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1、 港珠澳大桥GMA浇注式沥青混凝土施工技术 杨东来+徐永钢+张育才0 引言港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是列入国家高速公路网规划的重要交通建设项目。其建设内容包括：海中主体工程（粤港分界线至珠澳口岸之间区段）、香港界内跨海桥梁、香港口岸、珠澳口岸、香港连接线、珠海连接线及澳门连接桥。港珠澳大桥主体工程包含15.8 km深水区桥梁，除3座通航桥梁外，主要采用钢箱连续梁方案。钢箱连续梁桥面板主要采用正交异性钢箱梁桥面板结构形式。 正交异性钢箱梁桥面板具有构件质量轻、运输和架设方便、施工周期短等特点，因此，大跨径的悬索桥、斜拉桥几乎
2、都采用正交异性钢箱梁桥面板作为主体结构，同时，在正交异性钢箱梁桥面板上铺筑沥青混凝土后构成桥面系。但是，从目前的使用效果来看，正交异性钢箱梁桥面板的桥面铺装问题是大跨径桥梁建设中最复杂、最关键的技术问题。钢桥面铺装涉及到力学分析、材料特性、施工工艺等多方面的研究，正交异性桥面板对铺装层受力状态、铺装材料的基本强度、变形性能、高温稳定性能、粘接性能、疲劳性能、施工工艺性能等要求很高，目前是一项世界性的技术难题。港珠澳大桥地处高温、多雨的亚热带地区，钢桥面铺装层受复杂多变的自然环境的影响以及繁重的交通负荷作用，工作条件十分复杂。如何保证港珠澳大桥在铺装使用期内不出现高温车辙、层间推移、疲劳开裂等结
3、构性损坏，是亟待解决的技术问题。1 工程概况港珠澳大桥项目总平面布置见图1。主体工程范围：粤港分界线至珠澳口岸之间区段，总长29.6 km，其中桥梁长22.9 km，沉管隧道长5.99 km（不含桥隧过渡段），为实现桥隧转换设置2个长度各为625 m的隧道人工岛。港珠澳大桥主体工程桥梁工程施工范围：东自西人工岛结合部非通航孔桥与深水区非通航孔桥的分界墩（K13+413）起，西至拱北/明珠附近的珠海/澳门口岸人工岛（K35+890）止，以及珠澳口岸人工岛大桥管理区互通立交，全长约22.9 km。包括青州航道桥（主跨458 m双塔空间索面钢箱梁斜拉桥）、江海直达船航道桥（主跨2258 m三塔中央索
4、面钢箱梁斜拉桥）、九洲航道桥（主跨268 m双塔中央索面钢箱梁斜拉桥）以及3座通航孔桥和其余非通航孔桥。2 GMA工艺浇注式沥青混凝土施工分为MA（Mastioc Asphalt）和GA（Guss Asphalt）工艺。香港地区采用英国MA类浇注式沥青混凝土技术，MA具有天然湖沥青含量高、细集料级配严格的技术特点，使得MA混合料性能较为稳定；但其生产工艺是先拌和沥青、矿粉和细集料，生成沥青胶砂，再掺加粗集料拌和成品混合料，拌和时间较长（46 h），施工效率较低，不能很好地满足项目工程量大、施工期紧的要求1。以德国、日本为代表的GA浇注式沥青混凝土技术，采用沥青拌和楼集中拌和生产，可连续供给施工
5、，施工效率较高；在配合比设计中，天然湖沥青用量较少，细集料级配要求较宽松，GA混合料性能的稳定性不及MA混合料2。因此，在考虑充分发挥MA性能稳定的优势和GA工艺的工效优势后，港珠澳大桥采用了GMA的全新工艺，即用GA生产工艺拌和MA浇注式沥青混合料的施工方案，简称GMA工艺。2.1 GMA工艺存在的问题GMA作为全新的浇注式沥青混凝土施工工艺，要克服的主要技术难题如下。（1）铺装项目工程规模大，原材料需求量大，如何确保原材料质量优异、规格稳定，是保证桥面铺装质量的关键因素。（2）需要重点研发、选用并改进适用于国内实际情况的专业施工设备。如混合沥青专用的搅拌保温设备的研制、矿粉加热装置的研制、
