江勝文, 詹文兵, 羅傳熙, 黃志勇

(1.保利長大工程有限公司, 廣州 510000; 2.長大市政工程(廣東)有限公司, 廣東 中山 528400; 3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院, 廣州 510640; 4.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司, 廣州 510640)

澆注式瀝青混凝土源于德國,并在英國、丹麥等歐洲國家及日本得到廣泛應(yīng)用[1]。它是指在高溫下拌合,依靠混合料自身的流動性攤鋪成型,無須碾壓的混合料[2-4]。2001 版的德國瀝青混合料設(shè)計規(guī)范則將其命名為Guss Asphalt,簡稱GA[5-7]。英國習(xí)慣于用材料特性命名,稱之為Mastic Asphalt,簡稱 MA[8-10]。MA與GA主要區(qū)別在工藝不同,MA首先是將湖瀝青與一般瀝青拌和均勻,然后加入礦粉和0～2.36 mm細集料,拌制成瀝青瑪蹄脂,將瀝青瑪蹄脂及加熱的5～10 mm碎石按比例加入拌和運輸車內(nèi)中,拌和約6 h升溫至200～240 ℃,采用專用的攤鋪機進行澆注式攤鋪[11-12]。因拌合工藝的差別,使其施工效率差(MA需拌和6 h左右)。與GA相比,MA級配偏細;而GA是將集料和瀝青同時拌合而成,拌合工藝比較簡單,級配偏粗,為改善澆注式瀝青混凝土的高溫性能,GA瀝青混凝土一般采用改性瀝青,甚至有采用湖瀝青與聚合物的雙改性瀝青[13-15]。GMA是采用 GA 工藝,但是吸收 MA 備料、配合比設(shè)計理念的澆注式材料,具有混合料性能更穩(wěn)定、施工效率高等優(yōu)點。

由于GMA瀝青混合料屬于懸浮式富瀝青含量型混合料,其高溫穩(wěn)定性處于相對較低的水平。GMA混合料組成或生產(chǎn)工藝的波動會對其性能產(chǎn)生顯著影響,其性能表現(xiàn)出顯著的敏感性。對于鋼橋面鋪裝的特殊性,要求GMA鋪裝材料具有優(yōu)良的密水性、高溫穩(wěn)定性、抗疲勞耐久性等,而這些性能又是相互影響和制約的,要獲得一個最佳性能的GMA鋪裝材料,需要均衡考慮各方面的性能,進行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計。

GMA瀝青混合料性能受到生產(chǎn)工藝過程影響顯著。室內(nèi)小型拌合設(shè)備很難模擬實際的生產(chǎn)情況?？紤]到GMA瀝青混合料性能、設(shè)計和控制的經(jīng)驗性、復(fù)雜性、敏感性,需要保證每一車 Cooker 的GMA瀝青混合料質(zhì)量,有必要通過實際拌合生產(chǎn)設(shè)備獲取有效的數(shù)據(jù)參數(shù),分析GMA生產(chǎn)過程中拌合溫度、拌合時間、級配、油石比等因素對GMA瀝青混合料性能的影響。

1 原材料

GMA中瀝青由70%的特立尼達湖瀝青(TLA)及30%的A-70瀝青混合組成,混合后的瀝青技術(shù)指標見表1。

表1 GMA混合料瀝青的技術(shù)指標

粗優(yōu)質(zhì)玄武巖,粗集料技術(shù)指標見表2;細集料為石灰石破碎而成,細集料技術(shù)指標見表3;本文采用的GMA級配見表4。

表2 GMA混合料粗集料的技術(shù)指標

表3 GMA混合料細集料的技術(shù)指標

表4 GMA級配

2 實驗方案與實驗結(jié)果

2.1 實驗方案

通過Cooker車的試拌工作,分析拌合溫度、拌合時間、油石比與成型方式等因素對澆注式瀝青混合料的性能影響,明確混合料質(zhì)量變異的關(guān)鍵因素與控制方法。具體GMA試拌參數(shù)、試驗方案見表5。

表5 GMA試驗方案

表5中編號1為實驗對照組,編號2與編號3為分析拌合溫度影響的實驗組,編號4與編號5為分析油石比影響的實驗組,編號6為分析拌合時間影響的實驗組,其中在6 h時加入0.5%瀝青評價再生效果。

2.2 實驗結(jié)果

按照表5的試驗方案,開展拌合與試驗工作,試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6。在拌合過程中,編號5因為瀝青用量減低幅度過大,出現(xiàn)攪拌困難,在攪拌開始后增加了基質(zhì)瀝青。

