浇注式沥青混合料配合比设计及施工质量检测——以泰州大桥钢桥面铺装工程为例

陈馥利，虎 见,张 蕾

(1.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710016;2.河南城建学院，河南 平顶山 467036)

浇注式沥青混合料因其具有良好的抗冻融、防水性能，近年来在大跨径钢箱梁桥得到了较多的应用，例如青马大桥、江阴大桥、山东胜利黄河大桥、安庆长江大桥、长沙三叉矶大桥、贵州北盘江大桥、南京四桥等。本文以泰州大桥钢桥面铺装工程为例，介绍浇注式沥青混合料配合比设计及施工质量检测。

泰州大桥处于长江江苏段中部泰州和镇江、常州之间，为世界首座三塔两跨特大跨径钢箱梁悬索桥，主跨长2 160 m(2×1 080 m),钢箱梁结构选择扁平流线形全焊接钢箱梁，桥面宽度为36.7 m，行车道桥面宽度22.5 m，双向六车道布置，中间带宽为2.0 m。根据气象资料，泰州大桥属于北亚热带湿润气候区，桥位所在地区30年来，极端最低气温为-11.6 ℃，极端最高气温为+37.9 ℃。根据交通量预测，未来20年泰州大桥年平均日交通量(累计标准轴次)为54 253 pcu/d。

1 铺装方案的确定

1.1 泰州大桥钢桥面铺装条件

泰州大桥钢箱梁采用正交异性钢桥面板，顶板厚度为14 mm，局部厚16 mm，U形加劲肋厚6 mm，局部8 mm，顶板肋口宽300 mm，两肋中心间距为600 mm；底板肋口宽400 mm，两肋中心间距为850 mm，横隔板间距3.2 m。从桥面系的结构来看，桥面系刚度已经满足钢箱梁铺装的要求。

1.2 泰州大桥钢桥面铺装方案选择

国内目前常用的3种铺装材料包括改性沥青SMA、浇注式沥青混合料、环氧沥青混合料。2类常用的钢桥面铺装结构组合分别为单层铺装体系和双层铺装体系，且以双层铺装体系为主。考虑钢桥面铺装在防水、强度等方面的特殊要求，作为钢桥面板的铺装下层要求与钢板有良好的黏结力以适应钢板在温度与行车荷载作用下的复杂变形，而铺装上层混凝土应具有高强度、良好的抗疲劳和耐腐蚀性能。

改性沥青SMA中粗集料的含量一般高达70%～80%，过多的粗集料难以与钢板达到密贴的效果；此外，铺装下层要求沥青混合料的空隙率几乎为零，而SMA的空隙率在3%～4%，这一点无法达到，因此改性沥青SMA作为铺装下层不合适。

浇注式沥青混合料(简称GA混合料)空隙率小于1%，内部空隙不相连，因而不透水也不吸水，不会出现水损害现象，且对钢板追从性好，能有效分散车辆荷载。此外，浇注式沥青混合料沥青用量达到8%左右，较高的沥青用量使得它在低温下具有良好的抗开裂能力，是良好的下层铺装材料。

环氧沥青是由环氧树脂、固化剂与基质沥青经过复杂的固化反应得到的混合物，固化反应从根本上改变了沥青的热塑性，从而赋予沥青全新的物理、力学性能。环氧沥青掺加一定比例的钢桥面专用集料和矿粉，经沥青拌和楼拌和而成的环氧沥青混合料具有普通沥青混合料无法比拟的高强度、抗疲劳性能以及耐腐蚀性能，是钢桥面上层铺装的理想材料。

笔者在对国内外已有钢桥面铺装方案进行对比分析并对铺装实际使用情况进行调研的基础上，结合国内车型轴载重、远景交通量大的特点，提出泰州大桥钢桥面铺装组合方案为“下层浇注式沥青混凝土+上层环氧沥青混凝土”，该组合方案在国内属首次，给设计和施工均带了前所未有的难度和挑战。

