GMA浇注式钢桥面铺装配合比优化设计研究

詹文兵, 江胜文, 罗传熙, 黄志勇

(1.长大市政工程(广东)有限公司, 广州 510641; 2.保利长大工程有限公司, 广州 510641;3.华南理工大学 土木与交通学院, 广州 510641)

20世纪90年代末我国钢桥面铺装开始广泛采用浇注式沥青混凝土铺装。香港青马大桥采用的MA浇注式铺装至今路用性能状况良好[8],江苏江阴大桥同样采用MA浇注式铺装受重载交通的影响,产生较多病害使用情况较差,于2003年翻修[9-10]。据此我国大陆地区多采用GA浇注式作为钢桥面铺装技术。举世瞩目的港珠澳大桥工程,结合已有钢桥面铺装经验及大量技术研究后提出GMA浇注式铺装技术[11]。GMA混合料按照MA配合比进行设计,保留MA对于细集料的严格控制技术,在混合料性能更加稳定的基础上采用GA一次性拌合工艺的方式生产提高生产效率[12]。

张华[13]对GA浇注式沥青混凝土的疲劳性能展开研究;卢姝杰[14]采用加速加载试验对MA浇注式沥青混凝土高温稳定性的影响因素进行研究;闫东波等[15]对GA和GMA性能进行对比研究。

借鉴前人对于GA、MA、GMA的研究,依托榕江特大桥主桥(K43+570～K44+370)浇注式沥青混凝土工程对GMA浇注式钢桥面铺装配合比优化设计展开进一步研究。

1 GMA配合比优化基本条件

1.1 试验设备及试验流程

GMA浇注式沥青混凝土要求拌合温度达到200～240 ℃,拌合时间大于0.5 h。由此相比普通沥青混凝土材料,GMA沥青混凝土对拌合工艺要求较高,本实验采用广东长大公路工程有限公司设计生产的小型模拟cooker拌合设备如图1所示。

图1 cooker拌合锅

拌合工艺:粗集料、细集料、矿粉加入cooker拌锅中180 ℃预热2 min,TLA湖沥青与70#基质沥青在普通拌合锅内180 ℃预热3 min,然后将两种混合沥青加入cooker拌锅中在220 ℃下拌合2 h。每锅混合料拌合量控制在100 kg左右。

1.2 GMA性能参数

GMA中沥青由70%的特立尼达湖沥青(TLA)及30%A-70沥青混合组成,混合后的沥青技术指标如表1所示。

表1 GMA混合料沥青的技术指标

粗优质玄武岩、粗集料技术指标如表2所示,细集料为石灰石破碎而成,细集料技术指标如表3所示。

为简便计算，合理选用连通沟控制断面，首先假定连通沟起始流量，以推求连通沟水面线，进而推求以东库水位为参数的西库水位与连通沟过流量的关系曲线。

表2 GMA混合料粗集料的技术指标

表3 GMA混合料细集料的技术指标

根据集料筛分试验数据(表4、表5)及相关GMA浇注式铺装工程的配合比设计经验,如表6所示,进行了ME级配设计。

表4 粗集料筛分结果

表5 细集料筛分结果

表6 ME级配设计

2 GMA配合比优化设计

2.1 正交试验设计

正交试验是研究多因素多水平试验的一种高效率、快速、经济的实验设计方法,同时作为分式析因设计的主要方法[16]。根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,这些有代表性的点具备“均匀分散,齐整可比”的特点,正交性试验的基本思路为从全面试验中挑选出具有整齐、分散、均匀的点进行试验,达到每个因素与每水平之间各出现在试验小组中一次的正交性、高效性。其原理如图2所示。

图2 正交试验原理

基于前人试验及工程实践研究,确定GMA类型沥青混凝土铺装配合比设计的关键因素为粗集料与ME(第一生产阶段中沥青胶砂)的比例、沥青用量、矿粉用量。即符合三因素与三水平的试验正交试验模型,采用L9(33)正交表进行组织试验内容。对于钢桥面铺装的现实情况粗集料与ME用量应贴近50:50左右,初步拟定粗集料/ME的三水平为46/54、50/50、54/46。选定的三因素三水平如表7所示,正交设计试验方案如表8所示。

表7 三因素-三水平表

表8 GMA 配合比正交试验设计

粗集料与 ME 的比例、矿粉用量、沥青用量改变时,组成ME的组成成分需要相应微调,经计算后,9组试验的材料配合比例如表9所示。

表9 GMA材料组成数据

2.2 正交试验分析

2.2.1 车辙试验分析

由于钢桥面所处温度较正常路面高出150%左右,因此钢桥面铺装材料的高温性能是影响路面使用性能的重要因素,采用车辙实验如图3所示,动稳定度作为材料性能分析方法。试验结果如图4所示。极差分析如表10所示。

表10 动稳定度极差分析

图3 车辙试验

图4 动稳定度正交试验结果

由表10中敏感性主次顺序可知,B沥青用量对GMA浇注式沥青混凝土的高温稳定性影响最显著,其次为A粗骨料/ME,最后为C矿粉用量。由图4可知,在一定的配合比优化设计条件下,首先可通过降低沥青用量,或采用增大粗骨料/ME比例,降低矿粉用量的方式,来提高GMA浇注式沥青混凝土的高温稳定性。依据正交实验设计中的最优组合结果在试验范围内,使得高温稳定性增加的优选材料组成为粗集料/ME 54/46+沥青用量10.6%+矿粉用量18%。

