《武汉工程大学学报》 2019年04期
371-374
出版日期：2019-09-27
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
GMA浇筑式沥青混合料的制备及性能
浇筑式沥青混合料广泛应用于钢桥面铺装领域，在发展过程中形成了以德国、日本为代表的GA（guss asphalt）和以英国为代表的MA（mastic asphalt）两种类型：MA是采用先拌合沥青、细集料及矿粉形成沥青胶砂（ME），再掺加单粒径粗集料拌合成品混合料的两阶段拌合工艺，施工效率较低、工期较长，属于间断级配，并在香港及深圳地区得到成功应用，且铺装材料路用性能表现较好［1-4］；而GA属于连续密级配，是采用将各种材料直接在拌合站拌合的一阶段拌合工艺，可连续施工，效率较MA高，国内应用较多，但部分应用GA的铺装工程在使用过程中的高温性能并不理想［5-9］。近年来，华南理工大学联合其他研究机构在兼顾性能和效率的前提下，提出了一种适合于钢桥面铺装的浇筑式沥青混合料——GMA（guss mastic asphalt），即按照MA方式备料及配合比设计、采用GA拌和方式进行生产的浇筑式沥青混合料［10］，随着在港珠澳大桥钢桥面铺装工程的大规模应用，GMA混合料已成为钢桥面铺装领域的研究热点之一。本研究依托港珠澳大桥铺装工程，通过一系列室内试验研究了GMA沥青胶结料组成及拌和时间对混合料性能的影响。1 实验部分1.1 原 料基质沥青（壳牌，A级70#，广州新粤沥青有限公司）；湖沥青采用特立尼达天然湖沥青（Trinidad lake asphalt，TLA）。基质沥青和TLA的性能检测结果分别见表1和表2。表1 A-70#基质沥青性能检测结果Tab. 1 Testing results of properties of A-70# asphalt[试验项目\&检测结果\&试验方法\&针入度（25 ℃，100 g，5 s） / （0.1 mm）\&65\&T0604-2011\&针入度指数PI\&-0.812\&T0604-2011\&软化点tR＆B / ℃\&48.0\&T0606-2011\&延度（15 ℃，5 cm/min） / cm\&＞100\&T0605-2011\&溶解度（三氯乙烯） / %\&99.96\&T0607-2011\&闪点 / ℃\&328\&T0611-2011\&动力黏度（60 ℃） / （Pa·s）\&189.9\&T0620-2011\&旋转薄膜加热残留物（163 ℃，85 min）\&质量变化 / %\&0.05\&T0609-2011\&25 ℃针入度比 / %\&61.5\&T0604-2011\&10 ℃延度 / cm\&7.2\&T0605-2011\&]表2 TLA性能检测结果Tab. 2 Testing results of properties of TLA[试验项目\&检测结果\&试验方法\&针入度（25 ℃，100 g，5 s） / （0.1 mm）\&2\&T0604-2011\&软化点tR＆B / ℃\&93.0\&T0606-2011\&灰分 / %\&36.34\&T0614-2011\&密度（25 ℃） / （g/cm3）\&1.404\&T0603-2011\&]粗集料材质为玄武岩，规格为5~10 mm；细集料采用石灰岩破碎而成，分为A（2.36~0.6 mm）、B（0.6~0.212 mm）、C（0.212~0.075 mm）3个规格；粗集料、细集料均为江苏茅迪集团方山集料加工厂生产，产地为江苏句容；填料采用石灰岩矿粉（广东省惠州市博罗县雄茂建材厂）。1.2 混合料的制备本研究依据《道路、建筑人行道和铺装的沥青玛蹄脂标准规范》（BS 1447：1988）［11］，综合考虑中国《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》和《港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标施工图设计》（简称“施工图设计”）的相关要求进行GMA混合料的配比设计，所用GMA混合料中各组分的质量分数分别为：粗集料含量48%，沥青胶砂含量52%（细集料A含量7.4%，细集料B含量9.8%，细集料C含量3.3%，矿粉含量20.4%，复合沥青用量11.1%）。GMA混合料用沥青结合料采用A-70#基质沥青和TLA配制而成的复合沥青，该复合沥青中TLA的质量分数分别为60%，65%，70%，75%，80%。配制方法为：将TLA加热至180 ℃，A-70基质沥青加热至140 ℃，按照比例和用量在165 ℃下搅拌3~5 min。GMA混合料制备过程：将复合沥青加热至165 ℃，粗集料、细集料（A、B、C共3档料）、矿粉加热至220 ℃，按照试验所需的质量加入小库克搅拌机，拌和温度设定为220 ℃，搅拌频率为25 Hz，拌合0.5 h；搅拌频率调至7 Hz，再拌合1~4 h。