1.3 铺装结构组合

在对国内外常用钢桥面铺装结构和铺装厚度进行调查研究的基础上，综合考虑泰州大桥气象条件、交通条件确定了泰州大桥钢桥面铺装结构和厚度：行车道钢桥面铺装设计厚度60 mm，结构组合从上到下为25 mm上层环氧沥青混凝土+0.45 mm层间黏结层+35 mm下层浇注式沥青混凝土+0.50 mm防水黏结层；中间带铺装设计厚度65 mm，结构组合为30 mm上层浇注式沥青混凝土+0.2 mm层间黏结层+35 mm下层浇注式沥青混凝土+0.5 mm防水黏结层；钢桥面检修道首先进行喷砂除锈，然后涂2 mm环氧树脂防水层，最后铺2 cm厚的单层防水彩色塑胶板。

2 浇注式沥青混合料配合比设计

根据浇注式沥青混合料的特性以及钢桥面铺装工作的特点，并借鉴德国、日本、英国等提出的浇注式沥青混合料配合比设计的经验，提出泰州大桥下层浇注式沥青混合料配合比设计如下：

1)通过调研江阴长江大桥、润扬长江大桥试验桥(冻青桥)、安庆长江大桥以及日本浇注式铺装方案，并分析不同的级配形式及其铺装使用效果，以及级配变化对混合料性能的影响，结合泰州大桥的实际条件，确定泰州大桥浇注式沥青混合料设计级配范围。泰州大桥浇注式沥青混合料设计级配范围如表1所示。

表1 泰州大桥浇注式沥青混合料设计级配范围

2)确定原材料并进行性能检验，包括粗集料、细集料、矿粉、湖沥青、直馏沥青、混合沥青的性能检验。

3)根据集料和矿粉筛分结果，初定浇注式沥青混合料级配。

4)进行不同油石比的浇注式沥青混合料刘埃尔试验、贯入度试验、车辙动稳定度试验、低温弯曲试验，确定最佳油石比。

5)检验混合料配合比。

2.1 原材料要求

2.1.1 集料

集料的颗粒形状、棱角性对浇注式沥青混合料的质量有非常关键的影响，虽然浇注式沥青混合料高温稳定性主要依赖胶浆的性能，对集料的要求没有SMA严格，但也要求粗集料坚硬、耐磨，与沥青具有良好的黏附性；浇注式沥青混合料中细集料占有比例大，其主要作用是吸附沥青结合料，填充粗集料骨架之间的空隙，增加密实度，对混合料的抗水损能力和耐久性有显著的影响。为增加浇注式沥青混合料的流动性，便于施工，可在细集料中掺加一定比例的天然砂；但所用比例需要限制，因为天然砂与沥青的黏附性较差，对高温抗车辙不利。经过对多家玄武岩生产单位进行考察与比选，泰州大桥钢桥面铺装浇注式沥青混合料所用集料采用金石磊生产线加工的玄武岩2#(5～10 mm)、3#料(3～5 mm)、4#料(0～3 mm)，集料的各项性能指标经检验均能满足钢桥面铺装的特殊要求。

2.1.2 结合料

浇注式沥青混合料是典型的悬浮密实结构，混合料中沥青含量超过7%，其强度来源于结合料的黏结力，因此结合料对混合料的性能起着决定性作用。在选择沥青时，既要保证沥青结合料有较高的黏度，以提高混合料的强度，又要避免使用太硬的沥青，以不影响其流动度和低温抗裂性。英国采用普通石油沥青(针入度60～80,0.1 mm)与天然湖沥青掺配而成的硬质沥青，湖沥青参量高，通常在50%～70%。日本学者认为掺加过多的湖沥青可能增加拌合和施工难度，使混合料脆性变大，为降低湖沥青的掺配量，日本采用针入度20～40(0.1 mm)的硬质沥青与湖沥青掺配。泰州大桥通过对SHELL-I改性沥青、SHELL-II改性沥青、东海改性沥青、SK高弹聚合物改性沥青，以及中石油30#直馏沥青与湖沥青按不同比例掺配，检测浇注式沥青混合料的各项性能指标，在保证混合料高温施工有较好流动性的同时，提高混合料的高温抗车辙、低温抗开裂性能，经比选，采用中石油30#直馏沥青与湖沥青按70∶30(质量比)掺配的混合沥青作为泰州大桥的结合料。结合料检测结果如表2所示。

