2022-01-18
 
不同类型浇注式沥青混凝土技术差异性研究分析
2022年01月18日   阅读量:26414

摘 要 近年来,浇注式沥青混凝土在国内外大跨径钢结构桥梁铺装上广泛应用,研究不同类型浇注式沥青混凝土的技术差异性,对全面掌握浇注式沥青混凝土技术性能有重要意义。依托港珠澳大桥桥面铺装项目,分别从原材料、级配设计、技术标准及施工工艺等方面,分析了MA、GA、GMA等3种浇注式沥青混凝土的技术差异性。结果表明,3种典型方案在TLA湖沥青掺量比例、集料的分档和级配组成以及施工工艺等方面进行了较大改进,形成了适应不同使用地区的气候、交通条件的铺装结构方案沥青网sinoasphalt.com


关键词 类型 | 浇注式 | 技术差异性 | 分析


浇注式沥青混凝土具有良好的密水性、耐久性、疲劳抗裂性和随从钢板变形能力,在国内外钢结构桥梁铺装上得到广泛应用[1]。当前,浇注式沥青混凝土共有3种成功的技术方案,分别为以德国和日本为代表的GussAsphalt(简称GA)、英国和香港地区为代表的MasticAsphalt(简称MA)及以港珠澳大桥为代表的GussMasticAsphalt(简称GMA)。为进一步加强对浇注式沥青混凝土技术的了解,本文将从沥青结合料、集料、级配、混合料性能评价及施工工艺等方面,对比分析GA、MA、GMA三种浇注式沥青混凝土的技术差异性,旨在研究不同类型方案的区别、优缺点及适用性,为未来大跨径钢结构桥面铺装技术方案比选提供参考和借鉴。


原材料的技术差异


在原材料方面,与普通沥青混凝土相比,浇注式沥青混凝土具有矿粉含量高、沥青含量高的显著特征,粗集料悬浮于沥青和矿粉形成的沥青玛蹄脂中,空隙率几乎为0[2-3]。而在不同类型的浇注式沥青混凝土中,各原材料的标准要求不尽相同。


沥青结合料

(1)MA用沥青

根据英国颁布的BS1447—1988标准[4],英国MA用沥青分为B型和T50型2种,B型是硬质沥青,主要用于轻型交通的路面铺装、人行道和停车场等;T50是在基质沥青中添加了大于50%质量比的湖沥青混合而成,主要用于重载交通铺装。MA用沥青技术要求见表1。

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(2)GA用沥青

德国和日本的学者研究发现,在GA中加入过量的TLA湖沥青将增加拌和与施工难度,对混合料的低温性能产生不利影响。因此德国GA一般采用针入度为20~50的直馏沥青,掺配15%~35%的TLA湖沥青;《日本沥青路面纲要》中也规定GA采用针入度为20~40的硬质直馏沥青与湖沥青掺配,混合沥青的针入度控制在15~30范围内;我国GA用沥青分为2种,早期常采用SBS改性沥青与TLA湖沥青(10%~30%)掺配而成,现阶段主要采用特殊的聚合物改性沥青[5],2种沥青的技术要求见表2。

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(3)GMA用沥青

港珠澳大桥结合数百组室内模拟试验,并利用大型直道加速加载机(南非,MMLS66型)开展了室外高温稳定性及低温疲劳试验[6],提出GMA用的沥青结合料由A-70#道路石油沥青和特立尼达精炼湖沥青(TLA)混合组成,TLA与A-70#掺配比例为70%︰30%。


由2种沥青结合料对比可看出,GA较MA的技术指标要求相对详尽,MA用的沥青针入度更小,软化点更高,更多考虑了高温稳定性。而港珠澳大桥GMA用沥青充分考虑自然环境(南亚热带高温、高湿气候)对混合料性能的要求,湖沥青掺量达到70%。


集料


(1)MA用集料

对于粗集料,英国颁布的BS1447—1988标准[4]中要求粗集料必须采用玄武岩、辉长岩、花岗岩、粗砂岩、角岩、石灰石、斑岩或石英岩,粒径必须大于2.36mm;对于细集料,标准要求必须采用石灰岩,且碳酸钙含量必须大于80%,标准中虽未提到矿粉,但对0.075mm筛孔通过率高达40%~55%[7]。MA粗、细集料的规格要求见表3。

