摘要: 上海城市建設(shè)大發(fā)展, 給路用瀝青混凝土新材料和施工新技術(shù)帶來了發(fā)展和應(yīng)用的平臺。介紹了上海近年來幾項重大工程, 如國際F- 1 賽車場、東海大橋、盧浦大橋工程中瀝青混凝土新材料的應(yīng)用情況。從中總結(jié)分析了瀝青混凝土新材料構(gòu)造特性和發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞: 路用瀝青混凝土; 瀝青瑪蹄脂碎石; 瀝青混合料
中圖分類號: U414.18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004- 4655( 2006) 06- 0004- 02
1 上海市重大工程瀝青混凝土新材料的應(yīng)用
1.1 F- 1 賽道磨耗層瀝青混合料
上海國際賽車場是亞洲第三個F- 1 賽車比賽專業(yè)場地。由于比賽時車速高、離心力大，賽車加速和減速十分頻繁，因此，對賽道磨耗層瀝青混合料的性能要求很高。
1) 粗集料。F- 1 賽道最高時速可達(dá)350 km/h, 轉(zhuǎn)彎時速也達(dá)到90 km /h，其瞬時加、減速頻繁，對賽道磨耗層的抗滑要求很高。粗集料的磨光值要大于60 BPN ，耐磨性能更優(yōu)異。為使賽道能保持良好的抗滑性能，除了采用高磨光值的花崗閃長巖作為主集料外，同時還應(yīng)摻入部分磨光值不同的其他粗集料。另外，在集料選擇時要求含有一定量的淺色石料，因此主集料選擇較淺的集料。通過比選，賽道磨耗層粗集料采用山西花崗閃長巖、山東輝綠巖和南京淺色破碎礫石3 種石料。
2) 細(xì)集料。細(xì)集料的棱角性要大于45%。經(jīng)對花崗閃長巖和輝綠巖機制砂以及高等級瀝青路面常用的石灰?guī)r石屑進(jìn)行檢測分析，三者的棱角性分別為50!、46! 和41% ，最終選用棱角性最大、磨光值最高的花崗閃長巖機制砂作為賽道磨耗層細(xì)集料。
3) 填料。瀝青混合料填料采用堿性的磨細(xì)石灰石粉，除了對它的級配、含水量、視密度、親水系數(shù)、外觀質(zhì)量等有較高的要求外，對填料的體積特征也提出了相應(yīng)的要求。填料R igden 空隙率小于45% ，實測的磨細(xì)石灰石礦粉R igden 值為38.7% 。
4) 外摻劑。F- 1 賽道磨耗層所選擇的粗集料均為酸性或中性石料，與瀝青的粘附性較差。為提高集料表面的瀝青膜厚，增強混合料的抗水損害能力，該工程在瀝青混合料中添加了消石灰作為抗剝落劑。消石灰摻入量為混合料總量的1.5!" 2.0!。
5) 混合料組成及主要性能。F- 1 賽道磨耗層瀝青混凝土采用密級配型瀝青混合料。與傳統(tǒng)的密級配型瀝青混合料相比，其級配范圍更小，對混合料拌和生產(chǎn)的要求更高。這種連續(xù)級配得到的混合料中各種粒徑的集料形成多級嵌擠結(jié)構(gòu)，能提供較高的內(nèi)摩擦角，而適量的細(xì)集料則使混合料中的瀝青砂膠能均勻地填充于各級粗集料中間，保證混合料具有較好的黏聚力。
F- 1 賽道磨耗層瀝青混合料的耐磨耗性能通過肯塔堡飛散試驗確定。F-1 賽道由該試驗得到磨耗層瀝青混合料的磨耗損失率為3.9 % ，遠(yuǎn)低于高速公路瀝青瑪蹄脂碎石（ SM A ）路面瀝青混合料的規(guī)定值（ 20! " 25! ），從而保證賽道磨耗層在車輪高速摩擦和沖擊作用下不致發(fā)生集料飛散脫落現(xiàn)象。
1.2 東海大橋橋面瀝青混合料
