輝綠巖用于鋼橋面鋪裝SMA適用性分析

歐陽男， 楊群， 程志強

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550014； 2.同濟大學 道路與鐵道工程教育部重點實驗室)

畢都高速公路北盤江大橋鋼橋面鋪裝工程采用瀝青瑪蹄脂碎石(SMA)作為鋪裝磨耗層。SMA因其優異的高溫穩定性、低溫抗裂性、耐久性及抗滑性而廣泛應用于鋼橋面鋪裝磨耗層。瀝青混合料中集料占其比重的90%以上，因此集料的選擇對瀝青混合料的體積參數以及路用性能有非常重要的影響。而相比普通路面，鋼橋面鋪裝層對所用的集料要求較高，需針對鋼橋面鋪裝的特殊性，結合本地的具體工程應用經驗，對鋼橋面鋪裝用集料的物理力學性能進行重點考察。

鋼橋面鋪裝對集料的特殊要求表現之一是要求粗集料受高溫后仍保持抗荷載壓碎的能力。鋼橋面鋪裝的設計要求決定了粗集料在生產施工過程中需要在持續高溫的條件下承受施工設備反復揉壓的復雜力學作用。因此在高溫條件下保持足夠的抗壓碎能力是評價鋼橋面鋪裝用粗集料的重要技術指標。

另外，鋼橋面鋪裝對SMA的體積設計要求宜趨嚴格。這是因為，為了確保鋼橋面鋪裝與鋼板之間的協調變形，確保鋪裝層瀝青混合料的抗裂性能，在設計鋪裝層混合料時一般選用偏上限的油石比。因此可能提高SMA泛油的風險，為了降低這一風險，需要更加嚴格的體積設計控制標準。這就需要在集料選型時注意集料級配與其物理性質的匹配，從而確保目標配合比的體積參數更加合理。

根據貴州地區的路面工程應用經驗，北盤江大橋設計文件采用玄武巖作為SMA粗集料，但由于輝綠巖材料離建設項目距離較近，本著原材料就地取材，節約工程費用的考慮，項目建設方特委托項目組開展鋼橋面鋪裝工程應用輝綠巖集料的適用性分析與研究。

基于上述因素，該文選擇羅甸輝綠巖料場集料與清鎮產玄武巖集料，通過物相分析、原材料物理力學分析、混合料配合比設計與性能評價等技術措施對輝綠巖用于鋼橋面鋪裝SMA進行適用性評價，以及對采用輝綠巖粗集料與玄武巖粗集料的兩種SMA混合料性能進行對比，部分結論將為該地區與類似地區的鋼橋面鋪裝原材料(集料)選型提供一定參考依據。

1 集料試驗

鋼橋面鋪裝表層受行車荷載與自然環境因素的長期共同作用，要求具有良好的結構性能，以及良好的長期抗滑性能。而集料的物理化學性質對鋪裝層抗變形、耐久性和抗滑性等使用性能有非常重要的影響。

首先采用輝綠巖與玄武巖進行堅固性、壓碎值、磨耗值和磨光值等反映粗集料潛在抗滑耐磨耗性能的指標進行對比試驗。結果如表1、2所示。

表1 兩種集料的壓碎值、磨耗值試驗結果

表2 兩種集料的磨光值試驗結果

2 物相分析

由于特殊的施工與運營條件，用于鋼橋面鋪裝的集料技術指標普遍高于其他工程。其中一個重要屬性表現為集料在經高溫加熱后能夠保證強度不明顯下降的特性，在集料力學指標中可以采用高溫壓碎值表征。通過對進熱料倉前后輝綠巖的冷、熱料進行物相分析，可以對比集料受短時極端高溫條件后的組成成分變化情況，有助于深入認識輝綠巖集料的耐高溫性能。通過X射線粉末衍射試驗(XRD)，對比冷、熱料XRD譜的變化狀態，可以找出輝綠巖中受熱不穩定成分。

試驗前，將輝綠巖集料研磨成細粉，篩取粒徑小于325目細粉進行XRD試驗。XRD試驗采用連續掃描，掃描角度3°～90°，掃描速度2°/min～4°/min，步長0.02°。

