歐陽男， 楊群， 程志強(qiáng)

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550014； 2.同濟(jì)大學(xué) 道路與鐵道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性及抗滑性而廣泛應(yīng)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(shù)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(jié)合本地的具體工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對鋼橋面鋪裝用集料的物理力學(xué)性能進(jìn)行重點(diǎn)考察。

鋼橋面鋪裝對集料的特殊要求表現(xiàn)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(shè)計(jì)要求決定了粗集料在生產(chǎn)施工過程中需要在持續(xù)高溫的條件下承受施工設(shè)備反復(fù)揉壓的復(fù)雜力學(xué)作用。因此在高溫條件下保持足夠的抗壓碎能力是評價(jià)鋼橋面鋪裝用粗集料的重要技術(shù)指標(biāo)。

另外，鋼橋面鋪裝對SMA的體積設(shè)計(jì)要求宜趨嚴(yán)格。這是因?yàn)?，為了確保鋼橋面鋪裝與鋼板之間的協(xié)調(diào)變形，確保鋪裝層瀝青混合料的抗裂性能，在設(shè)計(jì)鋪裝層混合料時(shí)一般選用偏上限的油石比。因此可能提高SMA泛油的風(fēng)險(xiǎn)，為了降低這一風(fēng)險(xiǎn)，需要更加嚴(yán)格的體積設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。這就需要在集料選型時(shí)注意集料級(jí)配與其物理性質(zhì)的匹配，從而確保目標(biāo)配合比的體積參數(shù)更加合理。

根據(jù)貴州地區(qū)的路面工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，北盤江大橋設(shè)計(jì)文件采用玄武巖作為SMA粗集料，但由于輝綠巖材料離建設(shè)項(xiàng)目距離較近，本著原材料就地取材，節(jié)約工程費(fèi)用的考慮，項(xiàng)目建設(shè)方特委托項(xiàng)目組開展鋼橋面鋪裝工程應(yīng)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(zhèn)產(chǎn)玄武巖集料，通過物相分析、原材料物理力學(xué)分析、混合料配合比設(shè)計(jì)與性能評價(jià)等技術(shù)措施對輝綠巖用于鋼橋面鋪裝SMA進(jìn)行適用性評價(jià)，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(jìn)行對比，部分結(jié)論將為該地區(qū)與類似地區(qū)的鋼橋面鋪裝原材料(集料)選型提供一定參考依據(jù)。

1 集料試驗(yàn)

鋼橋面鋪裝表層受行車荷載與自然環(huán)境因素的長期共同作用，要求具有良好的結(jié)構(gòu)性能，以及良好的長期抗滑性能。而集料的物理化學(xué)性質(zhì)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(jìn)行堅(jiān)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(biāo)進(jìn)行對比試驗(yàn)。結(jié)果如表1、2所示。

表1 兩種集料的壓碎值、磨耗值試驗(yàn)結(jié)果

表2 兩種集料的磨光值試驗(yàn)結(jié)果

2 物相分析

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

試驗(yàn)前，將輝綠巖集料研磨成細(xì)粉，篩取粒徑小于325目細(xì)粉進(jìn)行XRD試驗(yàn)。XRD試驗(yàn)采用連續(xù)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(jìn)行XRD試驗(yàn)及物相分析結(jié)果。由圖可見：圖譜在12°與28°左右發(fā)現(xiàn)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(yàn)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(jìn)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(fā)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(wěn)定，沒有其他物質(zhì)的產(chǎn)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(xué)特性分析

表3、4為輝綠巖細(xì)、粗集料試驗(yàn)測試結(jié)果。同時(shí)為了評價(jià)集料質(zhì)量的穩(wěn)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(jìn)行對比。分析表明：采用輝綠巖集料質(zhì)量穩(wěn)定。同時(shí)為了評價(jià)其高溫條件下的物理力學(xué)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(guī)壓碎值試驗(yàn)相同的方法試驗(yàn)。表3數(shù)據(jù)表明：輝綠巖粗集料具有良好的高溫穩(wěn)定性能，這與集料物相分析的結(jié)論相一致。

