的方式生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率[12]。

張華[13]對(duì)GA澆注式瀝青混凝土的疲勞性能展開研究;盧姝杰[14]采用加速加載試驗(yàn)對(duì)MA澆注式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行研究;閆東波等[15]對(duì)GA和GMA性能進(jìn)行對(duì)比研究。

借鑒前人對(duì)于GA、MA、GMA的研究,依托榕江特大橋主橋(K43+570～K44+370)澆注式瀝青混凝土工程對(duì)GMA澆注式鋼橋面鋪裝配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)展開進(jìn)一步研究。

1 GMA配合比優(yōu)化基本條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)流程

GMA澆注式瀝青混凝土要求拌合溫度達(dá)到200～240 ℃,拌合時(shí)間大于0.5 h。由此相比普通瀝青混凝土材料,GMA瀝青混凝土對(duì)拌合工藝要求較高,本實(shí)驗(yàn)采用廣東長大公路工程有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的小型模擬cooker拌合設(shè)備如圖1所示。

圖1 cooker拌合鍋

拌合工藝:粗集料、細(xì)集料、礦粉加入cooker拌鍋中180 ℃預(yù)熱2 min,TLA湖瀝青與70#基質(zhì)瀝青在普通拌合鍋內(nèi)180 ℃預(yù)熱3 min,然后將兩種混合瀝青加入cooker拌鍋中在220 ℃下拌合2 h。每鍋混合料拌合量控制在100 kg左右。

1.2 GMA性能參數(shù)

GMA中瀝青由70%的特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)及30%A-70瀝青混合組成,混合后的瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 GMA混合料瀝青的技術(shù)指標(biāo)

粗優(yōu)質(zhì)玄武巖、粗集料技術(shù)指標(biāo)如表2所示,細(xì)集料為石灰石破碎而成,細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

為簡(jiǎn)便計(jì)算，合理選用連通溝控制斷面，首先假定連通溝起始流量，以推求連通溝水面線，進(jìn)而推求以東庫水位為參數(shù)的西庫水位與連通溝過流量的關(guān)系曲線。

表2 GMA混合料粗集料的技術(shù)指標(biāo)

表3 GMA混合料細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)集料篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表4、表5)及相關(guān)GMA澆注式鋪裝工程的配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),如表6所示,進(jìn)行了ME級(jí)配設(shè)計(jì)。

表4 粗集料篩分結(jié)果

表5 細(xì)集料篩分結(jié)果

表6 ME級(jí)配設(shè)計(jì)

2 GMA配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平試驗(yàn)的一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,同時(shí)作為分式析因設(shè)計(jì)的主要方法[16]。根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),這些有代表性的點(diǎn)具備“均勻分散,齊整可比”的特點(diǎn),正交性試驗(yàn)的基本思路為從全面試驗(yàn)中挑選出具有整齊、分散、均勻的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),達(dá)到每個(gè)因素與每水平之間各出現(xiàn)在試驗(yàn)小組中一次的正交性、高效性。其原理如圖2所示。

圖2 正交試驗(yàn)原理

基于前人試驗(yàn)及工程實(shí)踐研究,確定GMA類型瀝青混凝土鋪裝配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素為粗集料與ME(第一生產(chǎn)階段中瀝青膠砂)的比例、瀝青用量、礦粉用量。即符合三因素與三水平的試驗(yàn)正交試驗(yàn)?zāi)Ｐ?采用L9(33)正交表進(jìn)行組織試驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)于鋼橋面鋪裝的現(xiàn)實(shí)情況粗集料與ME用量應(yīng)貼近50:50左右,初步擬定粗集料/ME的三水平為46/54、50/50、54/46。選定的三因素三水平如表7所示,正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如表8所示。

表7 三因素-三水平表

表8 GMA 配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

粗集料與 ME 的比例、礦粉用量、瀝青用量改變時(shí),組成ME的組成成分需要相應(yīng)微調(diào),經(jīng)計(jì)算后,9組試驗(yàn)的材料配合比例如表9所示。