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(2) GA用集料

对于粗集料,日本《桥面铺装基准(案)—本州四国联络桥公团》规定[8],GA粗集料粒径必须大于2. 5mm,未通过5mm筛孔的细长或扁平石片(可包住骨材的正方体的长宽比超过5的石片)不可超过10%;细集料通过2.5mm筛孔但不能通过0.074mm筛孔,可使用天然砂、石屑或两者混合砂;矿粉规定使用石灰岩粉末。国内GA用集料选用非酸性轧制集料,粗、细集料及矿粉性能须满足JTJ032—94《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定,另针对GA拌和特点,粗集料还应保证在240℃保温60min后的压碎值应不大于28%。

(3)GMA用集料

GMA用粗集料(≥2.36mm)可采用玄武岩、辉绿岩等轧制集料,其技术要求与GA用粗集料基本相同,在压碎值和洛杉矶磨耗值指标方面要求略高。对于细集料,倾向采用MA细集料新增0.212mm档细集料分级要求,见表4。要求采用石灰岩类原石轧制的机制砂或分级筛分的石屑,不得采用天然砂,且碳酸钙含量大于85%,采用工厂化、专业化模式生产,确保细集料分档质量。


在GMA用集料方面,考虑高温稳定性为主要需求,并兼顾抗裂性要求前提下,对细集料提出了更高的分档要求和工业化生产模式。

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级配设计与评定标准的技术差异


浇注式沥青混凝土在220℃~240℃条件下拌和45min,摊铺时无需碾压,依靠自身流动性摊铺成型,与AC、SMA拌和、成型有较大的区别,传统的马歇尔试验配合比设计方法无法满足要求[9]。


级配组成


英国MA选用粗集料的粒径和用量与MA的级配类型、铺设用途及厚度有关。粗集料公称粒径通常为10mm,粗集料质量占混合料质量的比例为(45±10)%(重载交通),MA施工时先将细集料和沥青拌和后再加入粗集料,加入粗集料前的MA的级配要求见表5。


德国GA级配分为3个等级[0/5、0/8、0/11(s)],细级配多半应用于室内防水层或屋顶防水层,中间级配多应用于屋外停车场等,粗级配则应用于摩擦层或其他表面需求较粗糙的地方[5]。我国的GA级配要求是在德国和日本GA级配要求上变化而来的,最大公称粒径为10mm,级配要求见表6,GA的油石比通常在7.0%~8.5%之间。

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港珠澳大桥GMA级配要求与表5中英国MA级配要求完全一致,并要求级配组成中大于2.36mm的粗集料含量应占GMA总质量(含沥青胶结料)的(45±10)%。粗集料公称粒径为9.5mm,允许粗集料中含有9.5m~13.2mm的粒径,其质量不得超过粗集料总重10%。


综上,按照粗集料占MA质量比45%计算,可得出MA油石比范围在9.9%~14.4%之间,远远高出GA油石比,这由英国高纬度自然环境和超载车辆较少的交通条件所决定。而国内交通气候条件与英国截然不同,不仅平均气温要高很多,还存在大量的超载重载车辆。因此,对于混合料主要考虑因素为高温稳定性能,必须降低油石比以提高高温抗变形能力。


评价标准


针对浇注式沥青混凝土,不同的国家根据实际情况制定相应评价标准。英国MA标准中各项技术要求相对宽泛,集料粒径、添加方式、添加温度等并不明确,对于添加粗集料后的MA混合料指标未作要求;德国通过贯入度和贯入度增量表征沥青混合料的高温性能,但认为这2项指标试验误差相对较大,可靠性不高,另需测试试件毛体积密度、集料体积百分率和胶结料体积百分率;日本在引进德国GA时对混合料技术要求进行改进,考虑了施工的和易性,另将车辙动稳定度作为混合料高温性能指标;我国借鉴国外工程研究及实践,采用流动性、贯入度及贯入度增量、弯曲极限应变作为主要控制指标,见表7。


港珠澳大桥GMA结合项目所处地域环境,在参考借鉴日本、香港等地区浇注式沥青混合料成熟经验基础上,开展了大规模的室内模拟试验和大型加速加载试验,提出了更为严格的指标要求,采用马歇尔稳定度、硬度、流动度、冲击韧性值、车辙动稳定度作为主要控制指标[10-11],见表8。

