轻质高强密水混合料在淮安大桥主桥桥面铺装中的应用研究

陈建勇 罗瑞林 徐肖龙 张 辉

(1.江苏宿淮盐高速公路管理有限公司 淮安 223001； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 211806)

桥梁是公路建设的重要组成部分，而水泥混凝土桥梁以高性价比的特点，在我国近代桥梁建设中占据了很大比重，随着既有桥梁使用时间的不断延长及桥面荷载的快速增长与累积，桥梁结构安全性与桥面铺装的耐久性都面临着严峻考验，如何减轻桥梁承重负担是需要重点关注的问题[1-3]。

国外应用于道路工程的轻集料，主要有轻集料沥青碎石封层和轻集料沥青混合料。总体上，轻集料沥青混合料的研究与推广应用相比碎石封层要少，在国外应用的实体工程也相对有限。国内有关轻集料应用道路桥梁工程的研究主要集中于轻集料水泥混凝土，关于轻集料沥青混凝土开展的研究和工程应用极为有限，在实际铺面工程的应用仍处于起步阶段，其工程应用价值没有受到应有的重视[4-6]。

本文依托淮安大桥主桥桥面铺装改造工程，采用轻质集料替代部分常用玄武岩集料，减小混合料重量，提高混合料模量，并形成相关施工工艺。通过对轻质高模量沥青混合料LHMAC-13(lightweight, high modulus asphalt concrete，LHMAC)在淮安大桥主桥桥面铺装改造工程中的应用研究，以期为轻质高模量沥青混合料的推广和应用提供参改。

1 工程概况

淮安大桥主桥是一座双塔双索面预应力混凝土全漂浮体系斜拉桥，原桥面铺装结构为4 cm玄武岩SMA-13+6.5cm石灰岩纤维AC-16，建成通车已有11年，由于淮安大桥箱梁自重大，桥面板凹凸不平，局部铺装超厚超重，且出现平整度衰减和车辙等病害，对桥梁安全和耐久性十分不利，需对淮安大桥主桥第一车道、应急车道进行铺装改造。本次主桥桥面铺装改造工程以降低铺装重量与提升铺装性能为目标，为了在维持原设计高程几乎不变的情况下提升铺装线形平顺性及铺装结构耐久性，采用8 cm下层轻质高强密水混合料+3 cm上层抗凝冰磨耗层，如图1所示。该结构相比现有铺装减重1.35×104kN，下层采用轻质高强密水沥青混合料，其密度为2.2 g/cm3，相比常规玄武岩沥青混合料，降低密度20%，减轻了铺装重量。另外，采用复合高模量剂，有效提高抗车辙性能，提高了路面的耐久性。

图1 第一车道、应急车道铺装结构方案

2 轻质高强密水混合料LHMAC-13配合比设计

2.1 原材料

本工程所用常规集料为玄武岩，规格为10～15，5～10，3～5，0～3 mm。轻质集料为碎石型页岩陶粒，规格为5～10，0～3 mm，轻质陶粒密度为1.6 g/cm3，远小于玄武岩的密度，仅为玄武岩密度的55%，且其吸水率低，与沥青黏附性好。沥青为70号道路石油沥青，复合高模量剂为江苏中路工程技术研究院自主研发的HM-1高模量改性剂。经检测，各项原材料均符合JTG F40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。

2.2 级配选择

为保证混合料的密水效果，一方面2.36 mm及以上筛孔集料通过的质量分数参考AC中值与上限部分；另一方面，考虑提高油石比，使混合料处于“富油”状态，避免轻质集料被压碎，提高0.075 mm筛孔集料通过的质量分数，参考法国高模量混合料设计方法，采用旋转压实法进行轻质高强密水混合料的级配设计。本工程采用的轻质高强密水混合料级配如表1所示。

表1 轻质高强密水混合料LHMAC-13级配

2.3 最佳油石比确定

按优选级配比例配料，所添加复合高模量剂的掺量为混合料质量的1.0%，压实温度为145 ℃。分别采用油石比4.7%，5.0%，5.3%进行马歇尔稳定度试验(试验条件为60 ℃)，试验结果见表2。

表2 LHMAC-13设计级配马歇尔稳定度试验结果

根据稳定度试验结果可知，油石比为5.0%时，稳定度达到最大值，因而选择5.0%为设计油石比。

LHMAC-13设计结果为矿料比例m(1号料)∶m(2号料)∶m(3号料)∶m(4号料)∶m(轻质陶粒)∶m(矿粉)=26.0∶5.0∶5.0∶20.0∶40.0∶4.0，油石比5.0%。LHMAC-13混合料体积指标及马歇尔试验结果见表3。结果显示，各项指标均符合设计要求。LHMAC-13混合料空隙率1.6%，保障了混合料的密水效果。稳定度达14.44 kN，流值为4.31 mm，表明其高温性能优异。

