莫桑比克马普托大桥钢桥面铺装用地材匹配性研究

付 斌，尚 飞

（重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆市 401336）

0 引 言

莫桑比克马普托（Maputo）大桥及接线工程，主线起点K1+566~K114+998.245，全长113.429km，为莫桑比克首都马普托市向南去往南非与莫桑比克南部Casacommercial边界口岸的干线公路。

马普托大桥桥面铺装施工项目属于境外施工，原则上原材料应尽可能使用当地地材，但是对于钢桥面铺装工程，相比于传统路面铺装对于原材料的要求更为苛刻[1]。由于境外材料的规格以及性能指标均与国内不同，故本文通过两者对比来确定当地地材对于桥面铺装的匹配性，从而为铺装工程原材料的供应提供指导。

1 集料匹配性研究

1.1 集料岩性鉴定

取5~10mm马普托地材集料若干，切片制样后在NIKONLV100POL型偏反光显微镜下进行岩性鉴定，鉴定结果见图1。由图1可分析集料样品的结构构造、结构组分、集料酸碱性等。

1.1.1 结构构造

集料主要由自形-半自形板状斜长石颗粒组成，间隙分布有辉石等细小颗粒或隐晶质-玻璃质等，构成间粒间隐结构（见图1（a）），少量呈斑状结构（见图1（b））的块状构造，局部见杏仁状构造。

图1 集料切块后在NIKONLV100POL型偏反光显微镜下的形貌

1.1.2 结构组分

集料结构组分主要有斜长石（48%）、辉石（12%）和玻璃质（18%）等，含绿帘石（少量）、方解石（8%）、绿泥石（3%）、石英（少量）和绢云母（少量）；副矿物由金属矿物磁铁矿（8%）、赤铁矿（微量）和黄铁矿（少量）等组成。

斜长石（Pl）：约48%，呈自形-半自形板状结构，发育聚片双晶（见图1（a）、图1（b）），偶见生长环带；斜长石板状晶体略具定向排列特征，呈交织结构，晶体格架中分布有细粒辉石及玻璃质等，构成间粒间隐结构；部分斜长石呈斑晶，局部被方解石、绿泥石、绢云母和绿帘石等交代（见图1（b）），局部方解石交代强烈，呈残余结构，粒径为0.01~0.40mm。

辉石（Px）：约12%，呈半自形粒柱状结构（见图1（c）），部分可见近六边形或板状晶体截面，可见解理，部分可见加大边结构特征，分布于板状斜长石格架中（见图1（a）），颗粒间被玻璃质充填，局部被绿泥石及方解石等交代，粒径为0.01~0.25mm。

玻璃质：约18%，隐晶质，浅褐黄色（见图1（a）），沿板状斜长石及辉石等颗粒间充填，正交镜下全消光。

绿帘石（Ep）：少量，呈不规则粒状，交代辉石和斜长石等，粒径为0.01~0.20mm。

绿泥石（Chl）：约3%，鳞片状，浅绿色-褐绿色，交代斜长石和辉石等，局部沿气孔边缘分布，粒径为0.01~0.05mm。

绢云母（Ser）：少量，鳞片状，交代斜长石等，粒径小于0.10mm。

方解石（Cal）：约8%，呈不规则粒状结构，交代斜长石和辉石等，局部沿岩石裂隙充填，呈脉状分布，或沿岩石气孔充填，呈胶环状集合体与放射状石英等构成杏仁体，部分可见发育解理，高级白干涉色（见图1（c）），粒径为0.01~0.30mm。

石英（Qtz）：少量，不规则粒状，多沿岩石气孔充填（见图1（c）），集合体呈放射状，波状消光，与方解石等共生，粒径小于0.10mm。

磁铁矿（Mt）：约8%，呈自形-半自形粒状，可见其菱形十二面体晶体截面特征，沿裂隙及边缘被黄铁矿及赤铁矿等交代（见图1（d）、图1（e）），呈细脉状或尖角状结构等，磁铁矿等零散分布于斜长石和辉石等颗粒间，粒径为0.002~0.250mm。

赤铁矿（Hem）：微量，呈不规则粒状，交代磁铁矿（见图1（f）），粒径为0.002~0.020mm。

黄铁矿（Py）：少量，呈不规则粒状零散分布于斜长石和辉石等颗粒间，部分集合体呈细脉状，偶见立方体晶体截面（见图1（e）），多沿磁铁矿边缘及裂隙交代，粒径为0.002~0.100mm。

集料鉴定名称：（杏仁状）含铁质辉石玄武岩。

1.1.3 集料酸碱性

在道路铺筑中所用的集料可分为酸性集料和碱性集料，但实际情况复杂，集料一般均同时存在酸性和碱性成分，只是含量多少而已。一般以SiO2含量判断集料的酸碱性：SiO2含量＞65%为酸性，52%＜SiO2含量＜65%为中性，SiO2含量＜52%为碱性[2]。

