港珠澳大橋澆注式瀝青混合料性能優化試驗研究

魯華英，王 民，徐 偉

(1.港珠澳大橋管理局，珠海 519060；2.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 401336；3.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510640)

正交異性鋼橋面板的復雜受力、變形與儲熱特點，使得鋼橋面鋪裝層必須具有優異的抗變形、抗疲勞、抗老化、防水性能和良好的變形隨從性[1]。港珠澳大橋的鋼橋面鋪裝面積達52.3×104m2，是世界上最大的鋼橋面鋪裝工程。建設單位在項目初期即對全國的鋼橋面鋪裝方案進行了深入研究與綜合論證[2]，確定了選用甲基丙烯酸樹脂材料(MMA)+澆注式瀝青混合料(GMA)+改性瀝青(SMA)的鋼橋面鋪裝方案。其中澆注式瀝青混合料GMA，是兼容了英國Mastiov asphalt(MA)混合料備料與德國Guss asphalt(GA)澆注式瀝青混合料生產工藝的集合體[3]。

澆注式瀝青混合料在高溫下(220～260 ℃)拌合，依靠自身的流動性攤鋪成型，無需碾壓，空隙率小于1%，德國學者稱其為GA,英國稱其為MA。GA和MA具有相同的性能特點，但在原材料、級配組成及生產工藝存在一些差異[4]。港珠澳大橋集合GA和MA優勢，首次采用GA工藝生產拌制MA，故稱為GMA。無論是GA、MA或GMA，該類型瀝青混合料均具有良好的密水性、耐久性、疲勞抗裂性和隨從變形能力，能夠滿足鋼橋面板對鋪裝層的本質要求[5]。

港珠澳大橋所采用的GMA與普通熱拌碾壓類瀝青混合料、GA、MA相比，存在較多差異，其性能受原材料、級配、瀝青用量、拌合溫度、拌合時間、拌合工藝、攤鋪時間等多因素影響。目前中外學者開展相關試驗研究多集中在GA、MA，而涉及GMA的研究較少。現針對GMA配合比優化設計問題，采用正交試驗分析粗集料/瀝青砂膠百分比、瀝青用量、礦粉用量對GMA主要性能的影響程度，并確定最佳組合方案，以期指導GMA生產配合比設計。

1 GMA設計要求及初步配合比

1.1 GMA10性能設計要求

根據《港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標段施工圖設計 第十一篇 鋼橋面鋪裝》[6]的設計要求，港珠澳大橋鋼橋面所使用GMA的性能應該達到表1的技術要求。

表1 GMA10性能設計要求

1.2 原材料

港珠澳大橋的GMA澆注式瀝青混合料具有較高的瀝青含量，瀝青結合料是由A-70道路石油瀝青和特立尼達湖精煉瀝青(TLA)混合組成，TLA與 A-70 號瀝青的質量比為3:7，混合瀝青的性能指標如表2所示。

表2 混合瀝青技術指標

粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰石，并分為A(2.36～0.6 mm)、B(0.6～0.212 mm)、C(0.212～0.075 mm)三檔[9](表3)，礦粉采用石灰巖加工而成，其技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[10]及設計要求。同時，粗集料在240 ℃保溫60 min的壓碎值應不大于28%，細集料的碳酸鈣含量應大于85%。

表3 GMA用細集料規格

1.3 初步配合比

澆注式瀝青混合料GMA10的配合比設計流程分為如下5個步驟。

(1)利用細集料A、細集料B、細集料C及礦粉的篩分結果計算瀝青砂膠(ME)的配合比例，瀝青砂膠ME級配范圍應符合表4的要求。

表4 ME組成范圍

(2)瀝青砂膠ME可溶瀝青含量應控制在14%～17%。在控制范圍內選取4～5個可溶瀝青含量分別拌制ME，測試25 ℃條件下的硬度，應達到1.5～2.5 mm。

(3)根據可溶瀝青含量與ME硬度值的關系選取最佳可溶瀝青含量，初步確定ME可溶瀝青含量為14.5%，此時硬度為17.7(0.1 mm)。

(4)GMA10礦料級配組成中大于2.36 mm的粗集料含量應占GMA10總質量(含瀝青結合料)的45%±10%，9.5～13.2 mm粗集料的質量不得超過粗集料總質量的10%。

(5)選取三組不同粗集料比例，按照已確定的最佳可溶瀝青含量，將粗集料和ME混合攪拌得到GMA，分別測試劉埃爾流動性、硬度、沖擊韌性、車轍動穩定度等指標。通過試驗，確定粗集料的用量為50%時混合料的性能最優。