6、适用于生产浇注式沥青混凝土的拌和楼的升级改造等。（3）MA类复合浇注式沥青混凝土钢桥面铺装采用新的施工工艺，较一般桥面铺装复杂，控制指标也有特殊要求，因此需对复合浇注式钢桥面铺装的关键技术和拌和工艺进行专项研究。（4）为了确保浇注式沥青混凝土的摊铺质量，在保证摊铺设备可靠的同时，应通过调整拌和时间与摊铺温度来解决，以保证有较好的施工和易性，但这可能会带来动稳定度和抗疲劳性能下降的问题。如何兼顾高温性能和抗疲劳性能，发挥各自优势，值得进一步探究。（5）浇注式沥青混凝土摊铺机最大摊铺宽度为8 m。经过桥面分幅施工的技术研究，发现在中央分隔带及路侧钢护栏附近不可避免地会出现人工摊铺带。由于大桥长度长
7、，人工摊铺带工程量大，如何保证其质量便成为施工的难点之一。（6）目前还没有形成一套适用于港珠澳大桥桥面铺装的MA 类复合浇注式沥青混凝土钢桥面铺装标准施工工艺，如何确定高质量铺装的施工工艺标准，是确保施工质量的关键。2.2 GMA工艺研究的主要内容（1）研制混合沥青专用的搅拌保温设备、粉料（矿粉细集料）加热装置，以及适于生产GMA浇注式沥青混凝土的拌和楼的升级改造等。（2）钢桥面铺装的原材料组成及配合比设计研究。（3）拌和工艺（温度、时间）对MA与GMA材料力学特性、路用性能的影响。（4）GMA 与MA 工艺施工工效的对比分析。（5）GMA 类复合浇注式沥青混凝土钢桥面铺装施工工艺及质量控制。
8、3 GMA施工技术3.1 原材料及配合比设计3.1.1 粗集料粗集料采用广州桂田石场生产的优质花岗岩集料，细集料和矿粉采用广东云浮石场专门加工生产的石灰岩集料，其检测结果见表1。3.1.2 细集料及矿粉根据欧盟标准BS EN 13108-6，矿粉级配必须满足要求，同时石灰岩细集料及矿粉中CaCO3的含量不小于85%。石灰岩细集料分A 、B、C三档。其中，A是粒径在0.0752.36 mm之间的细集料、B是粒径在0.0750.6 mm之间的细集料，C是粒径在0.0750.212 mm之间的细集料，各档料及矿粉的筛分结果见表2。 3.1.3 沥青及沥青结合料传统的浇筑式沥青结合料通常是由TLA（特
9、立尼达天然湖洁沥清）与道路石油沥青按一定比例掺配而成，在本研究中，TLA与基质沥青的掺配比例为TLA A-70=7 3。根据英国BS 1447-1988标准规定和安达臣沥青有限公司提供的MA基质沥青的技术指标，对基质沥青进行性能检测，结果如表3、4所示。3.2 GMA配合比设计GMA的配合比设计是研究GMA混合料的基础。本研究依据BS EN 13108-6的技术要求及相关试验方法，综合考虑中国公路钢箱梁桥面铺装设计与施工技术指南的相关要求进行MA混合料的级配设计，其设计流程见图2。3.2.1 目标配合比参考深圳西部通道的配合比设计，混合料中粗集料用量为45%，细集料、矿粉和混合沥青总用量为55
10、%，最佳油石比为13.7%。其中TLA与基质沥青的掺配比例为7 3。目标配合比为：1015 mm 510 mm A细集料 B细集料 C细集料 矿粉 TLA湖沥青 AH-70基质沥青=3.15% 41.85% 7.7% 11.6% 14.2% 9.4% 3.62% 8.94%。粗集料的矿料组成见表5。细集料矿料组成见表6，矿料级配曲线见图3。3.2.2 生产配合比粗集料采用花岗岩集料，热料仓矿料组成见表7。细集料采用石灰石集料，其矿料组成同目标配比。4 室内试验研究4.1 试验设备4.1.1 模拟拌和站拌缸设备由于GMA混合料是采用沥青拌和站集中生产，为了模拟混合料在拌缸中的搅拌过程，笔者所在单
11、位自行加工生产了模拟拌缸设备（图4），采用双卧轴搅拌方式，搅拌速度为060转min1可调，设有加热及控温装置，拌缸内温度可在1 h内升至180 ，下部设出料口，搅拌完成的混合料可从出料口倒出。4.1.2 模拟cooker搅拌设备cooker运输车是浇筑式沥青混凝土施工的重要设备，集运输、二次搅拌、控温等功能于一体，关系着浇注式沥青混凝土施工的成败。为了使室内试验能更有效地模拟实际搅拌工艺，自行加工生产了模拟cooker设备，即小型cooker设备（图5、6）。搅拌方式为单卧轴搅拌，搅拌速度为050转min1可调，设有加热及温控装置，可实现0300 之间的准确控温。上部设有开口，拌和容器可绕轴转
