浇注式沥青混合料GA和GMA性能对比研究 *

闫东波，林路宇，张俊波，刘 艳，杨庆国

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 厦门路桥工程投资发展有限公司，福建 厦门 361026；3. 重庆特铺路面工程技术有限公司，重庆 400026)

0 引 言

浇注式沥青混合料按生产工艺可分为Mastic Asphalt(MA)和Guss Asphalt(GA)两种类型。浇注式沥青混凝土铺装技术起源于欧洲，英国、法国等国主要应用MA技术，而以德国为代表的欧洲大部分国家主要应用GA技术。MA分两阶段拌和，先在沥青拌和楼拌和3 mm以下的细集料和矿粉形成沥青砂胶(mastic epure, ME)，然后将沥青砂胶转移至浇注式沥青混合料专用移动加热搅拌运输车(cooker)中，并分批次向cooker中添加粗集料进行搅拌生产，整个生产过程约需10～12 h。GA采用一次性拌和方式生产，按配和比例将粗、细集料、矿粉和沥青同时放入沥青拌合楼搅拌缸，生产过程约2 min，后续在cooker中搅拌30 min即可摊铺。这两者除了生产工艺不同之外，所采用的沥青结合料和矿质混合料级配也有所不同，MA通常采用天然沥青与基质沥青混合沥青，矿质混合料级配为间断级配；GA通常采用聚合物改性沥青，混合料级配为连续级配[1]。

我国钢桥面铺装已广泛采用浇注式沥青混凝土。最早的项目为我国香港青马大桥(1997年通车)和江苏江阴大桥(1999年通车)，均采用MA技术，但应用效果截然不同。青马大桥钢桥面铺装至今状况良好，而江阴大桥的MA使用情况较差，2003年翻修，2004年再次崩溃，病害原因主要为重载交通影响[2]。随后，我国大陆地区钢桥面铺装浇注式沥青混凝土普遍采用GA技术，而我国香港地区仍然习惯使用MA技术。

港珠澳大桥作为举世瞩目的世纪工程，工程人员对钢桥面铺装技术进行大量研究后认为，MA细集料控制更为严格，MA混合料性能更为稳定；而GA具有生产功效高的优势，继而提出guss mastic asphalt(GMA)技术，即按照MA配合比设计、采用GA方式拌和生产工艺加工浇注式沥青混合料[3-5]。

章登精[6]、王民等[7]分别对不同改性沥青的GA沥青混合料性能进行了研究；纪方利[8]、孟文专等[9]、王贤良等[10]、李伟治[11]分别对GMA沥青混合料的配合比和路用性能做了较多研究；朱定等[12]研究了GMA混合料标准化施工工艺控制技术；张肖宁等[13]采用加速加载试验对MA和GMA高温性能进行了对比分析；聂文等[14]研究了MA和GMA工艺对浇注式沥青混合料疲劳性能的影响；王芳等[15]从原材料、技术指标要求、拌和工艺等方面对MA、GA、GMA这3种浇注式混合料进行了差异化分析。

笔者基于JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》(以下简称《规范》)中GA技术性能要求以及T/CHTS 10018—2019《港珠澳大桥施工技术指南：第七分册：钢桥面铺装工程》(以下简称《指南》)中对GMA技术性能要求，选用相同的粗集料、细集料和矿粉，GA选用钢桥面铺装常用的高强度聚合物改性沥青，GMA参照港珠澳大桥选用湖沥青与基质沥青的混合沥青，分别对GA和GMA进行混合料配合比设计，并对两种不同类型浇注式沥青混合料的性能进行对比。

1 原材料与配合比

1.1 沥 青

GA所用的聚合物改性沥青，其性能检测结果如表1，能满足《规范》对GA改性沥青要求。GMA采用湖沥青与基质沥青的混合沥青，本研究中的湖沥青为特立尼达天然湖沥青(TLA)，基质沥青为70 # 道路石油沥青，检测结果如表2～表4，可见沥青性能满足《指南》对GMA沥青结合料技术要求。

表1 GA用聚合物改性沥青性能指标Table 1 Performance indexes of polymer modifiedasphalt for GA

表2 TLA的技术指标及检测结果Table 2 Technical indexes and test results of TLA

表3 70#道路石油沥青的技术指标及检测结果Table 3 Technical indexes and test results of 70# road asphalt