東海大橋橋面瀝青混凝土鋪裝層不僅要經(jīng)受大型集裝箱卡車行車荷載和復(fù)雜多變的海洋性氣候作用，同時對主梁要起到保護的作用。它的質(zhì)量和路用性能將直接影響橋梁的使用壽命。因此，東海大橋橋面鋪裝材料既要有良好的結(jié)構(gòu)強度、抗疲勞性能、耐久性以及良好的防滑性能，也要阻擋海水和潮氣對主體結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕。
根據(jù)橋梁對鋪裝層結(jié)構(gòu)恒載的要求以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到百年使用壽命的要求，東海大橋橋面采用雙層式鋪裝結(jié)構(gòu)，底層為3 cm 厚澆注式瀝青混凝土防水粘結(jié)層，空隙率為0，能很好地保護基底的水泥混凝土橋面板，上層為5 cm 高性能SM A 瀝青磨耗層，高溫抗車轍性能良好，表面粗糙，抗滑性能佳。
1) 原材料。為保證SMA 瀝青混合料具有高的結(jié)構(gòu)強度和防滑性能來抵抗集裝箱卡車的沖擊、摩擦和磨耗作用，粗集料必須具有足夠的強度和硬度，并且耐磨耗、棱角性良好。通過比選，選擇南京產(chǎn)的玄武巖作為SM A 的粗集料。在SM A 中，礦粉的用量比普通瀝青混凝土要多一倍左右，礦粉的親水系數(shù)小于1，以保證與瀝青良好的黏附性，同時礦粉的細(xì)度指標(biāo)中小于0.075 m m 的含量大于75% 。
SMA 的高溫穩(wěn)定性和耐久性主要取決于瀝青結(jié)合料的高溫性能和耐久性能。東海大橋嚴(yán)酷的交通荷載和氣候環(huán)境特點，要求橋面鋪裝的瀝青材料硬度大，軟化點高，在高溫下不變形，黏度高，瀝青膜較厚以保證較好的耐久性。
通過試驗, 東海大橋橋面鋪裝最終確定采用熱塑性橡膠類改性劑（ SBS）與特立尼達(dá)湖瀝青（ TLA ）的復(fù)合改性瀝青。SBS 能顯著提高瀝青的高低溫性能和疲勞性能，而TLA 硬度大，性質(zhì)穩(wěn)定，耐久性良好。這種復(fù)合改性瀝青的軟化點! 86 "，針入度實測為45（ 25 "，100 g，5 s）（ 0.1 m m ）。
由于SMA 瀝青用量大, 為保證其在運輸、攤鋪過程中不出現(xiàn)瀝青析漏現(xiàn)象，需在混合料中摻加一定數(shù)量的纖維。工程選擇了海川德蘭尼特腈綸纖維作為外摻劑，摻入量為集料總重的0.2#。
2) 混合料性能。東海大橋工程中采用的混合料，其馬歇爾穩(wěn)定度值是普通SM A 的1.5 倍，達(dá)到了12.5 kN ，動穩(wěn)定度超過了15 600 次/m m ，為普通SM A 的3 倍左右，而經(jīng)鹽水浸泡后的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比都大于90% ，完全滿足耐久性要求。
1.3 盧浦大橋鋼橋面瀝青混合料
盧浦大橋橋面鋪裝體系由防水黏結(jié)層和主鋪裝體系組成。防水黏結(jié)層采用改性瀝青砂膠，具有良好的高溫穩(wěn)定性、黏結(jié)強度和剪切強度。主鋪裝體系采用雙層SM A 。根據(jù)上、下層鋪裝的功能不同，上層鋪裝和下層鋪裝的SM A 材料所采用的瀝青結(jié)合料、礦料級配都不相同。下層采用柔度較大、熱穩(wěn)定性好的改性瀝青，礦料級配較細(xì)，使混合料空隙率小，具有較高的強度和柔韌性，使下層鋪裝具有良好的變形隨從性、抗裂性、耐久性和防水性。上層則采用勁度大、抗變形能力強的改性瀝青，礦料級配較粗，混合料具有良好的骨架結(jié)構(gòu)，使上層鋪裝具有良好的抗車轍和抗水損害性能。
