港珠澳大桥浇注式沥青混合料性能优化试验研究

鲁华英，王 民，徐 伟

(1.港珠澳大桥管理局，珠海 519060；2.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；3.华南理工大学土木与交通学院，广州 510640)

正交异性钢桥面板的复杂受力、变形与储热特点，使得钢桥面铺装层必须具有优异的抗变形、抗疲劳、抗老化、防水性能和良好的变形随从性[1]。港珠澳大桥的钢桥面铺装面积达52.3×104m2，是世界上最大的钢桥面铺装工程。建设单位在项目初期即对全国的钢桥面铺装方案进行了深入研究与综合论证[2]，确定了选用甲基丙烯酸树脂材料(MMA)+浇注式沥青混合料(GMA)+改性沥青(SMA)的钢桥面铺装方案。其中浇注式沥青混合料GMA，是兼容了英国Mastiov asphalt(MA)混合料备料与德国Guss asphalt(GA)浇注式沥青混合料生产工艺的集合体[3]。

浇注式沥青混合料在高温下(220～260 ℃)拌合，依靠自身的流动性摊铺成型，无需碾压，空隙率小于1%，德国学者称其为GA,英国称其为MA。GA和MA具有相同的性能特点，但在原材料、级配组成及生产工艺存在一些差异[4]。港珠澳大桥集合GA和MA优势，首次采用GA工艺生产拌制MA，故称为GMA。无论是GA、MA或GMA，该类型沥青混合料均具有良好的密水性、耐久性、疲劳抗裂性和随从变形能力，能够满足钢桥面板对铺装层的本质要求[5]。

港珠澳大桥所采用的GMA与普通热拌碾压类沥青混合料、GA、MA相比，存在较多差异，其性能受原材料、级配、沥青用量、拌合温度、拌合时间、拌合工艺、摊铺时间等多因素影响。目前中外学者开展相关试验研究多集中在GA、MA，而涉及GMA的研究较少。现针对GMA配合比优化设计问题，采用正交试验分析粗集料/沥青砂胶百分比、沥青用量、矿粉用量对GMA主要性能的影响程度，并确定最佳组合方案，以期指导GMA生产配合比设计。

1 GMA设计要求及初步配合比

1.1 GMA10性能设计要求

根据《港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段施工图设计 第十一篇 钢桥面铺装》[6]的设计要求，港珠澳大桥钢桥面所使用GMA的性能应该达到表1的技术要求。

表1 GMA10性能设计要求

1.2 原材料

港珠澳大桥的GMA浇注式沥青混合料具有较高的沥青含量，沥青结合料是由A-70道路石油沥青和特立尼达湖精炼沥青(TLA)混合组成，TLA与 A-70 号沥青的质量比为3:7，混合沥青的性能指标如表2所示。

表2 混合沥青技术指标

粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰石，并分为A(2.36～0.6 mm)、B(0.6～0.212 mm)、C(0.212～0.075 mm)三档[9](表3)，矿粉采用石灰岩加工而成，其技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[10]及设计要求。同时，粗集料在240 ℃保温60 min的压碎值应不大于28%，细集料的碳酸钙含量应大于85%。

表3 GMA用细集料规格

1.3 初步配合比

浇注式沥青混合料GMA10的配合比设计流程分为如下5个步骤。

(1)利用细集料A、细集料B、细集料C及矿粉的筛分结果计算沥青砂胶(ME)的配合比例，沥青砂胶ME级配范围应符合表4的要求。

表4 ME组成范围

(2)沥青砂胶ME可溶沥青含量应控制在14%～17%。在控制范围内选取4～5个可溶沥青含量分别拌制ME，测试25 ℃条件下的硬度，应达到1.5～2.5 mm。

(3)根据可溶沥青含量与ME硬度值的关系选取最佳可溶沥青含量，初步确定ME可溶沥青含量为14.5%，此时硬度为17.7(0.1 mm)。

(4)GMA10矿料级配组成中大于2.36 mm的粗集料含量应占GMA10总质量(含沥青结合料)的45%±10%，9.5～13.2 mm粗集料的质量不得超过粗集料总质量的10%。

(5)选取三组不同粗集料比例，按照已确定的最佳可溶沥青含量，将粗集料和ME混合搅拌得到GMA，分别测试刘埃尔流动性、硬度、冲击韧性、车辙动稳定度等指标。通过试验，确定粗集料的用量为50%时混合料的性能最优。