将拌合好的GMA混合料测试流动性，并分别成型硬度［12］试件、车辙试件、冲击韧性（即疲劳性能）试件［13-15］（由车辙试件切制成250 mm×30 mm×35 mm获得）。1.3 测试方法按照施工图设计提出的方法进行复合沥青及GMA混合料的性能测试，具体测试方法见表3。表3 性能测试方法Tab. 3 Testing methods of properties[测试项目\&试验方法\&针入度（25 ℃，100 g，5 s）\&T0604-2011\&软化点tR＆B\&T0606-2011\&流动度\&《公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南》附录F\&35 ℃硬度\&BS 5284：1993[12]\&60 ℃动稳定度\&T0719-2011\&15 ℃冲击韧性\&T0715-2011\&]2 结果与讨论2.1 TLA掺量对复合沥青及GMA性能的影响按照1.2节的组成配比及方法配制复合沥青及GMA混合料，复合沥青中TLA的质量分数分别为60%，65%，70%，75%，80%，制备好的复合沥青按照表3的方法进行针入度和软化点的测试；混合料拌和好后（拌和时间为2 h），按照表3的方法进行测试，测试结果如图1（a）和图1（b）所示。如图1（a）所示，随着TLA质量分数的增加，针入度先快速减小，软化点先快速增大，质量分数超过70%后，针入度缓慢降低，软化点缓慢增大；因TLA本身沥青质量含量较高，加入后复合沥青的胶体结构由溶剂型结构或溶胶型结构向凝胶型结构转变，整体的分子结构稳定性和热稳定性得到快速提高［16］，添加至一定量后，胶体结构趋于稳定，整体的温度敏感性变化较小，故针入度、软化点变化较小。如图1（b）所示，随着TLA质量分数的增加，流动性逐步变差，后趋于稳定，硬度值先快速减小，TLA质量分数超过70%后硬度值缓慢降低，这与复合沥青胶体结构的变化趋势一致，复合沥青在向凝胶型结构转变的过程中，复合沥青的黏结性变大［16-17］，具有更高的黏结力和热稳定性，混合料颗粒间黏聚力变大，抗变形能力强，硬度值小，导致混合料的流动性变差。基于施工图设计中铺装材料的技术要求及成本考虑，TLA的质量分数最佳为70%。2.2 混合料的拌和时间对GMA性能的影响按照1.2的组成配比及方法配制GMA混合料，设置不同的拌和时间（1.5，2，2.5，3，3.5，4 h），达到设置的拌和时间后，取样测试流动性，并分别成型硬度试件、车辙试件、冲击韧性试件，再按照表3的方法进行测试，测试结果如图2（a）和图2（b）所示。由图2（a）可看出，随着拌和时间的延长，GMA的流动性先略变好后快速变差，这表明拌和时间延长至2.5 h过程中，混合料中沥青微粒与矿料逐步均匀分布，达到自由流淌状态，同时沥青胶结料也达到一定程度的老化且其塑性、流动性变化不大［18］；拌和2.5 h后，沥青胶结料老化程度加剧，老化起主导作用，塑性快速变差，流动性差。在硬度方面，随着拌和时间的延长，硬度值先快速减小后趋于稳定，这是因为混合料中沥青胶结料达到一定程度的老化后，沥青胶结料温度敏感性降低，且沥青微粒与矿料逐步均匀分布，颗粒间黏聚力增大，抗变形能力强，硬度值小；拌和时间大于3 h后，沥青胶结料老化程度加剧，混合料颗粒间黏聚力变化较小，抗变形能力基本不变，故硬度值趋于稳定。在搅拌时间不超过4 h时，混合料的流动性、硬度均符合施工图设计的要求。由图2（b）可看出，随着拌和时间的延长，GMA的高温稳定性持续增加，冲击韧性持续降低。其原因是：随着拌和时间的延长，沥青胶结料持续老化，温度敏感性降低，混合料颗粒黏结更紧密，动稳定度较高，高温性能得到改善，混合料逐步呈现出“脆性”的特点，这就导致混合料的冲击韧性值持续减小，即抗疲劳性能降低。搅拌时间不超过4 h时，混合料的高温性能符合施工图设计的要求；但拌和时间超过3.5 h后，冲击韧性＜400 N·mm，不符合施工图设计的要求，从抗疲劳性能方面考虑，拌和时间建议不超过3.5 h；因此，持续搅拌起到了让GMA中沥青胶结料适度老化的作用，有利于提高混合料的高温性能［9，18］，但会降低材料的冲击韧性即抗疲劳性能，综合考虑高温稳定性及抗疲劳性能，最佳的拌和时间为1.5~3.5 h。3 结 语1）GMA胶结料中掺入TLA，有利于胶结料的胶体结构向凝胶型结构转变，可明显降低沥青胶结料的温度敏感性，提高混合料颗粒间的黏聚力及抗变形能力，使硬度值小，但会导致混合料的流动性变差；基于铺装材料的技术要求及成本考虑，TLA的质量分数推荐值为70%。2）GMA混合料的拌和时间在1.5~4 h内，持续搅拌使GMA中沥青胶结料适度老化，随着拌和时间的延长，GMA混合料的流动性变差，硬度变好，高温性能变好，冲击韧性（抗疲劳性能）变差；综合考虑高温稳定性及抗疲劳性能，GMA的拌和时间推荐值为1.5~3.5 h。