表6 GMA檢測試驗數(shù)據(jù)匯總

3 實驗結(jié)果分析

3.1 拌合溫度對GMA性能的影響分析

GMA的拌合溫度設(shè)計文件要求控制在210～230 ℃,最高不能超過 240 ℃。各Cooker 的GMA試拌預(yù)設(shè)目標溫度(2.5 h)與實際溫度情況如圖1所示,數(shù)據(jù)顯示實測拌合溫度與預(yù)設(shè)拌合溫度有較大差異,表明精確控制GMA拌合溫度存在一定難度,需要通過標定控溫裝置,縮小設(shè)定溫度與實際溫度的差距。編號1的實測溫度高于230 ℃,但低于最高限定溫度240 ℃。由表6可知,編號1車GMA的流動性低,并且動穩(wěn)定度較高。編號1拌合溫度高,混合料老化加速,且混合料的瀝青用量偏低,高溫動穩(wěn)定度顯著提高,但反映疲勞性能的沖擊韌性顯著降低。編號2～編號6拌合溫度接近,沖擊韌性均大于 400 N·mm,高溫動穩(wěn)定度均大于 400 次/mm,劉埃爾值也能滿足施工流動性的要求。編號2、編號3、編號6的瀝青用量相近,拌合溫度相近,同樣拌合 2.5 h后的GMA混合料的關(guān)鍵性能指標(動穩(wěn)定度、沖擊韌性、劉埃爾值)也比較接近,表明如果控制好GMA混合料的拌合溫度、拌合時間,混合料的性能也是可控的。

圖1 預(yù)設(shè)與實測拌合溫度

3.2 拌合時間對GMA性能的影響分析

以第6車的試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),拌合時間對GMA混合料流動度、硬度、動穩(wěn)定度與沖擊韌性的影響如圖2、圖3所示。由圖2可知,硬度在拌合過程中整體穩(wěn)定,滿足在 5～20(0.1 mm)范圍內(nèi)要求。流動性有一定波動,整體在不大于 20 s范圍內(nèi),開始拌合至2.5 h隨著攪拌均勻性提高,GMA流動性提高;然后隨著拌合時間延長,瀝青混合料的老化導(dǎo)致流動性又隨之降低,3.5、4.0 h的流動性波動是否正常需要進一步驗證。拌合6 h后添加 A-70 瀝青作為再生劑,GMA流動性顯著提高。由圖3可知,車轍動穩(wěn)定度在2.5 h前增長較快,達到 500 次/mm 以上,之后增長速度比較平穩(wěn),拌合6 h內(nèi)均低于800次/mm,6 h后加入A-70瀝青,車轍動穩(wěn)定度基本保持穩(wěn)定不變。沖擊韌性由拌合1.5 h的526 N·mm逐漸下降,3.5 h后低于400 N·mm(目標性能要求大于400 N·mm),6 h以內(nèi)沖擊韌性均在350 N·mm以上,添加再生劑后7 h的GMA沖擊韌性有所提高。結(jié)合動穩(wěn)定度的變化趨勢以及沖擊韌性的下降速度,Cooker的拌合時間不宜過長,宜控制在2.5～3 h。

圖2 流動性、硬度與拌合時間的關(guān)系

圖3 動穩(wěn)定度、沖擊韌性與拌合時間的關(guān)系

GMA混合料在 Cooker 車中高溫拌合時間越長,混合料老化越嚴重,高溫抗車轍性能不斷提高,但是疲勞性能也會隨拌合時間延長而發(fā)生變化。而瀝青層疲勞開裂是橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的主要破壞模式之一,瀝青層疲勞性能的好壞直接關(guān)系到橋面鋪裝的最終使用性能和服務(wù)壽命。在全球范圍內(nèi)開展較為普遍的混合料疲勞試驗方法主要是間接拉伸法(即劈裂疲勞試驗、梯形懸臂梁彎曲法和四點彎曲法)。相較而言,四點彎曲疲勞試驗在影響因素敏感性、試驗可靠性及合理性方面是比較優(yōu)越的,對鋼橋面瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能評價是一種最有效的方法。采用編號5拌合時間 2、3、6 h的GMA混合料進行四點彎曲疲勞試驗,采用的試驗溫度為15 ℃,控溫精度為 0.1 ℃,應(yīng)變水平分別取 300、450、600 με,試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同應(yīng)變水平下拌合時間對GMA疲勞壽命的影響

由圖4可知,GMA混合料疲勞壽命的最大影響因素是應(yīng)變水平,600 με應(yīng)變水平疲勞壽命僅為300 με疲勞壽命的1/10左右。2、3、6 h對GMA混合料疲勞壽命影響不顯著,顯示在6 h拌合時間內(nèi)GMA混合料疲勞性能未顯著變化。取編號4、編號2與編號6的2.5 h的混合料進行四點彎曲疲勞試驗,試驗結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,編號4、編號2與編號6的混合料沖擊韌性依次降低,與四點彎曲疲勞壽命的順序一致,并且下降速度相近。沖擊韌性與瀝青混合料的疲勞壽命具有良好的相關(guān)性,四點彎曲疲勞試驗過程復(fù)雜,耗時較長,GMA混合料的設(shè)計與施工質(zhì)量控制可采用沖擊韌性指標表征疲勞性能。

