鋼橋面澆注式瀝青混凝土設(shè)計(jì)體系研究

萬(wàn)濤濤　吳年超

摘 要：從澆注式瀝青混凝土的材料組成設(shè)計(jì)以及施工性能評(píng)價(jià)方法出發(fā)，全面系統(tǒng)地研究了鋼橋面澆注式瀝青混凝土鋪裝技術(shù)，通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外澆注式瀝青混凝土設(shè)計(jì)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，提出了較為適合中國(guó)的澆注式瀝青混凝土設(shè)計(jì)體系，具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：鋼橋面鋪裝；澆注式瀝青混凝土；級(jí)配研究；設(shè)計(jì)體系

中圖分類號(hào)：U443.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

澆注式橋面鋪裝材料主要指采用了澆注式瀝青混凝土作為主體鋪裝層材料的鋪裝結(jié)構(gòu)，如單、雙層澆注式瀝青混凝土，澆注式瀝青混凝土作為鋪裝下層（保護(hù)層）、鋪裝面層采用SMA改性瀝青、密級(jí)配瀝青混凝土等。目前，澆注式混凝土方案主要可以分為兩類，即高溫拌和式澆注式瀝青混合料（Guss Asphalt，以下簡(jiǎn)稱GA）和瀝青瑪蹄脂混合料（Mastic Asphalt，以下簡(jiǎn)稱MA）。

1 澆注式瀝青混凝土級(jí)配研究

1.1 GA瀝青混凝土級(jí)配

中國(guó)《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》在參考國(guó)外澆注式瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)理論的同時(shí)，根據(jù)中國(guó)的具體實(shí)際情況，制定了中國(guó)澆注式瀝青混凝土GA的級(jí)配上下限，如表1所示。

1.2 MA瀝青混凝土級(jí)配

世界上MA應(yīng)用最多的國(guó)家是英國(guó)，參考英國(guó)規(guī)范BS 1447：1988中的規(guī)定，瀝青瑪蹄脂的級(jí)配應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的應(yīng)用條件按照表2及表3的組成進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 澆注式瀝青混凝土原材料技術(shù)指標(biāo)研究

澆注式瀝青混凝土GA和MA一般可以分為膠結(jié)料、礦料及填料三個(gè)主要組成部分。其中GA采用的瀝青膠結(jié)料主要分為三類：硬質(zhì)瀝青、天然瀝青復(fù)配基質(zhì)瀝青或改性瀝青、聚合物改性瀝青；MA瀝青膠結(jié)料采用普通瀝青與天然湖瀝青摻配而成的硬質(zhì)瀝青，其中湖瀝青摻量較高[1]。

2.1 澆注式瀝青混凝土膠結(jié)料技術(shù)指標(biāo)

橋面鋪裝工程中，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用普通石油瀝青與特立尼達(dá)湖瀝青（TLA）摻配而成硬質(zhì)瀝青。TLA摻量較高，一般為50%～70%（質(zhì)量份數(shù)）。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1447：1988規(guī)定的MA用瀝青結(jié)合料技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

2.2 澆注式瀝青混凝土集料技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1447：1988的要求，澆注式瀝青混凝土對(duì)所使用的粗集料材質(zhì)沒(méi)有特殊要求，細(xì)集料要求為石灰?guī)r。根據(jù)國(guó)內(nèi)大量研究表明巖性較硬的粗集料對(duì)混合料的抗車轍能力有利。 因此建議集料選擇遵照中國(guó)《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的相關(guān)要求，然后根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）的試驗(yàn)方法[2]進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。

在澆注式瀝青混凝土中，礦粉的用量很大，為瀝青用量的25～4倍，礦粉應(yīng)為磨制的天然石粉，即石灰石粉。礦粉在MA混合料中起到至關(guān)重要的作用，瀝青吸附在礦粉表面形成瀝青薄膜，對(duì)MA混合料的性能有著直接的影響。因此要求礦粉與瀝青應(yīng)具有良好的粘附性；同時(shí)礦粉的細(xì)度也應(yīng)符合要求，顆粒粒徑小于0075 mm的質(zhì)量分額至少要達(dá)80%。

3 澆注式瀝青混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)研究

澆注式瀝青混凝土在中國(guó)應(yīng)用過(guò)程中還沒(méi)有形成系統(tǒng)的路用性能評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，如一般采用貫入度和貫入度增量來(lái)評(píng)價(jià)GA的高溫性能，用流動(dòng)度來(lái)評(píng)價(jià)其施工和易性；而MA在英國(guó)的應(yīng)用過(guò)程中是通過(guò)硬度值、馬歇爾穩(wěn)定度及流值來(lái)評(píng)價(jià)其高溫性能的。

3.1 澆注式瀝青混凝土流動(dòng)性評(píng)價(jià)方法

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1447：1988并沒(méi)有針對(duì)MA混合料的流動(dòng)性提出相關(guān)要求，但考慮到MA屬于澆注式瀝青混凝土，其自流成型的特點(diǎn)與GA相同，在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)增加流動(dòng)性試驗(yàn)，用于評(píng)價(jià)澆注式瀝青混凝土的工作和易性。如果流動(dòng)性差則無(wú)法施工；而流動(dòng)性太高，混合料可能發(fā)生離析并且無(wú)法獲得所需的坡度；并且一般流動(dòng)性太高時(shí)，混合料的瀝青含量較大，混合料的熱穩(wěn)性比較差。按照中國(guó)《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》規(guī)定，流動(dòng)度在240 ℃條件下要小于20 s[3]。中國(guó)對(duì)澆注式瀝青混凝土的流動(dòng)性測(cè)試采用流埃爾流動(dòng)性試驗(yàn)方法。

