高模量高韌性鋼橋面鋪裝瀝青混合料施工工藝研究

高 明，崔 頔，李 巍，王 波，李 爽

(1.遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015； 2.高速公路養護技術交通運輸行業重點實驗室 沈陽市 110015；3.遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166； 4.遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 110006)

1 工程概況

高模量高韌性鋼橋面鋪裝瀝青混合料(簡記為GG-5混合料)是針對季凍區鋼橋鋪裝的特殊使用需求而研發的一種全新的瀝青混合料，這種混合料使用大比例含量的聚合物作為改性劑，使得瀝青混合料同時具備高溫抗永久變形能力、低溫柔韌性以及大應變條件下的耐疲勞性能，從而滿足季凍區鋼橋面鋪裝的使用要求[1]。2017年9月，高模量高韌性鋼橋面鋪裝瀝青混合料鋪裝體系首次應用于京哈高速公路毛家店跨線鋼箱梁橋(主線下穿)橋面鋪裝工程中。毛家店跨線橋樁號為K850+671.556，橋孔布置為(40m+60m+40m)鋼箱梁，橋面寬度為12m，橋面橫坡1.5%，縱坡為3.60%和4.45%。該鋼箱梁橋面鋪裝采用了SMA+高模量高韌性瀝青混合料GG-5雙層結構(簡記為GS鋪裝體系)，結構的具體形式為：鋼橋面板噴砂除銹后，其上依次設置防腐防水粘結層、高模量高韌性復合改性瀝青混合料GG-5鋪裝下層、改性瀝青同步碎石粘結層(對于交通量較大、溫度較高的情況可使用高溫穩定性較強的改性環氧樹脂作為粘結層)、瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA鋪裝上層等四個層次，此次鋼橋鋪裝體系的應用在國內外尚屬首次。該橋面鋪裝在建成通車后，使用效果良好，至今未出現開裂、車轍、坑槽等任何橋面病害。

2 施工工藝分析

2.1 GS鋼橋面鋪裝體系施工工序

為了對GG-5混合料的路用性能進行驗證、并對GS鋼橋鋪裝體系的施工工藝進行研究，本文在毛家店鋼橋進行了首次試驗工程的鋪筑。鋪裝施工時，由于現場調流的需要，鋪裝分為兩幅分別進行，第一幅為南側(靠近昌圖縣一側)，第二幅為北側(靠近四平市一側)。南側整個的施工順序為噴砂除銹[2-3]、刮涂樹脂2遍(每遍均養生12～24h)，待指干不粘輪后及時攤鋪GG-5混合料，使GG-5混合料能夠與樹脂熱熔粘結，然后進行北側的施工，工藝步驟與南側相同。最后分幅鋪筑SMA瀝青混合料。

2.2 GG-5混合料的拌和工藝驗證與分析

(1)冷熱料級配對比

高模量高韌性瀝青混合料GG-5采用2.36～5.6mm的玄武巖作為主骨料，現場拌和使用遼陽筑機LJDW-3000型拌和站，振動篩為3mm和6mm兩種尺寸，對熱料與冷料的級配進行了篩分對比，如表1所示。

表1 礦料級配

從表中數據可以看出，經過熱料倉篩分后，骨料中5.6mm以上顆粒含量減少了3.7%，4.75～5.6mm顆粒含量由22%降低到17.4%，降低了4.6個百分點，2.36mm以下顆粒含量減少了0.6%，2.36～4.75mm顆粒含量由70.7%增加到79.4%，增加了近9個百分點，表明冷料經過振動篩篩分后，級配發生了一定程度的變化，由于GG-5混合料只利用一檔集料做為骨料，因此，為充分保證現場施工時GG-5混合料的路用性能，尤其是實現對GG-5混合料空隙率的精確控制，應選擇熱料倉骨料進行配合比設計。此外，GG-5混合料生產時，應在骨料級配以及拌和站振動篩尺寸等方面加以注意與控制，以免造成施工時溢料過多而造成材料浪費。

(2)拌和工藝

GG-5混合料拌和時，每次拌和玄武巖骨料的質量為1.71t，待玄武巖骨料完全進入骨料秤后，人工將外加劑加入骨料秤中，之后隨骨料一起落入拌和鍋內進行干拌，干拌15s后，多個瀝青噴頭均勻噴入改性瀝青，噴瀝青5s后加入礦粉，瀝青全部噴灑完歷時15s左右，之后繼續濕拌25s，每鍋拌和的總時間約為55s左右[4]，通過現場觀測，混合料拌和均勻，無花白料，取料進行路用性能驗證[5]，結果如表2所示。

表2 拌和站混合料性能驗證

從試驗結果來看，拌和站與室內試驗結果差異不大，各方面性能達到了設計預期值，這表明現場拌和工藝是合理可行的，同時，為進一步驗證其低溫性能，還進行了-34℃的低溫彎曲試驗，采用空氣浴6h，從表中數據可以看出，在-34℃的條件下，GG-5混合料的破壞應變仍能高于改性瀝青混合料-10℃的水平，表明GG-5瀝青混合料擁有良好的低溫柔韌性。從抗滑性能的試驗結果來看，GG-5混合料表面構造深度較小，而從擺值試驗結果來看，其抗滑性能與SMA相當，這表明，GG-5混合料具有用作表面層的適用性，但有待于進一步深入研究。

2.3 GG-5混合料的施工溫度分析

由于高模量高韌性瀝青混合料GG-5摻加了大量的高分子聚合物材料，并且這些材料都是常溫加入的，因此混合料拌和時會發生較大的熱量交換，其溫度控制必然與普通瀝青混合料有較大差別，為了實現對GG-5混合料施工溫度的準確控制，進行了三次不同溫度水平的拌和試驗，試驗時材料配比及溫度檢測結果如表3、表4所示。