圖5 450 ℃疲勞壽命與沖擊韌性的關(guān)系

3.3 油石比對GMA性能的影響分析

GMA設(shè)計瀝青含量與抽提試驗結(jié)果如表7、圖6所示。結(jié)果表明,GMA瀝青含量控制較穩(wěn)定,編號5預(yù)設(shè)GMA減少 0.6%瀝青含量影響,實際減少了 0.9%,對GMA流動性影響顯著,出現(xiàn)拌合和攤鋪困難的情況。編號4預(yù)設(shè)減少 0.3%瀝青含量影響,實際減少了 0.2%。編號2、編號3與編號4的實際拌合溫度相近,分別取2.5 h拌合時間的混合料進行流動性分析,如圖7所示。

圖6 GMA瀝青含量設(shè)計值與檢測值

圖7 瀝青含量與流動性的關(guān)系

表7 GMA瀝青含量

由圖7可知,瀝青含量與流動性呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系,為了保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定性,考慮機械設(shè)備對于瀝青含量控制的精準性,建議將瀝青用量的精度控制在±0.2% 以內(nèi),穩(wěn)定混合料的性能。

3.4 成型方式對GMA沖擊韌性的影響

沖擊韌性試件采用的是碾壓成型的車轍板切割而成,跟所有的疲勞試驗一樣,試件的成型與切割質(zhì)量對試驗結(jié)果影響較大。常規(guī)沖擊韌性試驗采用的是切割成型,但該方法很難確保棱柱體的面面平行,且因振動等原因,在切割過程中造成試件內(nèi)部不可避免的損傷,降低沖擊韌性值。因此,采用一次成型方法進行試件成型,該方法可以避免損傷,試件外形與尺寸有保證;縮短試驗周期;減小試驗結(jié)果的變異性,數(shù)據(jù)更可靠。一次澆注成型法對沖擊韌性試驗的改善效果通過比對試驗進行驗證,試驗結(jié)果如表8與圖8所示。

圖8 不同成型方式?jīng)_擊韌性與拌合時間的關(guān)系

表8 不同成型方式及拌合時間的沖擊韌性

試驗結(jié)果表明,一次澆注成型法實現(xiàn)了預(yù)期的試驗改進目標,試驗周期縮短,試件尺寸與外形有保證,免去了切割過程中導(dǎo)致的損傷,因此一次澆注成型法的試驗結(jié)果比切割成型試件的試驗結(jié)果提高17.4%。另外,試驗結(jié)果的變異性也得到了改善,切割成型試驗的變異系數(shù)高于21.5%,澆注成型試驗數(shù)據(jù)變異系數(shù)為13.2%,變異系數(shù)縮小38.7%,均方差減小28%。澆注成型試驗的沖擊韌性數(shù)據(jù)變異性更小,分析試驗規(guī)律時也更加便利,規(guī)律性更強。如圖8所示,兩種試驗方法得到的沖擊韌性隨拌合時間的總體規(guī)律一致,拌合時間越長,GMA老化越嚴重,沖擊韌性越小,但是澆注成型的試驗數(shù)據(jù)規(guī)律性更好,而切割成型的沖擊韌性值曲線有數(shù)據(jù)變異性造成的突變點。

4 結(jié)論

通過Cooker車拌合的方式,真實模擬研究不同生產(chǎn)因素對GMA澆注式瀝青混合料的性能影響,得到以下結(jié)論。

(1)動穩(wěn)定度在2.5 h前增長較快,達到 500 次/mm,之后增長速度比較平穩(wěn);沖擊韌性拌合3.5 h后低于目標性能要求的400 N·mm。因此Cooker車的拌合時間宜控制在2.5～3 h。

(2)沖擊韌性與瀝青混合料的疲勞壽命具有良好的相關(guān)性。四點彎曲疲勞試驗過程復(fù)雜,耗時較長,GMA混合料的設(shè)計與施工質(zhì)量控制可采用沖擊韌性指標表征疲勞性能。

(3)瀝青含量與流動性呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系,為了保證施工質(zhì)量的穩(wěn)定性,考慮機械設(shè)備對于瀝青含量控制的精準性,建議將瀝青用量的精度控制在±0.2%,穩(wěn)定混合料的性能。

(4)采用澆注成型的沖擊韌性試驗數(shù)據(jù)較切割的試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好,在有條件的情況下,應(yīng)盡量采用澆注成型的試件制備方法。