3.2 澆注式瀝青混凝土高溫性能評(píng)價(jià)方法

綜合《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》中的貫入度試驗(yàn)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1447：1988中要求的硬度值試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)作為澆注式瀝青混凝土的高溫性能評(píng)價(jià)方法，其詳細(xì)試驗(yàn)方法如下。

3.2.1 貫入度及貫入度增量試驗(yàn)

在德國(guó)，標(biāo)準(zhǔn)要求利用“貫入度及貫入度增量試驗(yàn)”來(lái)評(píng)價(jià)澆注式瀝青混凝土的力學(xué)性能，而日本標(biāo)準(zhǔn)只有貫入度的要求，沒(méi)有增量的要求。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求試件的試驗(yàn)溫度為40 ℃，考慮到中國(guó)的實(shí)際氣候情況，一般采用60 ℃作為試驗(yàn)的溫度，其執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為貫入度1～4 mm，貫入度增量小于04 mm。通過(guò)貫入度的測(cè)定來(lái)評(píng)價(jià)高溫時(shí)澆注式瀝青混合料的穩(wěn)定性、配合比設(shè)計(jì)及品質(zhì)管理，以上試驗(yàn)方法參考《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》。

3.2.2 硬度值試驗(yàn)

采用硬度值試驗(yàn)及馬歇爾試驗(yàn)來(lái)作為評(píng)價(jià)MA瀝青混凝土的高溫抗變形能力，其中硬度值試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 硬度值試驗(yàn)裝置

采用上述裝置，按英國(guó)規(guī)范進(jìn)行硬度值試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為：一般硬度值試驗(yàn)采用圓柱體試件，直徑不小于100 mm，高度不小于25 mm。本試驗(yàn)采用Φ101.6 mm×100 mm的試件試模，試驗(yàn)溫度為25 ℃，硬度值讀數(shù)采用311 N的重力在直徑635 mm的圓形接觸面積上穩(wěn)壓60 s的貫入深度[4]。中國(guó)香港地區(qū)在引進(jìn)MA技術(shù)的同時(shí)，考慮到中國(guó)氣候環(huán)境及交通量的不同，對(duì)MA硬度值試驗(yàn)技術(shù)及指標(biāo)進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，其修改內(nèi)容主要體現(xiàn)在：將試驗(yàn)溫度調(diào)整為35 ℃，試驗(yàn)試件采用參加粗骨料的MA混合料進(jìn)行，這與英國(guó)要求的采用瀝青砂漿進(jìn)行試驗(yàn)有所不同；技術(shù)指標(biāo)控制由英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的H型的瀝青瑪蹄脂硬度值15～25 mm，調(diào)整為10～20mm。endprint

3.2.3 馬歇爾穩(wěn)定度及流值試驗(yàn)

英國(guó)采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)作為澆注式瀝青混凝土MA路用高溫性能的評(píng)價(jià)方法，試驗(yàn)時(shí)分別記錄試件流值為5 mm和15 mm時(shí)的穩(wěn)定度，其馬歇爾穩(wěn)定度應(yīng)滿足：流值為5 mm時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度不小于4 kN；流值為15 mm時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度不小于8 kN。從恒溫水槽中取出試件至測(cè)出最大荷載值的時(shí)間不得超過(guò)40 s。

3.2.4 車轍試驗(yàn)

澆注式瀝青混凝土在歐洲的應(yīng)用過(guò)程中，其高溫性能并不是主要路用性能控制指標(biāo)，這與歐洲國(guó)家的氣候條件有直接關(guān)系，英國(guó)四季寒暑變化不大，夏季平均氣溫在13 ℃～17 ℃之間，最高氣溫不超過(guò)32 ℃，德國(guó)夏季平均氣溫也只有21 ℃。而日本，由于其夏季平均氣溫達(dá)到26 ℃，比歐洲地區(qū)氣溫高就要求澆注式瀝青混凝土增加車轍試驗(yàn)以評(píng)價(jià)其抗車轍能力。中國(guó)的華南地區(qū)氣候條件接近日本，夏季平均氣溫在30 ℃以上，因此建議增加車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)澆注式瀝青混凝土高溫抗車轍性能。

3.3 澆注式瀝青混凝土低溫性能評(píng)價(jià)方法

在級(jí)配設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量提高澆注式瀝青混凝土的高溫性能及施工和易性，但是提高高溫性能必將導(dǎo)致低溫性能的下降，所以澆注式瀝青混凝土應(yīng)用于實(shí)際橋面鋪裝過(guò)程中，還應(yīng)考慮澆注式瀝青混凝土的低溫性能。因此在級(jí)配設(shè)計(jì)完成后應(yīng)進(jìn)行澆注式瀝青混凝土的路用性能試驗(yàn)。其具體試驗(yàn)方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011 T0719）。

3.4 澆注式瀝青混凝土性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合考慮上述不同性能評(píng)價(jià)方法，兼顧中國(guó)現(xiàn)有關(guān)于澆注式瀝青混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，建議澆注式瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)主要技術(shù)控制指標(biāo)如表5所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同國(guó)家澆注式瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)的比較，得到澆注式瀝青混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)不能生搬硬套標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該根據(jù)中國(guó)實(shí)際氣候條件及交通荷載情況進(jìn)行澆注式瀝青混凝土的級(jí)配設(shè)計(jì)。建議采用流動(dòng)度試驗(yàn)、硬度值試驗(yàn)和貫入度試驗(yàn)結(jié)果作為澆注式瀝青混凝土的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)；采用馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)及小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果作為澆注式瀝青混凝土路用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 港珠澳大橋鋼橋面鋪裝預(yù)研究報(bào)告[R].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[2] JTG E42—2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院. 公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南[M]. 北京：人民交通出版社，2006.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]endprint