2 試驗方案

正交試驗是研究多因素多水平的一種設計方法，根據正交性從全面試驗中挑出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備均勻分散、齊整可比等特點，其原理如圖1所示。正交試驗大大減少了工作量，被廣泛應用到很多領域，是一種高效、快速、經濟的試驗設計方法[11]。

圖1 正交試驗設計原理

根據已有研究成果，澆注式瀝青混合料GMA10配合比設計關鍵因素為粗集料/ME(因素A)、瀝青用量(因素B)和礦粉用量(因素C),結合正交試驗方法，采用L9(33)正交表安排試驗。正交試驗設計方案如表5所示。

表5 GMA配合比設計正交試驗方案

對三因素三水平條件下的9種組成配合比，進行混合料的高溫穩定性(硬度、貫入度、增量、車轍動穩定度)、流動性(劉埃爾值)、疲勞性能(沖擊韌性)試驗評價，分析其影響程度，確定最佳配合比。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

3.1.1 硬度

英國的MA體系通常采用硬度值來評價混合料的高溫穩定性，即評價其抵抗變形的能力。硬度試驗試件采用圓柱體，直徑不小于100 mm，高度不小于25 mm。硬度值讀數采用311 N的直徑為 6.35 mm 的圓形接觸面積上穩壓60 s的壓入深度[12]。三因素三水平條件下的硬度如圖2所示，三水平下的硬度平均值如圖3所示。柱狀圖的頂部數據為極差，表示測試結果的離散程度，可用于表征各因素的影響程度。

圖2 硬度值試驗結果

圖3 三水平條件的硬度平均值

由圖3可知，因素B在三個水平下的硬度值差異最大，因素A次之，因素C最小，表明影響硬度因素的順序為因素B>因素A>因素C，即瀝青用量>粗集料/ME>礦粉用量。同時，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平2的GMA硬度較低，因此最優組合為A3B1C2(粗集料/ME為53/47，瀝青用量為10.7%，礦粉用量為22%)。

3.1.2 貫入度及增量

德國、中國內陸一般采用貫入度及增量來評價澆注式瀝青混合料承載能力，歐洲通常采用的試驗溫度為40 ℃，而中國夏季溫度較高，在《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》(JTG/T 3364-02—2019)[8]要求采用60 ℃作為試驗溫度，在此也一并納入進行對比試驗分析。三因素三水平條件下的貫入度及增量如圖4、圖5所示，三水平下的貫入度平均值及增量平均值如圖6、圖7所示。

圖4 貫入度試驗結果

圖5 貫入度增量試驗結果

圖6 三水平條件貫入度平均值

圖7 三水平條件貫入度增量平均值

由圖6可知，因素B在三個水平下的貫入度結果差異最大，因素A次之，因素C最小，表明影響貫入度的順序為因素B>因素A>因素C，即瀝青用量>粗集料/ME>礦粉用量。同時，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平3的貫入度較低，因此最優組合為A3B1C3(粗集料/ME為53/47，瀝青用量為10.7%，礦粉用量為25%)。

由圖7可知，因素A和因素B在三個水平下的貫入度增量差異較大，因素C的貫入度增量差異最小，表明影響貫入度增量的順序為因素B>因素A>因素C，即瀝青用量>粗集料/ME>礦粉用量。同時，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平3的貫入度較低，因此最優組合為A3B1C3(粗集料/ME為53/47，瀝青用量10.7為%，礦粉用量為25%)。

3.1.3 車轍動穩定度

車轍動穩定度是研究瀝青混合料變形的關鍵指標，是指瀝青混合料在高溫條件下(60 ℃)混合料每產生1 mm變形時，所承受標準軸載(輪壓0.7 MPa)的行走次數。三因素三水平條件下的動穩定度如圖8所示，三水平下動穩定度平均值如圖9 所示。

圖8 動穩定度試驗結果

圖9 三水平下的動穩定度平均值

由圖9可知，因素B在三個水平下的動穩定度結果差異最大，因素A次之，因素C最小，表明影響動穩定結果主次順序為因素B>因素A>因素C，即瀝青用量>粗集料/ME>礦粉用量。同時，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平1的動穩定度較高，因此最優組合為A3B1C1(粗集料/ME為53/47，瀝青用量為10.7%，礦粉用量為19%)。

