辉绿岩用于钢桥面铺装SMA适用性分析

2019-04-16欧阳男杨群程志强

中外公路 2019年4期

欧阳男，杨群，程志强

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550014； 2.同济大学道路与铁道工程教育部重点实验室)

毕都高速公路北盘江大桥钢桥面铺装工程采用沥青玛蹄脂碎石(SMA)作为铺装磨耗层。SMA因其优异的高温稳定性、低温抗裂性、耐久性及抗滑性而广泛应用于钢桥面铺装磨耗层。沥青混合料中集料占其比重的90%以上，因此集料的选择对沥青混合料的体积参数以及路用性能有非常重要的影响。而相比普通路面，钢桥面铺装层对所用的集料要求较高，需针对钢桥面铺装的特殊性，结合本地的具体工程应用经验，对钢桥面铺装用集料的物理力学性能进行重点考察。

钢桥面铺装对集料的特殊要求表现之一是要求粗集料受高温后仍保持抗荷载压碎的能力。钢桥面铺装的设计要求决定了粗集料在生产施工过程中需要在持续高温的条件下承受施工设备反复揉压的复杂力学作用。因此在高温条件下保持足够的抗压碎能力是评价钢桥面铺装用粗集料的重要技术指标。

另外，钢桥面铺装对SMA的体积设计要求宜趋严格。这是因为，为了确保钢桥面铺装与钢板之间的协调变形，确保铺装层沥青混合料的抗裂性能，在设计铺装层混合料时一般选用偏上限的油石比。因此可能提高SMA泛油的风险，为了降低这一风险，需要更加严格的体积设计控制标准。这就需要在集料选型时注意集料级配与其物理性质的匹配，从而确保目标配合比的体积参数更加合理。

根据贵州地区的路面工程应用经验，北盘江大桥设计文件采用玄武岩作为SMA粗集料，但由于辉绿岩材料离建设项目距离较近，本着原材料就地取材，节约工程费用的考虑，项目建设方特委托项目组开展钢桥面铺装工程应用辉绿岩集料的适用性分析与研究。

基于上述因素，该文选择罗甸辉绿岩料场集料与清镇产玄武岩集料，通过物相分析、原材料物理力学分析、混合料配合比设计与性能评价等技术措施对辉绿岩用于钢桥面铺装SMA进行适用性评价，以及对采用辉绿岩粗集料与玄武岩粗集料的两种SMA混合料性能进行对比，部分结论将为该地区与类似地区的钢桥面铺装原材料(集料)选型提供一定参考依据。

1 集料试验

钢桥面铺装表层受行车荷载与自然环境因素的长期共同作用，要求具有良好的结构性能，以及良好的长期抗滑性能。而集料的物理化学性质对铺装层抗变形、耐久性和抗滑性等使用性能有非常重要的影响。

首先采用辉绿岩与玄武岩进行坚固性、压碎值、磨耗值和磨光值等反映粗集料潜在抗滑耐磨耗性能的指标进行对比试验。结果如表1、2所示。

表1 两种集料的压碎值、磨耗值试验结果

表2 两种集料的磨光值试验结果

2 物相分析

由于特殊的施工与运营条件，用于钢桥面铺装的集料技术指标普遍高于其他工程。其中一个重要属性表现为集料在经高温加热后能够保证强度不明显下降的特性，在集料力学指标中可以采用高温压碎值表征。通过对进热料仓前后辉绿岩的冷、热料进行物相分析，可以对比集料受短时极端高温条件后的组成成分变化情况，有助于深入认识辉绿岩集料的耐高温性能。通过X射线粉末衍射试验(XRD)，对比冷、热料XRD谱的变化状态，可以找出辉绿岩中受热不稳定成分。

试验前，将辉绿岩集料研磨成细粉，筛取粒径小于325目细粉进行XRD试验。XRD试验采用连续扫描，扫描角度3°～90°，扫描速度2°/min～4°/min，步长0.02°。

图1、2为辉绿岩热料与冷料分别进行XRD试验及物相分析结果。由图可见：图谱在12°与28°左右发现明显峰值，其中28°的峰值属于钠长石的峰值之一，而12°左右的峰值可能为斜绿泥石及与铁蛇纹石峰值之一的叠加。此外，诸多局部谱图峰值也与斜绿泥石及铁蛇纹石的峰值较为吻合。因此初步分析表明，此次试验采用的辉绿岩样品主要含有钠长石、斜绿泥石以及铁蛇纹石。

通过对比进热料仓前后集料物相组成的变化可知，冷、热料的组成成分除在局部峰值略有改变外，基本峰值并未发生显著改变。这说明集料在加热前后，成分没有明显变化，说明辉绿岩集料受热后仍然较为稳定，没有其他物质的产生。

图1 辉绿岩(热料)XRD谱图

图2 辉绿岩(冷料)XRD谱图

3 集料物理力学特性分析

表3、4为辉绿岩细、粗集料试验测试结果。同时为了评价集料质量的稳定性，将其他采用同种辉绿岩集料作为粗集料的历史测试值进行对比。分析表明：采用辉绿岩集料质量稳定。同时为了评价其高温条件下的物理力学性能，测试了石料高温压碎值。高温压碎值是在200 ℃温度下，保温4 h后采用常规压碎值试验相同的方法试验。表3数据表明：辉绿岩粗集料具有良好的高温稳定性能，这与集料物相分析的结论相一致。