表9 GMA材料組成數(shù)據(jù)

2.2 正交試驗(yàn)分析

2.2.1 車轍試驗(yàn)分析

由于鋼橋面所處溫度較正常路面高出150%左右,因此鋼橋面鋪裝材料的高溫性能是影響路面使用性能的重要因素,采用車轍實(shí)驗(yàn)如圖3所示,動(dòng)穩(wěn)定度作為材料性能分析方法。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。極差分析如表10所示。

表10 動(dòng)穩(wěn)定度極差分析

圖3 車轍試驗(yàn)

圖4 動(dòng)穩(wěn)定度正交試驗(yàn)結(jié)果

由表10中敏感性主次順序可知,B瀝青用量對(duì)GMA澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性影響最顯著,其次為A粗骨料/ME,最后為C礦粉用量。由圖4可知,在一定的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)條件下,首先可通過降低瀝青用量,或采用增大粗骨料/ME比例,降低礦粉用量的方式,來提高GMA澆注式瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性。依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的最優(yōu)組合結(jié)果在試驗(yàn)范圍內(nèi),使得高溫穩(wěn)定性增加的優(yōu)選材料組成為粗集料/ME 54/46+瀝青用量10.6%+礦粉用量18%。

2.2.2 沖擊韌性試驗(yàn)分析

鋼橋面鋪裝中除了需要關(guān)注鋪裝材料的高溫性能,根據(jù)鋼橋面材料強(qiáng)度及受力特性與大量工程實(shí)際表明,疲勞開裂為鋼橋面鋪裝的主要破壞形式之一[17]。故采用沖擊韌性評(píng)價(jià)GMA類混凝土材料的疲勞特性。沖擊韌性是指材料在沖擊荷載作用下承受塑性變形及斷裂破壞的能力。實(shí)驗(yàn)中采用碾壓成型的疲勞板試件,使用雙面鋸切割機(jī)將碾壓成型的疲勞板切割為35 mm×30 mm×250 mm的小梁試件(圖5)。然后將15 ℃恒溫箱內(nèi)養(yǎng)生好的小梁取出,置于MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn),如圖6所示。通過origin軟件繪制荷載位移曲線,并計(jì)算荷載位移曲線與位移垂直線、橫坐標(biāo)軸三者所圍成的面積值,即正交試驗(yàn)下的GMA沖擊韌性值,極差分析如表11所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表11 沖擊韌性極差分析

圖5 沖擊韌性試模

圖6 沖擊韌性試驗(yàn)

圖7 沖擊韌性正交試驗(yàn)結(jié)果

由表11中敏感性主次順序可知, C礦粉用量對(duì)GMA澆注式瀝青混凝土的沖擊韌性影響最顯著,其次為A粗骨料/ME,最后為瀝青用量。由圖7可知,在一定的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)條件下,首先可通過提高礦粉用量,或采用降低粗骨料/ME比例,提高瀝青用量的方式,來提高GMA澆注式瀝青混凝土的沖擊韌性。依據(jù)正交設(shè)計(jì)中的最優(yōu)組合結(jié)果在試驗(yàn)范圍內(nèi),使得沖擊韌性增加的優(yōu)選材料組成為粗/ME 46/54+瀝青用量 11.6%+礦粉用量24%。

2.3 GMA配合比優(yōu)化

根據(jù)前文的正交試驗(yàn)結(jié)果,秉持重點(diǎn)關(guān)注GMA抗車轍能力為目標(biāo),兼顧GMA沖擊韌性的原則,確定方案4為備選最佳方案。同時(shí),考慮沖擊韌性的重要性,根據(jù)上述試驗(yàn)表現(xiàn)增加一種比選方案作為備選最佳方案。方案4及比選方案10,如表12所示。