盧浦大橋鋼橋面鋪裝層SMA 瀝青混合料采用聚丙烯腈纖維，添加量為瀝青混合料重量的0.2% 。聚丙烯腈纖維對瀝青混合料具有增強增韌作用。它們均勻地分散在瀝青混合料中，能夠形成網(wǎng)狀的空間三維結(jié)構(gòu)，通過橋聯(lián)作用不僅能吸收混合料內(nèi)部微小缺陷引發(fā)的集中應(yīng)力，同時在受力作用下能承擔(dān)部分應(yīng)力，從而提高混合料的極限應(yīng)力應(yīng)變指標(biāo)。
2 瀝青混凝土新材料構(gòu)造特性分析
以上幾個典型工程中采用的瀝青混合料基本上代表了瀝青路面新材料的發(fā)展方向。它們的組成特點都基于路面的受力特性和使用功能。
就SBS 改性瀝青混凝土而言, 聚合物含量是決定改性瀝青相態(tài)結(jié)構(gòu)的主要因素之一，繼而極大地影響了改性瀝青混凝土的性能。曾有國外學(xué)者通過研究SBS 改性瀝青相態(tài)結(jié)構(gòu)與拉伸性能的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，SBS 存在一個臨界含量，當(dāng)改性瀝青中SBS 含量大于臨界值時，改性瀝青的相態(tài)結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青與聚合物兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)，這時改性瀝青的性能將顯著加強。一般而言，當(dāng)SBS 含量在5% ~ 8% 之間時，可能形成瀝青相與SBS 相的兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)。
通過在瀝青與SBS 混合過程中加入穩(wěn)定劑和交聯(lián)劑, 使瀝青與SBS 之間以及SBS 相互之間發(fā)生交聯(lián)、接枝等化學(xué)反應(yīng)而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時瀝青與SBS在界面層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促使共混結(jié)構(gòu)在范德化力和化學(xué)鍵的共同作用下，其黏結(jié)強度、抗變形能力、抗老化性能和高溫穩(wěn)定性等指標(biāo)大大提高。引入化學(xué)鍵，通過物理分散、化學(xué)改性的方法，不僅能改善瀝青與SBS 之間的相容性，同時能顯著提高改性瀝青的使用性能。
根據(jù)理論研究, 瀝青混合料的強度由兩部分組成: 礦料之間的嵌擠力與內(nèi)摩阻力以及瀝青與礦料之間的黏聚力。因此，若集料相互嵌擠，形成骨架結(jié)構(gòu)，則能提高內(nèi)摩阻力；若瀝青結(jié)合料黏度高，與礦料黏附性好，則能達(dá)到良好的黏聚效果。瀝青瑪蹄脂碎石瀝青混合料（ SM A ）兼具這兩方面的特點，具有較高的粗集料含量，形成石—石接觸的骨架結(jié)構(gòu)，而由瀝青（ 或改性瀝青）、礦粉、纖維形成的瑪蹄脂填充于礦料間隙中，使混合料具有較高的內(nèi)摩阻力和黏聚力。由此鋪筑的路面具有良好的抗車轍、抗開裂以及抗疲勞性能。
實際上, 不同道路具有不同的交通特點、結(jié)構(gòu)特點和使用要求。如：港區(qū)道路和機場跑道以重載交通為主，要求路面結(jié)構(gòu)強度大，路面的抗滑要求也很高。鋼橋面具有較大的柔性，鋪裝材料需有良好的隨從性和抗裂性能。隧道道面除了有較高的排水、防滑、降噪性能外，對阻燃性也提出了一定的要求。因此，瀝青混凝土的級配設(shè)計必須結(jié)合其強度形成原理和路面功能要求進(jìn)行。
