特立尼达湖沥青(TLA)与桥面铺装.doc

特立尼达湖沥青（TLA）与桥面铺装-港珠澳大桥桥面铺装技术建议1. 唐生德 2.陈桥1、 湖南省公路设计有限公司（长沙） 2、豪银有限公司（香港）摘要：应港珠澳大桥项目方请求及通过对国内外100多年来桥面铺装形式的调研，发现世界范围内许多知名桥梁都采用了特立尼达湖沥青（简称TLA）,究其成因主要是这种产自加勒比海的特立尼达湖沥青无与伦比的抗老化性能和优异的路用性能得到了世界范围内诸多桥梁设计大师的青睐和广泛应用，如英国的福斯桥、Seven桥及韩柏塞桥；美国纽约乔治华盛顿桥；德国的Oberkasseler、ZOO；日本的明石海峡大桥、本州四国联络桥；台湾新东大桥、高屏溪大桥；香港青马大桥；中国大陆的上海东海大桥、山东胜利黄河大桥、杭州钱塘江大桥等都采用了特立尼达湖沥青（TLA）。建议港珠澳大桥桥面铺装时也可以采纳使用该特种沥青。特立尼达湖沥青是世界上最有名的一种天然沥青，产于南美洲西印度群岛的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖（见图1）。该湖面积约47公顷，深达90米，湖沥青估计储藏量达1200万吨。图1 特立尼达沥青湖一、TLA改性沥青的特性TLA改性沥青的特性主要表现在以下五个方面：1、TLA与石油沥青有极好的相容性由于TLA本身是沥青，其物理和化学特性与石油沥青完全一致，因此与石油沥青有极好的相容性。这使得TLA改性沥青的加工工艺比SBS等聚合物改性沥青更加简单，只需在170左右的高温下将TLA和石油沥青搅拌均匀即可，生产成本较低。当出现灰分沉淀离析时，重新进行适当的搅拌即可使其均匀化，而不像SBS等聚合物改性沥青的离析那样出现改性剂结团而严重影响使用性能的现象。2、高温稳定性好由于TLA天然沥青是在高温下经过亿万年的充分氧化而形成，不含蜡，分子量大，聚合度高，其中的灰分呈珊瑚状，高温下能将沥青轻组分吸入细孔中。所有这些特性均使TLA改性沥青的温度敏感性降低(针入度指数变小)，软化点、粘度和劲度模量等明显提高，具有优良的抵抗车辙变形的能力。3、与石料的粘附性强，抗水损害性能好TLA中的软沥青质含有大量的氮、氧、有机硫等，使沥青极性增加，对石料的浸润能力、粘附能力大大增加，在高温长时间条件下，其粘附性还有增强趋势，大大提高了TLA改性沥青混合料的抗水损害性能，同时为碱性石料缺乏地区修筑高等级沥青路面增加了新的技术途径。4、抗老化性能好由于TLA是经过了亿万年气候的考验，氮的含量是普通沥青的几倍至几十倍（0.8%），其中的氮元素是以官能团形式出现，对自由氧化基具有高的抵抗性，所有这些使TLA改性沥青具有优良的抗老化性能。老化试验(RTFOT)表明，TLA改性沥青老化后质量损失都很小，针入度比却很高，说明TLA改性沥青的抗老化性能很好。 5、提高对融雪剂、燃油、微生物等侵蚀的抵抗能力TLA是在自然条件下经过亿万年形成的具有独特结构的物质，具有更多的凝胶体，掺配形成的TLA改性沥青呈溶凝胶结构，其中的沥青质有较多的树脂作为保护，一定程度上提高了TLA改性沥青对融雪剂、燃油、微生物等侵蚀的抵抗能力。这对提高沥青路面的使用性能及耐久性非常重要。二、TLA在国内外的应用概况1、国外应用概况国外将TLA应用于道路工程已有100多年的历史，现已广泛应用于欧美许多国家。美国华盛顿特区在几个城市街道的路面工程中已应用了TLA。