表4 GMA用混合沥青的技术指标及检测结果Table 4 Technical indexes and test results of mixed asphalt for GMA

1.2 集 料

粗、细集料为优质玄武岩，填料为石灰石矿粉。集料主要力学性能和密度试验结果如表5、表6，其性能指标满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》和《规范》要求。各规格集料筛分结果如表7。

表5 集料的主要力学性能试验结果Table 5 Test results of main mechanical properties of aggregate

表6 集料密度试验结果Table 6 Test results of stone aggregate density

表7 集料筛分结果Table 7 Aggregate screening results

1.3 配合比

GA配合比设计参照《规范》规定的设计方法，选用GA10级配，采用刘埃尔流动性、贯入度及贯入度增量作为控制指标，并以低温弯曲试验检验其低温抗裂能力。通过配合比调试及其性能试验验证，得到GA的最佳配合比：4.75～9.50 mm为28.5%、2.36～4.75 mm为22%、0.60～2.36 mm为12.5%、0.075～0.060 mm为12.5%、矿粉为24.5%、最佳油石比为7.5%。

GMA配合比设计参照《指南》，包括两个设计阶段。第1阶段：进行ME设计。ME可溶沥青含量控制在14%～17%，选取4～5个可溶沥青含量分别拌制ME，测试25 ℃的硬度值；根据可溶沥青含量与ME硬度值关系，选取最佳可溶沥青含量。第2阶段：进行GMA配合比设计，GMA中粗集料含量为45±10%(占混合料重量比例)，选取3组不同粗骨料比例，按照已确定的最佳可溶沥青含量，将粗集料、ME矿料和沥青结合料混合搅拌得到GMA，分别测试刘埃尔流动性、马歇尔稳定度、硬度值、冲击韧性、车辙动稳定度等，确定最佳配比：9.5～13.2 mm为45%、4.75～9.50 mm为39.2%、2.36～4.75 mm为1.4%、0.60～2.36 mm为9.5%、0.075～0.600 mm为26.4%、矿粉为19.0%、最佳油石比为12.8%。

2 性能研究

2.1 性能评价指标

GA评价指标有流动性(240 ℃)、贯入度及贯入度增量(50～60 ℃)和低温弯曲应变(-10 ℃)这3项，分别检验混合料的施工和易性、高温稳定性和低温抗裂性；GMA采用流动性试验(240 ℃)检验和易性，但评价高、低温性能的指标与GA不同，采用硬度试验(35 ℃)、马歇尔试验(60 ℃)和车辙试验评价高温稳定性，采用冲击韧性值(15 ℃)评价低温性能。GA和GMA除和易性指标一致外，高、低温性能的指标完全不同。为便于比较GA和GMA性能，分别按照各自最佳配合比拌制GA和GMA，成型试件，将GA和GMA的性能指标合并，并对GA和GMA做性能检测和比较分析。

2.2 性能试验

GA和GMA的性能试验见表8。

表8 GA和GMA性能试验Table 8 Performance testing of GA and GMA

2.2.1 刘埃尔流动性试验

刘埃尔流动性试验可判断浇注式沥青混合料的施工和易性。根据最佳配合比，按照相应的拌和工艺拌制混合料，检测和易性，结果见表8。可见这两种混合料的刘埃尔流动性基本一致，均满足要求。

2.2.2 贯入度试验

贯入度试验测定浇注式沥青混合料试件的贯入度和贯入度增量，用于判断浇注式沥青混合料的高温稳定性。本次试验温度按照夏炎热区取值，为60 ℃。GA和GMA的贯入度试验结果见表8。可见这两种混合料贯入度试验结果差别较大，GA贯入度和贯入度试验结果能满足《规范》要求，且有较多富余量；而GMA不满足《规范》要求，且偏离较多。GA的60 ℃贯入度性能明显优于GMA。

2.2.3 硬度试验

硬度值指标源于英国标准规范BS 1447—1988。英国工程界在MA混合料设计时，以对ME检测25 ℃的硬度值来控制ME性能。在港珠澳大桥建设时，工程人员通过对GMA检测35 ℃的硬度值，来评价GMA性能。