圖1、2為輝綠巖熱料與冷料分別進行XRD試驗及物相分析結果。由圖可見：圖譜在12°與28°左右發現明顯峰值，其中28°的峰值屬于鈉長石的峰值之一，而12°左右的峰值可能為斜綠泥石及與鐵蛇紋石峰值之一的疊加。此外，諸多局部譜圖峰值也與斜綠泥石及鐵蛇紋石的峰值較為吻合。因此初步分析表明，此次試驗采用的輝綠巖樣品主要含有鈉長石、斜綠泥石以及鐵蛇紋石。

通過對比進熱料倉前后集料物相組成的變化可知，冷、熱料的組成成分除在局部峰值略有改變外，基本峰值并未發生顯著改變。這說明集料在加熱前后，成分沒有明顯變化，說明輝綠巖集料受熱后仍然較為穩定，沒有其他物質的產生。

圖1 輝綠巖(熱料)XRD譜圖

圖2 輝綠巖(冷料)XRD譜圖

3 集料物理力學特性分析

表3、4為輝綠巖細、粗集料試驗測試結果。同時為了評價集料質量的穩定性，將其他采用同種輝綠巖集料作為粗集料的歷史測試值進行對比。分析表明：采用輝綠巖集料質量穩定。同時為了評價其高溫條件下的物理力學性能，測試了石料高溫壓碎值。高溫壓碎值是在200 ℃溫度下，保溫4 h后采用常規壓碎值試驗相同的方法試驗。表3數據表明：輝綠巖粗集料具有良好的高溫穩定性能，這與集料物相分析的結論相一致。

表3 輝綠巖細集料測試結果

表4 輝綠巖粗集料測試結果

注：歷史測試值為該地區其他應用輝綠巖作為集料的工程中所提供的數據。

4 輝綠巖集料對SMA配比設計與性能的影響

4.1 原材料

(1) 瀝青。SMA膠結料采用高彈改性瀝青，主要技術指標見表5。

為了平衡不同主體間的利益，需要建立有效的利益協同和補償機制，平衡了利益主體之間的利益訴求，在制度上給予激勵以解決合作動力不足的問題[10]。為了鼓勵企業積極參加到治理過程中，政府可以對部分企業提供補貼，提高工作人員的積極性，同時企業也能在此過程中樹立公益形象，獲得大眾更多的消費傾向和政府的政策傾向，不斷整合資源和增強主體意識。再者，如今“新零售”的出現通過線上與線下同款同價，消費場景碎片化，營造全鏈條的生態，實現跨渠道的融通，政府鼓勵企業開展線下活動，消費者可以通過線上購物線下退換貨等方式支持電商新的營銷方式。

表5 高彈改性瀝青主要技術指標檢測結果

(2) 集料與礦粉。試驗采用的集料主要為輝綠巖和石灰巖集料，不同粒徑集料以及礦粉的密度測試結果見表6。

表6 集料和礦粉密度的測試結果

(3) 級配。在進行高彈改性瀝青SMA-10混合料配合比設計時，馬歇爾試件采用雙面各擊實75次的方法成型，試件尺寸高度誤差的允許范圍為(63.5±1.3) mm。SMA-10混合料配合比設計以5～10 mm輝綠巖、3～5 mm石灰巖、0～3 mm石灰巖作為控制組(SH)進行配合比設計；以3～5 mm輝綠巖、0～3 mm輝綠巖細集料取代控制組中的兩檔集料進行對照組(HL)的配合比設計，然后分析對比兩種混合料的路用性能。作為對比的SMA-10混合料的合成級配曲線見圖3。

4.2 控制組最佳油石比的確定

根據馬歇爾試驗結果，得到的毛體積密度、空隙率(VV)、礦料間隙率(VMA)、瀝青飽和度(VFA)以及穩定度(MS)與油石比的關系曲線，如圖4所示。按油石比為5.8%確定的空隙率為3.6%，作為控制級配。