除此之外，飞机场、桥面铺装、高速公路等。纽约和新泽西州的运输部在承受大面积极繁重负荷的区域，如桥面铺装、斜坡匝道、公共汽车枢纽站及其他类似的地方应用了TLA。英国伦敦的主要街道和高速公路在热压式沥青混凝土路面上普遍应用了TLA改性沥青。高速公路的服务寿命已经超过30年，在多数情况下不需要维护。在德国高速公路、环城公路使用了TLA改性沥青。在30多年的应用中，表现出在极寒冷的气候条件下很低的温度敏感性和粘结剂的韧性，节省了大量的结构维护费用。日本的本州四国联络桥，在高温及特别繁重的交通条件下，动稳定度明显提高了，至今使用良好。香港海底隧道于1972年使用TLA改性沥青铺设了热压式沥青混合料路面，至1984年，经过3亿多次车辆使用，由于不适当的表层清扫导致表层沥青产生磨损，用同一种混合料重新铺设表层，至今还没有收到关于表层沥青损坏的报告。在特立尼达和多巴哥，最早采用TLA是在1944年，Churchill Roosevelt (丘吉尔罗斯福）采用30/40针入度级的TLA改性沥青混合料铺设表层，制备过程中，沥青粘结剂的针入度值低至18。此公路直到1977年，即33年后才重新铺设，实际使用年限是估计寿命的2倍多。之后铺筑的路段多不胜数。其中包括南北干道走廊约13km长的主干道公路和18km长的辅道，所有路面混合料均采用具有6075的针入度值的TLA改性沥青，掺量为30%。自1984年12月投入使用以来，路面每天平均承受大约23000辆的交通量（约17%是卡车），至今仍未显示出任何损坏迹象。目前，使用特立尼达湖沥青的国家及地区已达到30多个，而且已被一些主要的发达国家如美国、英国、德国、日本及香港地区指定使用。2、国内应用概况我国早在20世纪7080年代曾经对特立尼达湖沥青表示过浓厚的兴趣，交通部曾组织北京、河北、山西、浙江、江苏等许多地方都铺筑过TLA改性沥青的试验路段，显示出其具有良好的路用性能。“七五”国家科技攻关期间，为了解决我国修建高速公路的优质沥青缺乏问题，交通部组织了代表团专程赴英国对TLA改性沥青进行过技术考察，参观了施工现场，是因为当时由于我国的经济条件相当有限，公路建设投资不大，沥青需求不大，国产沥青价格也很低，而TLA的价格相对比较高，缺少竞争力。国家也没有公布湖沥青的规范。所以没有引进并推广。时至今日，整个情况都发生了根本的变化。公路投资增大了，随着国际石油价格走高，国内沥青价格也很高，湖沥青的国家规范也发布了。再加上其优良的使用性能，使得TLA在我国高速公路面层、桥梁铺装层（重庆嘉陵江大桥、杭州钱塘江大桥、上海东海大桥等）、飞机场等重要交通路段得到广泛的应用。图2：上海东海大桥GA+SMA铺装方案，GA和SMA均使用TLA改性沥青，2005年12月建成通车，至今桥面铺装使用效果很好！ 上海东海大桥桥面铺装结构图3：香港青马大桥铺装使用效果良好用于青马桥的Mastic Asphalt使用状况良好，TLA：壳牌基质沥青=70：30。机场建设方面，北京的首都国际机场、香港启德机场、赤腊角国际机场以及上海的虹桥机场等也采用了TLA改性沥青作为加铺罩面的主要材料。截至2013年，特立尼达湖天然沥青已经在中国内地的120多个重点工程上使用，均取得了优良的效果，得到了相关业主的好评，许多工程还被评为样板工程。