表2 混合沥青试验检测结果

2.1.3 矿粉

在浇注式沥青混合料中，矿粉的作用至关重要，矿粉用量很大，达到25%左右，矿粉与沥青相互作用后，沥青化学组分在矿粉表面重新排列，形成结构沥青和自由沥青，结构沥青越多，则沥青胶浆的黏附性能就越好。由于碱性和单位比表面积大的矿粉与沥青作用后形成的结构沥青所占比例大，矿粉颗粒之间的黏结力也就越大；因此矿粉与沥青具有良好的黏附性要求矿粉为磨制的碱性天然石粉，且具有足够的细度即较大的比表面积，保证颗粒粒径小于0.075 mm的通过率大于80%。此外，矿粉应干燥、洁净、无杂质，使用时不出现结团现象，在浇注式沥青混合料生产时，由于矿粉用量大，混合料的拌制温度要求高，所以应提前对矿粉进行预热。泰州大桥采用由镇江生产的石灰岩高资矿粉，其各项性能指标均符合设计要求。

2.2 配合比设计

2.2.1 确定级配

根据各种矿料以及矿粉筛分结果，确定混合料的合成级配，如表3所示。

表3 混合料合成级配试验结果

2.2.2 最佳油石比确定

根据合成级配，采用30#直馏沥青与湖沥青按70∶30(质量比)比例配制的结合料，拌制油石比为8.6%、8.9%、9.2%的浇注式沥青混合料，拌和温度为240 ℃。对3种不同油石比的混合料进行刘埃尔流动度试验、40 ℃贯入度及贯入度增量试验，试验结果如表4所示。

表4 不同油石比下的混合料流动度、贯入度试验结果

对以上试验结果进行分析，油石比为8.9%、9.2%时混合料的流动度、贯入度及增量均满足设计要求，为保证混合料的高温性能，选用8.9%为最佳油石比，此时各种矿料所占质量比为：2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=30∶10∶36∶24，级配曲线见图1。

图1 混合料合成级配曲线

2.2.3 混合料低温性能检验

对油石比为8.9%的混合料的低温性能检验，方法采用日本铺装试验便览中的-10 ℃、15 mm/min破坏弯曲应变试验，试验结果表明油石比为8.9%的混合料低温弯曲应变满足大于设计要求的6.0×10-3με，试验结果见表5，小梁低温弯曲试验如图2所示。

表5 低温弯曲试验结果

图2 低温弯曲试验

3 泰州大桥浇注式沥青混合料施工检测

由该配合比指导生产的浇注式沥青混合料用于泰州大桥铺装下面层，其混合料试验结果满足设计和施工要求，具体试验检测结果如表6所示。

表6 浇注式沥青混合料施工检测结果

4 结 论

1)根据钢桥面双层上下层功能的不同以及对改性沥青SMA、浇注式沥青混合料、环氧沥青混合料3种铺装材料进行性能对比分析,提出泰州大桥桥面铺装结构为“下层浇注式沥青混凝土+上层环氧沥青混凝土”，重点介绍泰州大桥钢桥面铺装下层浇注式沥青混合料配合比的设计。

2)检验集料、矿粉、结合料的力学性能，确定合成级配2#料∶3#料∶4#料∶矿粉=30∶10∶36∶24(质量比)，最佳沥青用量8.9%时，混合料的高低温性能最优且均满足设计需要。

3)该配合比指导生产的浇注式沥青混合料应用于泰州大桥钢桥面实体工程，经施工检测各项指标符合设计要求。泰州大桥自通车后，运营状况良好，其浇注式沥青混合料铺装材料能满足当地气候、交通条件。浇注式沥青混合料成功应用于泰州大桥下层铺装，可为我国大跨径钢桥面铺装研究起到一定的参考作用。

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