对GA和GMA进行35 ℃硬度试验，结果见表8。GA和GMA硬度值结果均能满足《指南》对浇注式沥青混合料硬度值要求，但GMA的35 ℃硬度值优于GA。

2.2.4 马歇尔试验

马歇尔试验是沥青混合料配合比设计的主要试验；GA和GMA的马歇尔试验(60 ℃)结果如表9。可见GA和GMA马歇尔稳定度试验结果均能满足《指南》对浇注式沥青混合料马歇尔稳定度的要求，但GMA的60 ℃马歇尔稳定度优于GA。

表9 GA和GMA马歇尔试验结果Table 9 Marshall test results of GA and GMA

2.2.5 车辙试验

车辙试验用于检验沥青混合料的高温抗车辙性能，GA和GMA的60 ℃车辙试验结果见表8。可见GA和GMA车辙试验结果均能满足《指南》对浇注式沥青混合料动稳定度的要求，但GA的60 ℃车辙动稳定度优于GMA。

2.2.6 低温弯曲试验

低温弯曲试验用于检验沥青混合料的低温抗裂性能。《规范》要求进行-10 ℃混合料弯曲试验，并对-10 ℃极限弯曲应变做了要求。GA和GMA的-10 ℃低温弯曲试验结果如表10。GA能满足《规范》对各区域项目的技术要求，且富余量较大；而GMA无法满足要求，且偏差较多。GA的-10 ℃极限弯曲应变明显优于GMA。

2.2.7 冲击韧性试验

冲击韧性是指材料在冲击荷载作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力[16]。在港珠澳大桥建设中，采用冲击韧性来评价浇注式沥青混合料的抵抗疲劳开裂性能。采用T0715—2011沥青混合料弯曲试验，试验温度为15 ℃。典型的荷载位移曲线如图1，阴影部分面积即为冲击韧性，代表沥青混合料抵抗冲击荷载能力。

表10 GA和GMA低温弯曲试验结果Table 10 Low temperature bending test results of GA and GMA

图1 冲击韧性曲线示意Fig. 1 Schematic diagram of impact toughness curve

对GA和GMA进行冲击韧性试验(15 ℃)，结果见表8。这两种混合料冲击韧性均能满足《指南》对浇注式沥青混合料冲击韧性要求。从数值上来看，GA冲击韧性结果显著优于GMA，是GMA的3倍以上，说明GA抵抗疲劳开裂的性能比GMA更好。

2.3 性能分析

整理GA和GMA的性能检测结果：GA既能满足《规范》要求也能满足《指南》要求；而GMA仅只能满足《指南》要求。浇注式沥青混合料GA和GMA的施工和易性均满足要求，但路用性能有较大差异。

2.3.1 高温稳定性

贯入度试验普遍用于评价浇注式沥青混合料的高温稳定性。浇注式沥青混合料车辙试验性能在《规范》中作为建议指标而不强制执行；硬度试验在MA配合比设计中用于控制ME的性能而不用于评价混合料性能；马歇尔试验是目前沥青混合料中最重要的一个试验方法，但是否适用于评定非碾压、趋于零空隙的浇注式沥青混合料的高温性能，尚缺乏理论依据和应用经验支撑。总之，采用聚合物改性沥青的GA高温稳定性明显优于采用天然沥青+基质沥青的GMA的，但GMA在35 ℃左右的中高温抗压稳定性要优于GA的。

2.3.2 抗裂性能

通常认为：低温抗裂性能和冲击韧性与疲劳性能有相关性。无论从-10 ℃极限弯曲应变还是15 ℃冲击韧性来看，采用聚合物改性沥青的GA明显优于采用天然沥青+基质沥青的GMA，说明采用聚合物改性沥青的GA低温抗裂性能和疲劳性能更好。

3 结 论

笔者通过对浇注式沥青混合料GA和GMA的系统试验分析发现，这两者路用性能有较大差异。其主要结论为：

1)采用聚合物改性沥青的GA高温稳定性、低温抗裂性、冲击韧性明显优于采用天然沥青+基质沥青的GMA。

2)设计单位在对桥面铺装项目采用浇注式沥青混凝土方案时，应结合项目具体使用条件提供设计参数，技术指标体系和技术性能选用都需慎重，特别要考虑交通荷载和气候环境条件。