2 试验方案

正交试验是研究多因素多水平的一种设计方法，根据正交性从全面试验中挑出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备均匀分散、齐整可比等特点，其原理如图1所示。正交试验大大减少了工作量，被广泛应用到很多领域，是一种高效、快速、经济的试验设计方法[11]。

图1 正交试验设计原理

根据已有研究成果，浇注式沥青混合料GMA10配合比设计关键因素为粗集料/ME(因素A)、沥青用量(因素B)和矿粉用量(因素C),结合正交试验方法，采用L9(33)正交表安排试验。正交试验设计方案如表5所示。

表5 GMA配合比设计正交试验方案

对三因素三水平条件下的9种组成配合比，进行混合料的高温稳定性(硬度、贯入度、增量、车辙动稳定度)、流动性(刘埃尔值)、疲劳性能(冲击韧性)试验评价，分析其影响程度，确定最佳配合比。

3 结果与分析

3.1 试验结果

3.1.1 硬度

英国的MA体系通常采用硬度值来评价混合料的高温稳定性，即评价其抵抗变形的能力。硬度试验试件采用圆柱体，直径不小于100 mm，高度不小于25 mm。硬度值读数采用311 N的直径为 6.35 mm 的圆形接触面积上稳压60 s的压入深度[12]。三因素三水平条件下的硬度如图2所示，三水平下的硬度平均值如图3所示。柱状图的顶部数据为极差，表示测试结果的离散程度，可用于表征各因素的影响程度。

图2 硬度值试验结果

图3 三水平条件的硬度平均值

由图3可知，因素B在三个水平下的硬度值差异最大，因素A次之，因素C最小，表明影响硬度因素的顺序为因素B>因素A>因素C，即沥青用量>粗集料/ME>矿粉用量。同时，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平2的GMA硬度较低，因此最优组合为A3B1C2(粗集料/ME为53/47，沥青用量为10.7%，矿粉用量为22%)。

3.1.2 贯入度及增量

德国、中国内陆一般采用贯入度及增量来评价浇注式沥青混合料承载能力，欧洲通常采用的试验温度为40 ℃，而中国夏季温度较高，在《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(JTG/T 3364-02—2019)[8]要求采用60 ℃作为试验温度，在此也一并纳入进行对比试验分析。三因素三水平条件下的贯入度及增量如图4、图5所示，三水平下的贯入度平均值及增量平均值如图6、图7所示。

图4 贯入度试验结果

图5 贯入度增量试验结果

图6 三水平条件贯入度平均值

图7 三水平条件贯入度增量平均值

由图6可知，因素B在三个水平下的贯入度结果差异最大，因素A次之，因素C最小，表明影响贯入度的顺序为因素B>因素A>因素C，即沥青用量>粗集料/ME>矿粉用量。同时，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平3的贯入度较低，因此最优组合为A3B1C3(粗集料/ME为53/47，沥青用量为10.7%，矿粉用量为25%)。

由图7可知，因素A和因素B在三个水平下的贯入度增量差异较大，因素C的贯入度增量差异最小，表明影响贯入度增量的顺序为因素B>因素A>因素C，即沥青用量>粗集料/ME>矿粉用量。同时，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平3的贯入度较低，因此最优组合为A3B1C3(粗集料/ME为53/47，沥青用量10.7为%，矿粉用量为25%)。

3.1.3 车辙动稳定度

车辙动稳定度是研究沥青混合料变形的关键指标，是指沥青混合料在高温条件下(60 ℃)混合料每产生1 mm变形时，所承受标准轴载(轮压0.7 MPa)的行走次数。三因素三水平条件下的动稳定度如图8所示，三水平下动稳定度平均值如图9 所示。

图8 动稳定度试验结果

图9 三水平下的动稳定度平均值

由图9可知，因素B在三个水平下的动稳定度结果差异最大，因素A次之，因素C最小，表明影响动稳定结果主次顺序为因素B>因素A>因素C，即沥青用量>粗集料/ME>矿粉用量。同时，A因素水平3、B因素水平1及C因素水平1的动稳定度较高，因此最优组合为A3B1C1(粗集料/ME为53/47，沥青用量为10.7%，矿粉用量为19%)。