表3 辉绿岩细集料测试结果

表4 辉绿岩粗集料测试结果

注：历史测试值为该地区其他应用辉绿岩作为集料的工程中所提供的数据。

4 辉绿岩集料对SMA配比设计与性能的影响

4.1 原材料

(1) 沥青。SMA胶结料采用高弹改性沥青，主要技术指标见表5。

为了平衡不同主体间的利益，需要建立有效的利益协同和补偿机制，平衡了利益主体之间的利益诉求，在制度上给予激励以解决合作动力不足的问题[10]。为了鼓励企业积极参加到治理过程中，政府可以对部分企业提供补贴，提高工作人员的积极性，同时企业也能在此过程中树立公益形象，获得大众更多的消费倾向和政府的政策倾向，不断整合资源和增强主体意识。再者，如今“新零售”的出现通过线上与线下同款同价，消费场景碎片化，营造全链条的生态，实现跨渠道的融通，政府鼓励企业开展线下活动，消费者可以通过线上购物线下退换货等方式支持电商新的营销方式。

表5 高弹改性沥青主要技术指标检测结果

(2) 集料与矿粉。试验采用的集料主要为辉绿岩和石灰岩集料，不同粒径集料以及矿粉的密度测试结果见表6。

表6 集料和矿粉密度的测试结果

(3) 级配。在进行高弹改性沥青SMA-10混合料配合比设计时，马歇尔试件采用双面各击实75次的方法成型，试件尺寸高度误差的允许范围为(63.5±1.3) mm。SMA-10混合料配合比设计以5～10 mm辉绿岩、3～5 mm石灰岩、0～3 mm石灰岩作为控制组(SH)进行配合比设计；以3～5 mm辉绿岩、0～3 mm辉绿岩细集料取代控制组中的两档集料进行对照组(HL)的配合比设计，然后分析对比两种混合料的路用性能。作为对比的SMA-10混合料的合成级配曲线见图3。

4.2 控制组最佳油石比的确定

根据马歇尔试验结果，得到的毛体积密度、空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)以及稳定度(MS)与油石比的关系曲线，如图4所示。按油石比为5.8%确定的空隙率为3.6%，作为控制级配。

图3 SMA-10合成级配曲线

图4 控制组油石比与马歇尔试验各项技术指标的关系

4.3 辉绿岩细集料对SMA性能参数的影响

采用相同的合成级配，配制的对照组(全为辉绿岩)和控制组合成级配，取3.6%空隙率时的最佳油石比为6.5%。控制组与对照组混合料的性能验证结果如表7所示。

表7 SMA-10混合料性能验证结果

通过表7对比两组SMA-10的体积参数与性能指标做如下讨论：

(1) 采用辉绿岩代替石灰岩作为SMA细集料后，SMA的最佳油石比增加(约0.7%)，矿料间隙率增加(约1.95%)，沥青饱和度增加(约2.5%)。这可能是由于辉绿岩细集料总体相对于石灰岩吸水率较高(表6)，在沥青混合料拌和过程中吸收了更多的沥青，致使油石比增加。

(2)VMA是SMA设计中的重要指标之一，根据笔者工程经验，石灰岩粗集料+石灰岩细集料或辉绿岩粗集料+石灰岩细集料一般不容易达到VMA大于17%的要求，因此为了达到要求，工程上需要适当地降低VMA的下限至16.5%。而通过此次试验可知，全部采用辉绿岩粗、细集料的SMA-10不但可以满足17%的要求，还仍有富余。说明全部采用辉绿岩粗、细集料的SMA方案相比辉绿岩粗集料+石灰岩细集料的组合在体积参数方面亦是合理可行的。VMA大于17%的要求实际上是中国在学习引入SMA时直接引入的。在欧美等使用SMA的国家并无采用石灰岩作为细集料的工程习惯，因此该指标可以较为容易达到。而中国普遍习惯采用石灰岩作为细集料，粗集料则普遍采用比重较大的玄武岩或辉绿岩，因此在计算SMA的矿料间歇率时，不易达到VMA的要求。因此根据中国的实际工程用料情况，VMA指标宜做适当调整。

总的来说，采用辉绿岩粗、细集料的组合用于SMA是可行的。在选择集料组合方案应针对钢桥面具体的情况进行讨论。一方面，全辉绿岩集料SMA方案提高了沥青用量，并降低了高温性能，但同时对抗水损害、抗疲劳、抗变形能力方面具有显著提升，因此在设计时需要综合考虑各方面性能后作出选择。

根据毕都高速北盘江大桥钢桥面的情况，以及前期对于贵州地区钢桥面铺装使用状况的调研，发现SMA磨耗层的主要病害为3类：① 层间滑移；② 由于层间滑移开裂引发的沥青混合料水破坏；③ 车辙。同类型钢桥面铺装并无出现疲劳裂缝类病害。因此从混合料设计角度来看，建议在桥面SMA设计中以降低车辙风险为主。由于采用辉绿岩细集料会造成SMA的抗车辙性能一定程度下降，因此根据专家讨论与建议，最终采用辉绿岩粗集料+石灰岩细集料的方案。