2.2.2 冲击韧性试验分析

钢桥面铺装中除了需要关注铺装材料的高温性能,根据钢桥面材料强度及受力特性与大量工程实际表明,疲劳开裂为钢桥面铺装的主要破坏形式之一[17]。故采用冲击韧性评价GMA类混凝土材料的疲劳特性。冲击韧性是指材料在冲击荷载作用下承受塑性变形及断裂破坏的能力。实验中采用碾压成型的疲劳板试件,使用双面锯切割机将碾压成型的疲劳板切割为35 mm×30 mm×250 mm的小梁试件(图5)。然后将15 ℃恒温箱内养生好的小梁取出,置于MTS试验机上进行冲击韧性试验,如图6所示。通过origin软件绘制荷载位移曲线,并计算荷载位移曲线与位移垂直线、横坐标轴三者所围成的面积值,即正交试验下的GMA冲击韧性值,极差分析如表11所示,试验结果如图7所示。

表11 冲击韧性极差分析

图5 冲击韧性试模

图6 冲击韧性试验

图7 冲击韧性正交试验结果

由表11中敏感性主次顺序可知, C矿粉用量对GMA浇注式沥青混凝土的冲击韧性影响最显著,其次为A粗骨料/ME,最后为沥青用量。由图7可知,在一定的配合比优化设计条件下,首先可通过提高矿粉用量,或采用降低粗骨料/ME比例,提高沥青用量的方式,来提高GMA浇注式沥青混凝土的冲击韧性。依据正交设计中的最优组合结果在试验范围内,使得冲击韧性增加的优选材料组成为粗/ME 46/54+沥青用量 11.6%+矿粉用量24%。

2.3 GMA配合比优化

根据前文的正交试验结果,秉持重点关注GMA抗车辙能力为目标,兼顾GMA冲击韧性的原则,确定方案4为备选最佳方案。同时,考虑冲击韧性的重要性,根据上述试验表现增加一种比选方案作为备选最佳方案。方案4及比选方案10,如表12所示。

表12 GMA配合比优化比选方案

在优化比选方案的基础上,首先进行刘埃尔值试验、其次车辙试验、后冲击韧性试验。代表施工流动性的刘埃尔试验中方案4和方案10,在220 ℃温度条件下各表现为9.2S、13.7S,均能规范中满足施工流动性小于20S的要求。车辙试验及冲击韧性试验结果如表13、图8和图9所示。

表13 GMA配合比优化比选试验结果

图8 动稳定度正交试验结果

图9 冲击韧性正交试验结果

2.4 优化结果分析

试验结果表明,配合比比选方案10相对方案4选择提高粗集料/ME比例增加高温稳定性,通过提高沥青用量的方式来弥补粗集料/ME比例提高所带来的冲击韧性下降的情况,后保持矿粉用量相同。在最大限度兼顾材料良好的冲击韧性的基础上适度增加高温稳定性,总体表现出更稳定的材料性能。故优选方案10作为GMA配合比优化最佳方案。

2.5 工程验证

榕江特大桥主桥浇筑式桥面铺装,采用配合比优化设计中比选方案10,进行主线摊铺如图10所示。在现场施工过程中,主要控制混合料施工时流动度、混合料搅拌时间及温度、 摊铺速度、摊铺厚度、缺陷处理等。

图10 浇筑式摊铺作业

摊铺过程中对 GMA浇筑式桥面铺装取样成型车辙试件,进行动稳定度试验,结果如表14 所示。检测结果表明,动稳定度总体上稳定在400～600 次/mm,满足设计要求。

表14 GMA动稳定度检测结果

采用相同方式取样成型冲击韧性试件,检测结果如表15所示。检测结果表明冲击韧性表现稳定,满足冲击韧性不小于 300 N·mm 的设计要求。

表15 GMA冲击韧性检测结果

实体工程验证表明,采用正交实验优化设计得出的浇注式配合比,其关键性能指标高温稳定性及冲击韧性均符合设计要求且富余值较多。

3 结论

通过对GMA浇注式沥青混凝土配合比进行正交试验设计,试验结果发现,GMA在不同材料组成比例下的高温稳定性和疲劳性能存在一定的矛盾关系。通过结果分析,主要结论如下。

1)根据正交试验影响因素下的三水平梯度设计,在试验范围内,可通过保持矿粉用量一定的情况下,合理提高粗集料与ME比和沥青用量。GMA浇注式材料表现出优良的高温稳定性,并兼顾疲劳性能良好的效果。

2)根据正交试验结果分析GMA配合比设计中优选粗集料与ME(沥青胶砂)的比为54/46,沥青用量为11.1%,矿粉用量21%为最佳配合比。

3)设计单位在对GMA浇注式沥青混凝土进行比选设计方案时,应结合选材的性能指标及项目实际的需求条件,试验范围内,各组分选择合理的试验梯度进行优化试验研究。