表3 試驗時材料比例

表4 施工時溫度參數

從表中數據可以看出，石料經過烘干加熱、通過篩分進入熱料倉后，溫度分別降低了44℃、50℃以及45℃。第三次測量時，雖然烘干后石料溫度較高，但是溫度損失卻較小，應該與第3次測量時已經是第5鍋料、拌和站預熱情況良好有關，但是總體上烘干后的熱料進入熱料倉后溫度降低50℃左右。此外，從表中數據可以看出，從拌和完畢到攤鋪完畢，混合料降溫為7～10℃，而室內試驗表明，GG-5混合料的壓實溫度需要達到175℃以上，因此，GG-5混合料出料溫度應不低于185℃。

在外加劑與礦粉摻加比例與瀝青溫度恒定的條件下，GG-5混合料的出料溫度與熱料倉骨料溫度直接相關，而骨料在烘干筒加熱后，進入拌和樓并進行篩分、稱量、拌和時均會與所接觸的管壁、篩片、骨料秤、拌和葉片以及空氣等進行熱交換而導致損失一部分熱量，因此，分析時，首先利用兩次測量結果對損失熱量進行了分析，其它溫度條件下的熱量損失率按直線擬合求得，并基于以上三次的試驗測量結果，針對編號1混合料比例，利用能量守恒原理對骨料烘干溫度、熱料倉溫度與混合料出料溫度變化規律進行了分析，分析時，瀝青初始溫度按照175℃計算，各材料的比熱與初始溫度如表5所示，結果如圖1所示。

表5 各材料比熱參數

由圖1可以看出，隨著出料溫度的提高，烘干后骨料溫度與熱料倉骨料溫度均需相應提高，提高幅度約為50～60℃。并且分析結果表明，熱料倉骨料經過拌和、溫度降低為出料溫度的過程中，其熱量一部分傳遞給混合料中高分子聚合物1、高分子聚合物2以及瀝青與礦粉等其它材料，另有少部分熱量由于與空氣、拌和鍋壁以及攪拌葉片接觸而散失，拌和散失熱量占熱料倉骨料熱量散失總量的21%、39%和37%。基本上表現為溫度較高熱量散失比例也較高。

依據計算分析的結果，對混合料的各階段施工溫度進行分析，如果碾壓溫度按照175～185℃控制，并假設攤鋪后混合料溫度降低10℃，那么出料溫度應該按照185～195℃控制，熱料倉骨料溫度應該按照235～255℃控制，骨料應該加熱至285～305℃。

從現場試驗以及計算結果來看，GG-5混合料要達到理想的出料溫度，熱料倉骨料的溫度要高于出料溫度60℃左右，這與傳統的瀝青混凝土是不同的，傳統瀝青混凝土集料的加熱溫度一般高于出料溫度20～35℃即可，產生這種不同的主要原因是GG-5混合料中高分子聚合物1、高分子聚合物2以及礦粉等常溫材料的質量比例較大，達到了13%左右，并且其中兩種高分子聚合物改性材料的比熱還較高。因此，與傳統瀝青混合料相比，GG-5混合料施工時，熱料倉骨料需要加熱至更高的溫度，這點要尤其注意。

綜合以上分析，并按照材料從烘干完畢至到達熱料倉中溫度損失50℃計，考慮到設備產量的不同以及天氣條件等因素，給出高模量高韌性瀝青混合料GG-5的溫度控制建議值為：攤鋪溫度175～185℃；出料溫度185～195℃；熱料倉骨料溫度245～255℃；骨料烘干加熱溫度295～305℃。具體工程施工時，由于氣溫條件、拌和設備、配比等方面的原因，可能會與本分析結果有所不同，具體溫度控制應根據具體情況試驗確定。

此外，由于溫度對GG-5混合料的施工影響非常關鍵，因此，建議在GG-5混合料實際生產時，為確保GG-5混合料達到理想溫度狀態，應在正式拌和前至少先走4鍋熱骨料，將設備整體預熱至穩定狀態，并待熱料倉中的骨料溫度穩定之后再開始正式生產。

2.4 GG-5混合料的攤鋪與碾壓

試驗路現場施工時，攤鋪設備使用福格勒2100，碾壓時使用維特根HD-130型鋼輪壓路機靜壓。根據現場情況，一般3～4個往返即可壓實，這表明，GG-5瀝青混合料是容易壓實的，大型壓路機不易壓實的邊部使用小型壓路機DYNAPAC CC900G補壓，由于GG-5混合料容易壓實且粘附力較強，因此，不建議使用膠輪壓路機碾壓，同時現場實驗也表明使用輪胎壓路機時，粘輪嚴重。現場通過全站儀監測同一點處的高程而確定松鋪系數，最終確定松鋪系數為1.20。

3 結語

通過對高模量高韌性瀝青混合料GG-5施工工藝的分析，得出以下結論：

(1)高模量高韌性瀝青混合料GG-5拌和時，干拌15s、濕拌40s可確保混合料拌和均勻，并且可保證外加劑分散均勻、發揮作用，混合料各方面性能可達到設計預期。

(2)各環節溫度控制是確保高模量高韌性瀝青混合料GG-5施工質量的關鍵，要注意出料溫度、運輸過程中的保溫、攤鋪機預熱、攤鋪溫度、碾壓溫度等各個環節的溫度控制，具體生產時各環節溫度控制參考值為：熱料倉骨料溫度250℃、改性瀝青175℃、出料溫度185～195℃、攤鋪175～185℃，初壓溫度控制在175℃以上。

(3)GG-5混合料的松鋪系數可按照1.20控制。碾壓時應使用鋼輪壓路機或者水平震蕩壓路機，不宜使用輪胎壓路機。