12、动，可将上部开口转到向下的位置，方便搅拌完成的混合料顺利倒出。4.1.3 刘埃尔流动度测试仪沥青玛蹄脂混凝土的流动性试验主要用于评价沥青玛蹄脂混凝土的施工和易性，适用于实验室和现场配合比的设计和品质管理。流动性差则无法施工；流动性太高，混合料可能发生离析并且无法获得所需的坡度，并且一般情况下流动性太高，混合料的沥青含量较大，混合料的热稳性比较差。对沥青玛蹄脂混凝土的流动性测试采用刘埃尔流动性试验方法（图7、8）。4.1.4 车辙试验仪采用国内通用的车辙试验仪（图9）测试60 下的动稳定度，从而评价沥青玛蹄脂混凝土的高温性能。国外执行的标准换算成国内标准约为300次min1。4.1.5 硬度（贯
13、入度）测试仪硬度值试验与贯入度试验在原理上是一样的，只是英国MA体系采用硬度值来评价沥青胶砂的性能，本研究采用硬度值来评价沥青混合料性能，德国GA体系采用贯入度来评价浇注式沥青混合料的性能。英国标准BS 5284-1993中说明了硬度值的试验方法。试件要求采用圆柱体，直径不小于100 mm，高度不小于25 mm。本试验采用101.6 mm100 mm的试件试模，试验温度为25 ，硬度值读数采用311 N的重力在直径6.35 mm的圆形接触面积上稳压60 s的贯入深度（图10、11）。执行的技术标准为：S型的沥青玛蹄脂硬度值为36 mm；H型的沥青玛蹄脂硬度值为1.52.5 mm。4.2 MA工
14、艺研究4.2.1 搅拌工艺和时间、温度参数（1） MA拌和成型工艺。采用上述原材料进行MA沥青混合料试验，混合料拌制过程中对成型硬度及车辙试件进行混合料性能检测。其中成型工艺即拌和步骤见表8，MA沥青混合料技术指标要求如表9所示。（2）MA混合料制备流程如下。 试验前将TLA湖沥青加热至180 ，A-70基质沥青加热至160 ，并在160 下分2部分搅拌，每部分搅拌3 min，搅拌采用STLJ-5型沥青混合料搅拌机进行； 搅拌后的第1部分混合沥青放入到160 的烘箱中，待第2部分混合沥青搅拌完成后一起加入到已预热至160 的自制cooker设备中，然后加入已加热至220 的矿粉，搅拌30 mi
15、n，自制cooker设备转速设定为5转min1；按粒径由小到大依次加入细集料，将拌和设备温度控制在200 ，搅拌30 min，然后进行硬度试验所需试件的制作，共浇筑3个试件；加入大约一半的粗集料至搅拌设备中，拌和温度控制在220 ，搅拌30 min；加入剩余部分粗集料，搅拌30 min；混合料开始搅拌后，每30 min取料进行刘埃尔流动度检测，分别在1、1.5、2、2.5 h取料成型车辙试件，直至搅拌时间超过3 h。4.2.2 流动度值试验结果（1）集料加热加入状态流动度试验。采用同一级配进行了3组MA混合料性能试验，混合料搅拌温度均为220 。3组试验的刘埃尔流动度见表10和图12。由图12
16、可知，随着混合料搅拌时间的增加，流动度呈凹形曲线变化趋势，搅拌0.51.5 h曲线出现拐点。主要原因可能是：开始搅拌阶段，混合料没有搅拌充分，集料表面没有充分裹附沥青，导致流动性不佳；随着搅拌逐渐充分，流动性达到最佳状态，而后随着沥青老化程度的逐渐加深，混合料流动性能又逐渐变差。由于本次试验集料、矿粉和沥青都是加热到较高温度后加入到小型cooker中进行试验，试验过程中由于不断加料、取料，空气不断进入小型cooker中，加剧了沥青的老化速度，故流动度在拐点过后剧烈增加。当混合料搅拌2 h时，流动度值达到40 s，此时沥青的老化程度过深，已不适宜施工。 （2）集料常温加入状态流动度试验。为了更好地模拟MA混合料的拌制过