参照《水泥化学分析方法》（GB/T176—2008）测定马普托地材集料的酸碱性，得到其中的SiO2含量为42.67%，故该集料属于碱性集料。

1.2 集料基本性能

1.2.1 集料规格

马普托地材集料共计3种规格：5~10mm、3~5mm和0~3mm，根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004），这3种规格分别对应沥青混合料S12、S14和S16这3档集料。马普托地材集料的筛分通过率结果和集料规格要求见表1、表2。

由表1、表2中的筛分通过率可以看出，马普托地材3档集料的筛分结果均符合《公路沥青路面施工技术规范》中对集料规格的要求，通过合理掺配可以对其进行配合比设计。

表1 马普托地材集料筛分结果

表2 沥青混合料用集料规格

1.2.2 集料性能试验

针对马普托地材集料，分别进行集料密度、压碎值、针片状含量和黏附性等级等试验，试验结果见表3、表4。

表4 马普托细集料（0~2.36mm）性能试验结果

由表3、表4可知：马普托集料的性能均能够较好地满足《公路沥青路面施工技术规范》基本要求，匹配性良好。

表3 马普托粗集料（2.36~9.5mm）性能试验结果

2 矿粉匹配性研究

2.1 矿粉岩性鉴定

对马普托地材矿粉进行岩性鉴定。由于矿粉为粉末状试样，故无法进行结构构造鉴定。在NIKON LV100POL型偏反光显微镜下对粉末状矿粉试样进行观察，结果见图2。

图2 矿粉试样光薄片在NIKONLV100POL型偏反光显微镜下的形貌

2.1.1 结构组分

样品经由环氧树脂搅拌，凝固后加工成光薄片，在NIKONLV100POL型偏反光显微镜下进行观察，发现其组分主要为斜长石（60%）、辉石（22%）、角闪石（4%）和玻璃质（3%）等，含绿帘石（少量）、方解石（3%）、绿泥石（少量）和绢云母（微量），金属矿物有磁铁矿（5%）、赤铁矿（约2%）、黄铁矿（少量）和褐铁矿（微量）等。

斜长石（Pl）：约60%，呈不规则粒状，部分见板状晶体截面特征，偶见解理及聚片双晶，一级灰白干涉色，偶见辉石细小颗粒和玻璃质分布于斜长石格架中（见图2（a）），局部被方解石、绿泥石、绢云母和绿帘石等交代（见图2（b）），粒径为0.01~0.20mm。

辉石（Px）：约22%，呈不规则粒状，部分可见解理，偶见分布于板状斜长石格架中，并且颗粒间被玻璃质充填（见图2（a）），局部被绿泥石及方解石等交代，粒径为0.002~0.100mm。

角闪石（Hbl）：约4%，呈不规则粒状，绿色-深绿色，显多色性，可见解理，多单晶体分布，粒径为0.002~0.100mm。

玻璃质：约3%，隐晶质，浅褐黄色（见图2（a）），沿板状斜长石和辉石等颗粒间充填，正交镜下全消光。由于玻璃质与环氧树脂胶在透射光下均为无色，且具全消光特征，因此粉末试样中不好区分，含量估计偏少。

绿帘石（Ep）：少量，呈不规则粒状，交代斜长石等（见图2（b）），粒径为0.01~0.10mm。

绿泥石（Chl）：少量，鳞片状，浅绿色，交代角闪石和辉石等，粒径小于0.05mm。

绢云母（Ser）：微量，鳞片状，交代斜长石等，粒径小于0.05mm。

方解石（Cal）：约3%，呈不规则粒状，交代斜长石和辉石等，高级白干涉色（见图2（a）），粒径为0.002~0.100mm。

磁铁矿（Mt）：约5%，呈不规则粒状，沿裂隙及边缘被黄铁矿和赤铁矿等交代（见图2（c）、图2（d）），呈细脉状或尖角状结构等，粒径为0.002~0.100mm。

赤铁矿（Hem）：约2%，呈不规则粒状（见图2（e）），交代磁铁矿，粒径为0.002~0.100mm。

黄铁矿（Py）：少量，呈不规则粒状，可见沿磁铁矿边缘及裂隙交代，粒径为0.002~0.050mm。

褐铁矿（Lm）：微量，呈不规则粒状或胶状（见图2（f）），分布于透明矿物中，褐红色内反射色，粒径小于0.05mm。

矿粉鉴定名称：由于粉末状试样无法观察结构特征，故无法对矿粉进行名称定性。

2.1.2 矿粉酸碱性

参照《水泥化学分析方法》（GB/T176—2008）测定马普托地材矿粉的酸碱性，得到其中的SiO2含量为51.40%。由此可知，该矿粉属于碱性但偏中性，可以用于铺装工程。

2.2 矿粉基本性能

针对马普托地材矿粉，分别进行外观观察、矿粉密度试验和筛分试验等，试验结果见表5。

表5 马普托地材矿粉性能试验结果

由表5可知，马普托地材矿粉的性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》基本要求，匹配性良好。

3 沥青混合料配合比设计及性能验证

3.1 浇注式沥青混合料配合比设计及性能验证

3.1.1 配合比设计

进行浇注式沥青混合料配合比设计时，所使用的集料与矿粉均为马普托地材原料。针对地材矿粉过细这一因素，参照交通部已经发行的《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》（JTG/T3364-02—2019）中的级配范围进行配合比设计。