3.1.4 沖擊韌性

沖擊韌性是指在沖擊荷載作用下瀝青混合料發生斷裂的荷載變形曲線，該曲線下的面積就代表發生斷裂所需要的能量[13]。沖擊韌性是在港珠澳大橋鋼橋面鋪裝加速加載試驗中首次提出。三因素三水平條件下的沖擊韌性如圖10所示，三水平下沖擊韌性平均值如圖11所示。

圖10 沖擊韌性試驗結果

圖11 三水平下的沖擊韌性平均值

由圖11可知，因素C在三個水平下的沖擊韌性值差異最大，因素A次之，因素B最小，表明影響沖擊韌性值的順序為因素C>因素A>因素B，即礦粉用量>粗集料/ME>瀝青用量，另外A因素水平1、B因素水平3及C因素水平3的沖擊韌性值較大，因此最優組合為A1B3C3(粗集料/ME為47/53，瀝青用量為11.7%，礦粉用量為25%)。

3.1.5 流動性

流動性試驗主要是用于評價澆注式瀝青混合料的工作和易性。流動性差則無法施工，流動性太高，則混合料可能發生離析且熱穩性比較差[14]，因此需要滿足合理的流動性要求。三因素三水平條件下的流動性如圖12所示，三水平下流動性平均值如圖13所示。

圖12 流動性試驗結果

圖13 三水平下的流動性平均值

由圖13可知，因素B在三個水平下的劉埃爾值差異最大，因素C次之，因素A最小，表明影響劉埃爾值的順序為因素B>因素C>因素A，即瀝青用量>礦粉用量>粗集料/ME，所有試驗組都滿足流動性要求，但從施工控制的角度，GMA劉埃爾值并非越小越好。

3.2 結果分析與試驗驗證

對各種因素的影響程度及最佳水平狀況進行統計，如表6所示。

表6 GMA影響因素統計結果

對于港珠澳大橋，重點考慮其高溫承載能力，流動性均滿足要求，不作為主要指標考慮。通過綜合分析，得出如下結果。

(1)在評價高溫穩定性的四項指標中，三個影響因素順序均一致，從大到小依次為瀝青用量、粗集料/ME、礦粉用量。對于瀝青用量這個因素，最優的組合均為水平1，即10.7%。該水平與沖擊韌性所確定的水平3相比，雖然影響比較大，但其影響程度最小，可以忽略。因此確定因素B的最佳水平為1，即瀝青最佳用量為10.7%。

(2)對于因素A，在高溫穩定性及疲勞抗裂性的五項指標中，其影響程度均排第二位，根據高溫穩定性四項指標，最佳組合為水平3，即53/47。這對于沖擊韌性指標而言，相對影響較大。

(3)對于因素C，在高溫穩定性及疲勞抗裂性的五項指標中，其影響程度排序最弱，其最佳水平也存在差異。但對于流動性，該因素影響程度居中，最佳水平為3。綜合考慮，在六個因素中的最佳水平中，4個為水平3，1個為水平2，因此確定因素C的最佳組合為水平3，即礦粉最佳用量為25%。

根據上述分析，在所確定的建議最優組合A3B1C3(粗集料/ME為53/47，瀝青用量為10.7%，礦粉用量為25%)的基礎上，綜合考慮，提出一種優化方案，即粗集料/ME為52/48，瀝青用量為10.7%，礦粉用量為23%，對兩種方案進行對比驗證，試驗結果如表7所示。

通過表7的試驗對比驗證，兩種混合料的性能差異較小，與原配合比相比，均有一定的提升，可作為下階段首件制工程選擇方案。

表7 GMA10性能對比試驗結果

4 結論

澆注式瀝青混合料GMA配合比主要影響因素是粗集料/ME、瀝青用量、礦粉用量，擬定三個水平，采用正交試驗，進行混合料的硬度值、貫入度及增量、車轍動穩定度、沖擊韌性等指標評價。瀝青用量及集料/ME對GMA的高溫穩定性影響較大，減少瀝青用量、增大粗集料/ME，可大幅提高GMA瀝青混合料的高溫抗車轍能力。礦粉用量對GMA的沖擊韌性貢獻非常大，特別是當瀝青用量較高時。通過綜合分析，確定粗集料/ME為53/47、瀝青用量為10.7%、礦粉用量為25%時，GMA的綜合性能最優。在此基礎上，提出了優化的方案，并進行性能驗證。澆注式瀝青混合料GMA配合比設計的影響因素錯綜復雜，且室內試驗與現場狀況存在差異，部分參數需根據現場實施情況作進一步的調整。