表3 LHMAC-13混合料体积指标及马歇尔试验结果

3 轻质高强密水混合料的路用性能研究

按JTG E20-2011规定，对成型马歇尔试件和车辙试件进行性能检测，为进一步评价轻质高强密水LHMAC-13混合料的性能特点，选择相同原材料下的SMA-13、轻质高强密水LHMAC-13混合料、常规高强密水HMAC-13混合料进行了对比试验。

1) 水稳定性能。通过冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验对轻质高强密水LHMAC-13混合料的水稳定性进行验证，并与常规的SBS改性SMA-13混合料、常规高强密水HMAC-13混合料进行对比。不同混合料的水稳定性试验结果见图2。

图2 不同混合料的水稳定性试验结果

由图2可见，所设计的LHMAC-13混合料残留稳定度MS0与HMAC-13，SMA-13几乎一样；劈裂强度比TSR仅比SMA-13沥青混合料低1.9%，HMAC-13几乎一样。由此可见轻质高强密水LHMAC-13水稳定性能较好，满足规范要求。

2) 高温稳定性能。根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定，在60 ℃，轮压为0.7 MPa的条件下进行车辙试验，评价不同混合料的抗车辙性能，试验结果见图3。

图3 不同混合料的车辙试验结果

由图3可见，LHMAC-13混合料的动稳定度达到9 500次/mm以上，相比HMAC-13仅减小了9.5%，相比SMA-13混合料提高54%，表明LHMAC-13混合料具有优异的抗车辙性能。

3) 低温抗裂性能。根据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定，采用低温小梁弯曲试验以检验不同沥青混合料的低温性能，试验结果见图4。

图4 不同混合料的低温小梁弯曲试验结果

由图4可见，所设计的LHMAC-13混合料的弯曲应变比SMA-13沥青混合料降低10%，比HMAC-13沥青混合料降低3.6%，但比技术要求值高出41.8%，可以认为LHMAC-13混合料的低温抗裂性能满足要求。

4 依托工程实施

4.1 施工工艺

1) 拌和。轻质陶粒独立采用一套干燥筒设备烘干后，直接与经“二次筛分”后的玄武岩、矿粉及胶结料进行拌和。

拌和时间由试拌确定，且所有集料颗粒全部裹覆沥青结合料，并以沥青混合料拌和均匀为度。先将复合高模量剂与集料进行干拌，推荐干拌时间15 s，然后加入70号基质沥青进行拌和，拌和时间约40 s。

2) 摊铺。在摊铺LHMAC-13之前，必须对桥面板抛丸处理后撒布水性环氧防水黏结层。水性环氧沥青粘结强度高，施工便利，可以在常温下进行，并且不用加碎石。待水性环氧防水黏结层粘结强度达到0.7 MPa(40 ℃)以上方可进行摊铺。

3) 碾压。沥青混合料压实是保证沥青面层质量的重要环节，为保证压实度和平整度，初压应在混合料不产生推移、开裂等情况下尽量在摊铺后较高温度下进行。尽可能避免采用钢轮振动碾压方式，主要采用2台钢轮+3台胶轮揉搓方式控制铺装层压实度，提高桥面铺装层密实度。轻质强密水混合料压实工艺按表4选用。

表4 建议施工碾压方案

4.2 质量检测

淮安大桥主桥轻质高强密水混合料铺装路面施工完成后，为评价LHMAC-13的铺筑效果，进行了现场平整度检测、渗水系数检测、取芯压实度检测，检测结果见表5。

表5 轻质高强密水混合料施工质量检测

由表5可见，平整度均值为0.5 mm，铺装层平整度良好；渗水系数均不超过50 mL/min，轻质高强混合料LHMAC-13密水效果良好；桥面具有较高的压实度,马氏压实度达到99.3%。轻质高强密水混合料LHMAC-13路面施工质量各检测指标均满足规范要求。

5 结论

1) 轻质高强密水混合料所用轻质陶粒密度仅为玄武岩密度的55%，轻质高强混合料密度相比常规玄武岩沥青混合料，降低20%，能有效减小铺装层质量，减小桥梁承重压力。

2) LHMAC-13混合料配合比设计中，最佳油石比为5.0%，空隙率1.6%，稳定度达14.44 kN，混合料密水效果和高温性能良好。

3) LHMAC-13混合料高温抗车辙性能与HMAC-13相当，远优于SMA-13，动稳定度提高了54%；水稳定性与SMA-13，HMAC-13相当，低温抗裂性略低于SMA-13，HMAC-13，但仍满足规范要求。

4) LHMAC-13混合料通过采用独立加热筒加热轻质陶粒，保证了混合料的拌和温度，采用2台钢轮+3台胶轮揉搓方式控制铺装层压实度，提高桥面铺装层密实度。

5) 现场实施检测结果表明LHMAC-13混合料压实度为99.3%，碾压压实效果良好，密实不渗水，平整度良好。

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