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其中贯入度试验,日、德、中3国的试验方法相差不大,英国因为年平均气温较低、车辆超载情况少,试验方法与其他有较大区别。而日本是除我国外使用浇注式纬度最低的国家,也是气温相对最高的国家,为了保证混合料的抗车辙能力,其提出了车辙动稳定度要求(≥300次/mm)。我国为了在重载、超载环境下减少车辙病害,通过提高贯入度试验温度至60℃,大幅提高了GA的高温抗车辙能力要求,同时对低温变形能力也提出了要求。


施工工艺的技术差异

MA施工工艺


英国MA通过一台约20t的拌和机,首先按配比加入基质沥青、TLA湖沥青和石灰岩细集料,在170℃~210℃拌和成沥青玛蹄脂,随后将玛蹄脂装入至约一半载重的cooker车(该车是一种集运输、二次搅拌、控温等功能于一体的浇注式沥青混凝土施工设备)中并称重,在确定加入粗集料的重量后,加入粗集料通过cooker车升温至200℃进行二次搅拌并运输至施工现场摊铺[12]。在江阴大桥MA铺装施工过程中,将沥青玛蹄脂在香港拌和后倒入1t容量的钢模中冷却,待冷却并破碎成小块装桶后,船运至大桥施工现场,再次投入cooker车升温拌和后摊铺。


GA施工工艺


各国GA施工工艺大同小异,中国GA施工工艺是在德、日2国基础上,针对国内严重的重载、超载交通条件和苛刻的气候条件特点进行改进优化。首先将粗、细集料按配比在热料仓预加热,随后将加热后的集料与沥青、矿粉同时加入拌和机升温至220℃~250℃进行搅拌,将经拌和后的GA装入cooker车中保持220℃~250℃温度进行搅拌,并运输至施工现场进行摊铺[12-13]。


GMA施工工艺


由于MA需要通过cooker车对混合料进行二次升温拌和,施工工效较低且质量控制难度大,为了确保港珠澳大桥的施工质量及工期,在世界范围内首次采用GA拌和工艺生产GMA[14-15],替代其传统的混合料二次拌和工艺,大幅提高工效,且混合料高、低温性能和疲劳性能不低于原MA性能。

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结论与建议


MA、GA、GMA作为浇注式沥青混凝土的3种典型方案,在材料成分上没有本质区别,但由于使用地区的气候、环境、交通等不同,各国或各地区因地制宜,对浇注式的原材料组成、检测标准、施工工艺等进行了改进,形成了适应不用条件的铺装结构方案。

(1)从原材料的差异性分析,总体上MA指标要求相对较少且宽泛,有较大调整空间但不利于MA的质量控制;GA经过多年的改进,对级配要求更加严格,评价体系更加完善。MA、GA、GMA在原材料方面显著区别是TLA湖沥青掺量比例、集料的分档及级配范围,主要考虑对高温抗车辙性能与低温抗裂性能的兼顾。

(2)从级配设计的差异性分析,MA的级配要求上下限区间较大,GA和GMA的级配要求比较严格,GA和GMA中的粗集料采用了多种粒径大小的颗粒,而MA的粗集料几乎是使用单粒径的碎石,特别是MA粗集料要求在14mm~6.3mm之间占比60%,6.3mm~2.36mm之间占40%,粒径之间有太大的波动幅度,不利于MA的质量控制。相对来说,GA和GMA属于连续级配,而MA属于间断级配。从级配理论角度分析,由于浇注式中含有较多的沥青,属于悬浮级配结构,采用连续级配结构更有利于提升浇注式的高温抗车辙性能。

(3)从施工工艺的差异性分析,MA采用二次拌和的工艺,第1阶段设备可自制,第2阶段需要通过cooker车二次升温拌和,MA温度保证主要靠cooker车实现,搅拌时间需约7h~8h,生产效率相对较低;而GA、GMA采用拌和楼生产,生产效率主要取决于拌和楼,国内普通拌和站均能满足要求,生产效率大幅提高。


在我国大跨径钢结构桥梁建设快速发展的背景下,钢桥面铺装的技术必将迎来技术革新,而根据我国各地区不同气候环境、交通轴载条件,针对浇注式钢桥面铺装提出一整套设计方法和标准指南,具有重要的理论意义和实用价值。


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