钢桥面浇注式沥青混凝土配合比设计研究——以福鼎八尺门大桥为例

郑 彧

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

0 引言

浇注式沥青混合料，是高沥青含量、高矿粉含量、高拌合温度及无需碾压，靠自身流动性摊铺而成的一种沥青混合料。浇注式沥青混合料的空隙率几乎为零，它以其良好的随从变形能力、抗老化能力和密实防水等特点，在钢桥面铺装中得到广泛应用，如江阴长江大桥、东海大桥、安庆长江大桥、泰州长江大桥等[1]。

本文以福鼎八尺门大桥为例，对浇注式沥青混合料配合比设计展开研究。首先，原材料因地制宜，就地取材，并结合以往工程经验，对原材料进行充分比选。其次，关注路用性能，通过贯入度试验、刘埃尔试验，初步确定浇注式沥青混合料的级配形式和最佳油石比；再采用低温弯曲试验，验证配合比是否满足要求，最终确定浇注式沥青混合料配合比设计方案。

从目前国内外钢桥面浇注式沥青混凝土使用情况看，高温性能不足是其最主要的缺点。如江阴长江大桥在通车不久后就出现明显的车辙、拥包等病害；国外浇注式钢桥面铺装也存在类似问题，如德国境内的大部分浇注式沥青混凝土铺装也存在明显的车辙病害[2]。该项目所在地福鼎地区，夏天最高室外气温达到35℃，据推算钢桥面温度可达60℃以上。因此，“高温性能和施工和易性为主，低温性能为辅”是该项目浇注式沥青混凝土配合比设计主要原则。

1 工程背景

八尺门大桥主桥结构形式为(33+67+200)m独塔单索面混合梁斜拉桥，全桥钢箱梁总长183m，为带翼缘流线型截面，钢桥面铺装采用沥青混凝土铺装，铺装面积约5000m2。钢箱梁采用正交异性结构钢桥面板，面板厚16mm。

浇注式沥青混凝土在钢桥面铺装中应用，由早期的单层铺装，如江阴长江大桥、重庆鹅公岩大桥，发展到如今多数作为双层铺装的下层结构[3]，如泰州长江大桥、南京四桥等。近年“下面层浇注式沥青混合料GA+上面层SMA”铺装组合已成为钢桥面铺装的主流，GA和SMA两种不同的混合料特性在不同铺装层位中发挥着不同的作用，取得了良好的使用效果。通过综合比较铺装结构的路用性能、施工控制、经济性、工期、养护等因素，该项目钢桥面铺装方案采用防水粘结层+35mm浇注式沥青混凝土+粘层+35mm高弹改性沥青SMA-10，具体结构如图1所示。本文针对下层浇注式沥青混合料配合比设计展开研究。

图1 铺装结构设计图

2 浇注式沥青混合料配合比设计

各国浇注式沥青混合料配合比设计方法均有所不同：德国采用40℃下的贯入度和贯入度增量作为评价指标；日本采用贯入度、动稳定度作为评价指标；英国采用硬度指数、动稳定度、车辙深度、车辙率作为评价指标[4]。我国经过多年的研究和大量工程经验，总结出钢桥面浇注式沥青混合料配合比设计流程，目前已形成规范[5]：

(1)对原材料进行性能试验比选，如集料、矿粉、沥青结合料。

(2)先根据以往经验预估油石比，选取集料合成3组不同级配，进行贯入度试验和刘埃尔试验。

(3)根据贯入度、贯入度增量及刘埃尔值，确定初选级配。

(4)以预估油石比作为中值，按±0.2%变化，取5个不同沥青用量，再次进行贯入度试验和刘埃尔试验，初步确定最佳油石比。

(5)根据初步确定的最佳油石比和级配成型试件进行低温弯曲试验，验证其低温性能，最终确定配合比方案。

2.1 原材料要求

(1)沥青结合料

浇注式沥青混合料沥青含量高，沥青和细集料形成的沥青胶浆，直接影响浇注式沥青混合料的性能，而沥青又决定着胶浆的性能[6]，沥青的粘弹性决定着它抵抗永久变形能力，浇注式沥青混合料的高拌和温度对沥青的抗老化能力提出了更高要求，沥青的硬度对混合料的流动性也有所影响，因此沥青的选择至关重要。目前，浇注式沥青混合料常用的沥青结合料主要有3类：①聚合物改性沥青；②聚合物改性沥青与天然沥青复合改性沥青；③道路石油沥青与天然沥青复合改性沥青。掺配天然沥青(主要采用湖沥青)目的在于提高沥青结合料的高温性能，但常温或低温下的脆性也限制了它在钢桥面铺装中应用。同时，天然沥青杂质较多，影响沥青性能稳定性，且大规模开采天然沥青不利于环境保护。该项目经过综合比选后，采用高强聚合物改性沥青，技术指标如表1所示，满足技术要求。