表3 輝綠巖細(xì)集料測試結(jié)果

表4 輝綠巖粗集料測試結(jié)果

注：歷史測試值為該地區(qū)其他應(yīng)用輝綠巖作為集料的工程中所提供的數(shù)據(jù)。

4 輝綠巖集料對SMA配比設(shè)計(jì)與性能的影響

4.1 原材料

(1) 瀝青。SMA膠結(jié)料采用高彈改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)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(xié)同和補(bǔ)償機(jī)制，平衡了利益主體之間的利益訴求，在制度上給予激勵(lì)以解決合作動(dòng)力不足的問題[10]。為了鼓勵(lì)企業(yè)積極參加到治理過程中，政府可以對部分企業(yè)提供補(bǔ)貼，提高工作人員的積極性，同時(shí)企業(yè)也能在此過程中樹立公益形象，獲得大眾更多的消費(fèi)傾向和政府的政策傾向，不斷整合資源和增強(qiáng)主體意識(shí)。再者，如今“新零售”的出現(xiàn)通過線上與線下同款同價(jià)，消費(fèi)場景碎片化，營造全鏈條的生態(tài)，實(shí)現(xiàn)跨渠道的融通，政府鼓勵(lì)企業(yè)開展線下活動(dòng)，消費(fèi)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(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

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

表6 集料和礦粉密度的測試結(jié)果

(3) 級(jí)配。在進(jìn)行高彈改性瀝青SMA-10混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，馬歇爾試件采用雙面各擊實(shí)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(shè)計(jì)以5～10 mm輝綠巖、3～5 mm石灰?guī)r、0～3 mm石灰?guī)r作為控制組(SH)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；以3～5 mm輝綠巖、0～3 mm輝綠巖細(xì)集料取代控制組中的兩檔集料進(jìn)行對照組(HL)的配合比設(shè)計(jì)，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(jí)配曲線見圖3。

4.2 控制組最佳油石比的確定

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定度(MS)與油石比的關(guān)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(jí)配。

圖3 SMA-10合成級(jí)配曲線

圖4 控制組油石比與馬歇爾試驗(yàn)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系

4.3 輝綠巖細(xì)集料對SMA性能參數(shù)的影響

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

表7 SMA-10混合料性能驗(yàn)證結(jié)果

通過表7對比兩組SMA-10的體積參數(shù)與性能指標(biāo)做如下討論：

(1) 采用輝綠巖代替石灰?guī)r作為SMA細(xì)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(xì)集料總體相對于石灰?guī)r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(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)之一，根據(jù)筆者工程經(jīng)驗(yàn)，石灰?guī)r粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料或輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料一般不容易達(dá)到VMA大于17%的要求，因此為了達(dá)到要求，工程上需要適當(dāng)?shù)亟档蚔MA的下限至16.5%。而通過此次試驗(yàn)可知，全部采用輝綠巖粗、細(xì)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(xì)集料的SMA方案相比輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料的組合在體積參數(shù)方面亦是合理可行的。VMA大于17%的要求實(shí)際上是中國在學(xué)習(xí)引入SMA時(shí)直接引入的。在歐美等使用SMA的國家并無采用石灰?guī)r作為細(xì)集料的工程習(xí)慣，因此該指標(biāo)可以較為容易達(dá)到。而中國普遍習(xí)慣采用石灰?guī)r作為細(xì)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(jì)算SMA的礦料間歇率時(shí)，不易達(dá)到VMA的要求。因此根據(jù)中國的實(shí)際工程用料情況，VMA指標(biāo)宜做適當(dāng)調(diào)整。

總的來說，采用輝綠巖粗、細(xì)集料的組合用于SMA是可行的。在選擇集料組合方案應(yīng)針對鋼橋面具體的情況進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各方面性能后作出選擇。

根據(jù)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(qū)鋼橋面鋪裝使用狀況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)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(fā)的瀝青混合料水破壞；③ 車轍。同類型鋼橋面鋪裝并無出現(xiàn)疲勞裂縫類病害。因此從混合料設(shè)計(jì)角度來看，建議在橋面SMA設(shè)計(jì)中以降低車轍風(fēng)險(xiǎn)為主。由于采用輝綠巖細(xì)集料會(huì)造成SMA的抗車轍性能一定程度下降，因此根據(jù)專家討論與建議，最終采用輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料的方案。

5 結(jié)論

結(jié)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(jìn)行了討論，主要結(jié)論如下：

(1) 輝綠巖高溫壓碎值為 12.9%，高溫抗壓性能優(yōu)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(shù)要求。

(2) 物相分析表明：貴州地區(qū)出產(chǎn)輝綠巖組成成分具有良好的高溫穩(wěn)定性以及高溫處理后保持強(qiáng)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(xì)集料的SMA混合料相比輝綠巖粗集料+石灰?guī)r細(xì)集料更容易達(dá)到體積參數(shù)要求。

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

(5) 根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)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?guī)r細(xì)集料的方案，該文的部分結(jié)論對于低溫多雨地區(qū)的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)選型具有一定參考意義。