圖3 SMA-10合成級配曲線

圖4 控制組油石比與馬歇爾試驗各項技術指標的關系

4.3 輝綠巖細集料對SMA性能參數的影響

采用相同的合成級配，配制的對照組(全為輝綠巖)和控制組合成級配，取3.6%空隙率時的最佳油石比為6.5%。控制組與對照組混合料的性能驗證結果如表7所示。

表7 SMA-10混合料性能驗證結果

通過表7對比兩組SMA-10的體積參數與性能指標做如下討論：

(1) 采用輝綠巖代替石灰巖作為SMA細集料后，SMA的最佳油石比增加(約0.7%)，礦料間隙率增加(約1.95%)，瀝青飽和度增加(約2.5%)。這可能是由于輝綠巖細集料總體相對于石灰巖吸水率較高(表6)，在瀝青混合料拌和過程中吸收了更多的瀝青，致使油石比增加。

(2)VMA是SMA設計中的重要指標之一，根據筆者工程經驗，石灰巖粗集料+石灰巖細集料或輝綠巖粗集料+石灰巖細集料一般不容易達到VMA大于17%的要求，因此為了達到要求，工程上需要適當地降低VMA的下限至16.5%。而通過此次試驗可知，全部采用輝綠巖粗、細集料的SMA-10不但可以滿足17%的要求，還仍有富余。說明全部采用輝綠巖粗、細集料的SMA方案相比輝綠巖粗集料+石灰巖細集料的組合在體積參數方面亦是合理可行的。VMA大于17%的要求實際上是中國在學習引入SMA時直接引入的。在歐美等使用SMA的國家并無采用石灰巖作為細集料的工程習慣，因此該指標可以較為容易達到。而中國普遍習慣采用石灰巖作為細集料，粗集料則普遍采用比重較大的玄武巖或輝綠巖，因此在計算SMA的礦料間歇率時，不易達到VMA的要求。因此根據中國的實際工程用料情況，VMA指標宜做適當調整。

總的來說，采用輝綠巖粗、細集料的組合用于SMA是可行的。在選擇集料組合方案應針對鋼橋面具體的情況進行討論。一方面，全輝綠巖集料SMA方案提高了瀝青用量，并降低了高溫性能，但同時對抗水損害、抗疲勞、抗變形能力方面具有顯著提升，因此在設計時需要綜合考慮各方面性能后作出選擇。

根據畢都高速北盤江大橋鋼橋面的情況，以及前期對于貴州地區鋼橋面鋪裝使用狀況的調研，發現SMA磨耗層的主要病害為3類：① 層間滑移；② 由于層間滑移開裂引發的瀝青混合料水破壞；③ 車轍。同類型鋼橋面鋪裝并無出現疲勞裂縫類病害。因此從混合料設計角度來看，建議在橋面SMA設計中以降低車轍風險為主。由于采用輝綠巖細集料會造成SMA的抗車轍性能一定程度下降，因此根據專家討論與建議，最終采用輝綠巖粗集料+石灰巖細集料的方案。

5 結論

結合畢都高速公路北盤江大橋鋼橋面鋪裝工程對輝綠巖用于鋼橋面鋪裝的可行性進行了討論，主要結論如下：

(1) 輝綠巖高溫壓碎值為 12.9%，高溫抗壓性能優于玄武巖，洛杉磯磨耗值為 18.8%，磨光值為46，能滿足作為抗滑表層集料的技術要求。

(2) 物相分析表明：貴州地區出產輝綠巖組成成分具有良好的高溫穩定性以及高溫處理后保持強度不顯著下降的特性，是作為鋼橋面鋪裝集料的理想選擇。

(3) 選用全輝綠巖粗、細集料的SMA混合料相比輝綠巖粗集料+石灰巖細集料更容易達到體積參數要求。

(4) 輝綠巖細集料用于橋面鋪裝SMA是可行的，但需要考慮輝綠巖細集料對SMA路用性能帶來的影響。在低溫多雨地區，采用全輝綠巖粗、細集料的SMA混合料是比較理想的選擇。

(5) 根據室內試驗結果與同類型橋面鋪裝使用效果，建議采用輝綠巖粗集料+石灰巖細集料的方案，該文的部分結論對于低溫多雨地區的鋼橋面鋪裝結構選型具有一定參考意義。