表1 高强聚合物改性沥青技术指标

(2)集料和填料

集料是钢桥面铺装中的主要原材料之一，在大跨径钢桥的设计中，为减轻钢桥面铺装恒载，并保证路用性能，需选用质地坚硬、致密、颗粒形状好、与沥青有良好粘结性的石料。该项目采用的集料为福鼎霞浦本地产玄武岩：玄武岩碎石5mm～10mm、玄武岩机制砂0mm～5mm，矿粉采用石灰岩矿粉，筛分结果如表2所示，主要性能检测结果如表3所示。

表2 集料筛分结果 %

表3 集料检测结果

(3)级配形式

浇注式沥青混合料为悬浮密实结构，级配以细集料为主，最大粒径一般不超过10mm，0.075mm通过率高达25%左右。关键筛孔4.75mm和0.075mm通过率分别反映的是粗细比和粉胶比。粗细比和粉胶比是浇注式沥青混合料性能的关键影响因素[7]。该项目根据现有集料筛分结果，调整不同矿料比例，配制出细、中、粗3种级配，同时保证配制的级配落在技术要求的GA-10范围内。3种不同级配形式详见表4，级配曲线详见图2。

表4 级配形式 %

图2 三种级配曲线

2.2 配合比设计

2.2.1初选级配

针对浇注式沥青混合料特点，配合比设计首先要满足混合料流动性和高温性能。参考国内类似工程经验，浇注式沥青混合料最佳油石比基本在7.0%～9.0%之间，故，本研究初拟油石比7.8%，根据以上3组级配进行配合比设计试验，即刘埃尔试验和贯入度试验，混合料拌和温度240℃，因福鼎地区属夏炎热区，故，贯入度试验温度采用60℃。试验结果如表5所示。

表5 3种级配试验结果(7.8%油石比)

从表5中可知，①浇注式沥青混合料集料粗细程度与贯入度和贯入度增量呈现良好的关联度，混合料高温性能随着粗细比增加而提高，其中细级配贯入度和贯入度增量试验平均值虽然满足要求，但已接近上限，个别试验值不满足要求。可见适当加大5mm～10mm碎石比例，可提高浇注式沥青混合料的高温性能。②粗级配的刘埃尔值大于中级配和细级配，中级配和细级配的刘埃尔值相差不多，粗级配的刘埃尔值在技术要求上限左右，这说明0.075mm通过率对混合料施工和易性影响显著，0.075mm通过率越低，流动性越差。

综合考虑3种级配的高温性能及施工和易性，该项目推荐采用中级配，4.75mm通过率取GA-10级配范围的下限，0.075mm通过率取GA-10级配范围的上限。各矿料质量比：5mm～10mm碎石：0～5mm玄武岩机制砂：矿粉=36∶36∶28。

2.2.2确定油石比

根据上述所确定的级配，在预估油石比7.8%左右，按±0.2%变化，取5个不同油石比，进行贯入度和刘埃尔试验，以确定最佳油石比。试验结果如表6所示。

表6 不同油石比试验结果(中级配)

从表6可知，油石比对刘埃尔值和贯入度试验值影响显著，随着油石比增大，刘埃尔值逐渐下降，施工和易性逐步提升，但高温性能逐步下降，贯入度和贯入度增量逐渐增大。这是因为过多的沥青会导致出现沥青胶浆之外的自由沥青，不利于混合料高温下抵抗变形能力。当油石比达到8.0%以上时，贯入度和贯入度增量不满足要求；当油石比为7.4%时，刘埃尔值不满足要求。综合考虑试验结果和经济性，该项目最佳油石比初定为7.6%。

2.2.3低温性能验证

低温开裂是目前桥面铺装的主要病害之一。这是由于钢板在低温下会出现温缩现象而导致铺装层开裂，并且在车载作用下，在加劲肋和横隔板顶部易产生较大的负弯矩而导致受拉开裂，并且由于钢板构造而导致刚度突变，在突变处易出现开裂[8]。根据上述确定的级配(中级配)和油石比(7.6%)，进行低温弯曲试验，验证其低温性能，即制备车辙板并切割为小梁试件，试件尺寸300mm×100mm×50mm，计算跨径200mm，荷载速率50mm/min，试验温度为-10℃，试验结果见表7，试验曲线如图3所示。

表7 弯曲应变试验结果

图3 低温弯曲曲线(-10℃)

从试验结果可看出，浇注式沥青混合料在低温(-10℃)状况下，试件没有破坏以前，竖向荷载和跨中挠度基本保持线性关系，即材料处于弹性状态，曲线具有明显的峰值，当荷载到12.24kN时，试件出现破坏，弯曲应变8.8×10-3，这表明了采用该配合比方案的浇注式沥青混合料具有较好的抵抗弯曲变形能力，可满足技术要求。

3 结语

本文参考了国内外浇注式沥青混凝土的研究情况及工程经验，结合八尺门大桥实际情况，从原材料、路用性能、施工和易性3个方面展开浇注式沥青混凝土配合比设计研究，最终提出了适用于八尺门大桥设计要求的浇注式沥青混凝土配合比方案。

八尺门大桥通车至今已有两年半，钢桥面铺装目前使用情况良好，未见明显病害，说明本配合比方案设计是成功的，为今后类似工程提供了一定借鉴。