表12 GMA配合比優(yōu)化比選方案

在優(yōu)化比選方案的基礎(chǔ)上,首先進(jìn)行劉埃爾值試驗(yàn)、其次車轍試驗(yàn)、后沖擊韌性試驗(yàn)。代表施工流動(dòng)性的劉埃爾試驗(yàn)中方案4和方案10,在220 ℃溫度條件下各表現(xiàn)為9.2S、13.7S,均能規(guī)范中滿足施工流動(dòng)性小于20S的要求。車轍試驗(yàn)及沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果如表13、圖8和圖9所示。

表13 GMA配合比優(yōu)化比選試驗(yàn)結(jié)果

圖8 動(dòng)穩(wěn)定度正交試驗(yàn)結(jié)果

圖9 沖擊韌性正交試驗(yàn)結(jié)果

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明,配合比比選方案10相對(duì)方案4選擇提高粗集料/ME比例增加高溫穩(wěn)定性,通過提高瀝青用量的方式來彌補(bǔ)粗集料/ME比例提高所帶來的沖擊韌性下降的情況,后保持礦粉用量相同。在最大限度兼顧材料良好的沖擊韌性的基礎(chǔ)上適度增加高溫穩(wěn)定性,總體表現(xiàn)出更穩(wěn)定的材料性能。故優(yōu)選方案10作為GMA配合比優(yōu)化最佳方案。

2.5 工程驗(yàn)證

榕江特大橋主橋澆筑式橋面鋪裝,采用配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)中比選方案10,進(jìn)行主線攤鋪如圖10所示。在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中,主要控制混合料施工時(shí)流動(dòng)度、混合料攪拌時(shí)間及溫度、 攤鋪速度、攤鋪厚度、缺陷處理等。

圖10 澆筑式攤鋪?zhàn)鳂I(yè)

攤鋪過程中對(duì) GMA澆筑式橋面鋪裝取樣成型車轍試件,進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn),結(jié)果如表14 所示。檢測(cè)結(jié)果表明,動(dòng)穩(wěn)定度總體上穩(wěn)定在400～600 次/mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

表14 GMA動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)結(jié)果

采用相同方式取樣成型沖擊韌性試件,檢測(cè)結(jié)果如表15所示。檢測(cè)結(jié)果表明沖擊韌性表現(xiàn)穩(wěn)定,滿足沖擊韌性不小于 300 N·mm 的設(shè)計(jì)要求。

表15 GMA沖擊韌性檢測(cè)結(jié)果

實(shí)體工程驗(yàn)證表明,采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)得出的澆注式配合比,其關(guān)鍵性能指標(biāo)高溫穩(wěn)定性及沖擊韌性均符合設(shè)計(jì)要求且富余值較多。

3 結(jié)論

通過對(duì)GMA澆注式瀝青混凝土配合比進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),GMA在不同材料組成比例下的高溫穩(wěn)定性和疲勞性能存在一定的矛盾關(guān)系。通過結(jié)果分析,主要結(jié)論如下。

1)根據(jù)正交試驗(yàn)影響因素下的三水平梯度設(shè)計(jì),在試驗(yàn)范圍內(nèi),可通過保持礦粉用量一定的情況下,合理提高粗集料與ME比和瀝青用量。GMA澆注式材料表現(xiàn)出優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性,并兼顧疲勞性能良好的效果。

2)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析GMA配合比設(shè)計(jì)中優(yōu)選粗集料與ME(瀝青膠砂)的比為54/46,瀝青用量為11.1%,礦粉用量21%為最佳配合比。

3)設(shè)計(jì)單位在對(duì)GMA澆注式瀝青混凝土進(jìn)行比選設(shè)計(jì)方案時(shí),應(yīng)結(jié)合選材的性能指標(biāo)及項(xiàng)目實(shí)際的需求條件,試驗(yàn)范圍內(nèi),各組分選擇合理的試驗(yàn)梯度進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究。