浇注式聚合物改性沥青混合料GA10的优化级配及范围见表6。

表6 浇注式聚合物改性沥青混合料GA10的优化级配及范围

根据优化配合比，结合经验选取相差0.5%的3种油石比7.3%、7.8%和8.3%作为备选油石比，进行混合料的刘埃尔流动性及贯入度试验。3种油石比对应的浇注式聚合物改性沥青混合料流动性与贯入度试验结果见表7。

表7 不同油石比下浇注式聚合物改性沥青混合料性能

由表7可知，在矿粉过细优化级配下，最佳油石比位于相对合理的范围内。3种油石比对于浇注式聚合物改性沥青混合料的性能影响明显：7.3%的油石比对应的混合料偏“硬”，流动性超过了1min，将会对现场施工造成较大影响；8.3%的油石比对应的混合料过“软”，相应的流动性优异，但是贯入度过大，将影响混合料的高温稳定性；7.8%的油石比对应的混合料性能均符合相关性能的影响，并且成本也可接受。

在允许范围内，沥青混合料的优化级配应尽量减少矿粉用量，以保证在矿粉过细的情况下混合料中仍然具有足够的有效油膜厚度，从而使得正常油石比范围中的混合料流动性能得到保证。

3.1.2 性能验证

除了油石比优选时已经得到验证的流动性和贯入度指标，本文还对浇注式聚合物改性沥青混合料GA10的低温弯曲性能和疲劳性能进行了验证。-10℃下GA10的低温弯曲试验结果和四点弯曲疲劳性能试验结果见表8、表9。

表8 GA10在-10℃下的低温弯曲试验结果

表9 GA10的四点弯曲疲劳性能试验结果

由表8、表9可知，设计得到的聚合物改性沥青混合料GA10的低温性能和四点弯曲疲劳性能均十分优异，能够达到规范要求。

3.2高弹性改性沥青混合料SMA配合比设计及性能验证

3.2.1 配合比设计

根据级配设计理论和矿料筛分结果，确定的SMA10级配组成见表10。

表10 SMA10合成级配表

按照马歇尔试验结果，确定高弹性改性沥青混合料SMA10的最佳油石比为6.3%（掺加0.2%聚酯纤维）；在最佳油石比下，SMA10的体积指标及性能测试结果见表11。由表11可知，在确定的最佳油石比基础上，设计混合料的空隙率、矿料间隙率、干粗骨料骨架空隙率等体积指标都可以满足现行规范的基本要求。

表11 SMA10在最佳油石比下的体积指标及性能测试结果

3.2.2 性能验证

3.2.2.1 抗水损害性能

由于马普托地材矿粉的岩性偏中性，使得填料与沥青结合料的黏附不良，在水的作用下，易产生失黏和剥落破坏，从而影响沥青-集料的整体性，进而影响沥青混合料的抗水损性能。这对于濒海多雨的马普托大桥来说存在较大的风险，所以拟采用适当降低空隙率的方法（控制混合料的空隙率接近3%）来提高混合料的抗水损能力[3-5]。

表12为改善前后的SMA10抗水损害性能。

由表12可知，降低空隙率能够明显提升SMA混合料的抗水损害性能，改善后其冻融劈裂残留强度比为87.8%，高于规范要求的85%。

表12 改善前后SMA10的抗水损害性能

3.2.2.2 高温抗车辙性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052—2000）中T0719的试验方法测试了60℃和70℃重载时SMA10车辙的动稳定度，结果见表13。由表13可以看出，高弹性改性沥青混合料的高温抗车辙性能符合规范技术要求。

表13 SMA10高温抗车辙试验结果

3.2.2.3 低温弯曲性能

沥青混合料的低温极限变形能力可通过低温大梁弯曲试验测试。SMA10低温大梁弯曲试验结果见表14。可以看出，高弹性改性沥青混合料SMA10的-10℃低温大梁弯曲应变值大于7000μm/m，满足本项目研究提出的要求[6]。

表14 SMA10低温大梁弯曲试验结果

3.2.2.4 四点弯曲疲劳性能

对高弹性改性沥青混合料SMA10进行2种微应变情况下的疲劳研究，得到2种微应变下的疲劳性能，结果见表15。由表15可知，SMA10在2种微应变情况下的疲劳性能均十分优异。

表15 SMA10的疲劳试验结果

4 结语

（1）经过鉴定，马普托集料地材为(杏仁状)含铁质辉石玄武岩，属于碱性集料，各项性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》中对沥青路用混合料集料的相关要求。

（2）马普托地材矿粉岩性为碱性岩性，各项技术性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》对路用混合料集料的相关要求，但其中矿粉0.075mm筛孔通过率偏高，总体符合使用要求。

（3）针对马普托大桥地材进行了浇注式聚合物改性沥青混合料GA10和高弹性改性沥青混合料SMA10的配合比设计，并通过各项路用性能指标进行验证，发现根据马普托地材设计得到的两种混合料配合比能够符合马普托大桥桥面铺装的使用要求。