3.1.4 冲击韧性

冲击韧性是指在冲击荷载作用下沥青混合料发生断裂的荷载变形曲线，该曲线下的面积就代表发生断裂所需要的能量[13]。冲击韧性是在港珠澳大桥钢桥面铺装加速加载试验中首次提出。三因素三水平条件下的冲击韧性如图10所示，三水平下冲击韧性平均值如图11所示。

图10 冲击韧性试验结果

图11 三水平下的冲击韧性平均值

由图11可知，因素C在三个水平下的冲击韧性值差异最大，因素A次之，因素B最小，表明影响冲击韧性值的顺序为因素C>因素A>因素B，即矿粉用量>粗集料/ME>沥青用量，另外A因素水平1、B因素水平3及C因素水平3的冲击韧性值较大，因此最优组合为A1B3C3(粗集料/ME为47/53，沥青用量为11.7%，矿粉用量为25%)。

3.1.5 流动性

流动性试验主要是用于评价浇注式沥青混合料的工作和易性。流动性差则无法施工，流动性太高，则混合料可能发生离析且热稳性比较差[14]，因此需要满足合理的流动性要求。三因素三水平条件下的流动性如图12所示，三水平下流动性平均值如图13所示。

图12 流动性试验结果

图13 三水平下的流动性平均值

由图13可知，因素B在三个水平下的刘埃尔值差异最大，因素C次之，因素A最小，表明影响刘埃尔值的顺序为因素B>因素C>因素A，即沥青用量>矿粉用量>粗集料/ME，所有试验组都满足流动性要求，但从施工控制的角度，GMA刘埃尔值并非越小越好。

3.2 结果分析与试验验证

对各种因素的影响程度及最佳水平状况进行统计，如表6所示。

表6 GMA影响因素统计结果

对于港珠澳大桥，重点考虑其高温承载能力，流动性均满足要求，不作为主要指标考虑。通过综合分析，得出如下结果。

(1)在评价高温稳定性的四项指标中，三个影响因素顺序均一致，从大到小依次为沥青用量、粗集料/ME、矿粉用量。对于沥青用量这个因素，最优的组合均为水平1，即10.7%。该水平与冲击韧性所确定的水平3相比，虽然影响比较大，但其影响程度最小，可以忽略。因此确定因素B的最佳水平为1，即沥青最佳用量为10.7%。

(2)对于因素A，在高温稳定性及疲劳抗裂性的五项指标中，其影响程度均排第二位，根据高温稳定性四项指标，最佳组合为水平3，即53/47。这对于冲击韧性指标而言，相对影响较大。

(3)对于因素C，在高温稳定性及疲劳抗裂性的五项指标中，其影响程度排序最弱，其最佳水平也存在差异。但对于流动性，该因素影响程度居中，最佳水平为3。综合考虑，在六个因素中的最佳水平中，4个为水平3，1个为水平2，因此确定因素C的最佳组合为水平3，即矿粉最佳用量为25%。

根据上述分析，在所确定的建议最优组合A3B1C3(粗集料/ME为53/47，沥青用量为10.7%，矿粉用量为25%)的基础上，综合考虑，提出一种优化方案，即粗集料/ME为52/48，沥青用量为10.7%，矿粉用量为23%，对两种方案进行对比验证，试验结果如表7所示。

通过表7的试验对比验证，两种混合料的性能差异较小，与原配合比相比，均有一定的提升，可作为下阶段首件制工程选择方案。

表7 GMA10性能对比试验结果

4 结论

浇注式沥青混合料GMA配合比主要影响因素是粗集料/ME、沥青用量、矿粉用量，拟定三个水平，采用正交试验，进行混合料的硬度值、贯入度及增量、车辙动稳定度、冲击韧性等指标评价。沥青用量及集料/ME对GMA的高温稳定性影响较大，减少沥青用量、增大粗集料/ME，可大幅提高GMA沥青混合料的高温抗车辙能力。矿粉用量对GMA的冲击韧性贡献非常大，特别是当沥青用量较高时。通过综合分析，确定粗集料/ME为53/47、沥青用量为10.7%、矿粉用量为25%时，GMA的综合性能最优。在此基础上，提出了优化的方案，并进行性能验证。浇注式沥青混合料GMA配合比设计的影响因素错综复杂，且室内试验与现场状况存在差异，部分参数需根据现场实施情况作进一步的调整。