具不完全统计，2002年,之后，内地几乎所有桥梁用的浇筑式沥青混凝土，全部掺加了湖沥青，安庆长江大桥、上海东海大桥、长沙三汊矶大桥、重庆石板坡长江复线桥、汕头礐石大桥、南昌洪都、英雄大桥、上海长江大桥、重庆嘉华大桥.。累计应用桥梁30余座，铺装面积约160万平方米2005年1月1日实施的公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）中4.6.4条规定：天然沥青可以单独与普通沥青使用或其他改性剂混融后使用。天然沥青的质量要求宜根据其品种参照相关标准和成功的经验执行。并在条文说明中提出了TLA的质量技术要求和TLA改性沥青质量技术要求。三、目前国际上较为流行的钢桥面铺装从结构组合来分有单层铺装体系与双层铺装体系（包括双层同质和双层异质）两种类型。由于双层铺装体系能够对铺装上下层材料分别进行设计，充分利用和发挥材料特性，最大限度地避免对同等材料矛盾的双向性能要求,除英国的MA（Mastic asphalt）单层铺装体系外，大部分钢桥面铺装趋向于使用以德、日为代表的GA(Guss asphalt)方案和改性沥青SMA方案（Stone Mastic Asphalt） 双层铺装体系。当然，还有以美国为代表的环氧树脂沥青（Epoxy asphalt）铺装方案，该方案不在本技术建议论述之内。另外，使用TLA湖沥青用于桥面、道路、机场跑道铺装的国家还有加拿大、巴西、印度等国。通过调研、分析国内外主要钢桥面的铺装研究成果，以及向多名国家级著名桥梁专家咨询发现世界范围内大多著名钢桥面铺装都采用了TLA湖沥青。TLA湖沥青的主要作用在于提高沥青混合料的高温稳定性、抗老化性能、抗水损害能力、以及对燃油、盐分和微生物侵蚀的抵抗能力。从而延长桥面服务年限，采用TLA湖沥青铺装桥面全球范围内30年不用维修的例子比比皆是。对于港珠澳大桥所处（伶仃洋）高温、多雨、潮湿、盐蚀、多台风的地理气候环境以及将来面临的大流量、重载荷等交通特点尤其适合使用该种天然湖沥青。本文结合TLA湖沥青在全球范围内钢桥面铺装的使用状况将提出初步技术建议，同时寄期望本项目业主能邀请国内外知名桥梁专家和TLA湖沥青专家前往项目所在地具体考察，结合项目当地的气候、地理特征和桥面变形特征、交通流量、载荷等特点先做探索性实验而最终确定铺装体系技术方案。四、全球著名钢桥面铺装TLA湖沥青实例国家桥梁名称铺装类型德国Oberkasseler单层60mm浇注式沥青混凝土Zoo双层54mm浇注式沥青混凝土日本明石海峡大桥35mm浇注式沥青混凝土+30mm改性密级配沥青混凝土横滨湾大桥40mm浇注式沥青混凝土+40mm开级配改性沥青混凝土多多罗大桥35mm浇注式沥青混凝土+30mm改性密级配沥青混凝土本四联络桥下层浇注式沥青混凝土，上层改性密级配混凝土英国福斯桥单层35mm沥青玛蹄脂混合料塞文桥单层38mm沥青玛蹄脂混合料恒伯尔大桥单层38mm沥青玛蹄脂混合料美国纽约乔治华盛顿大桥4.5英寸水泥混凝土+1/2英寸热伴沥青薄层+1.5英寸磨耗层丹麦大贝尔特桥沥青玛蹄脂混合料 中国重庆石板坡长江大桥复线桥下层35mm浇注式沥青混凝土+上层35mm沥青玛蹄脂混合料山东胜利黄河大桥下层mm浇注式沥青混凝土+上层mm沥青玛蹄脂混合料杭州钱塘江大桥下层浇筑式沥青混凝土+上层改性密级配沥青混凝土重庆渝澳大桥单层50mm沥青玛蹄脂混合料上海东海大桥下层35mm浇注式沥青混凝土+上层45mm沥青玛蹄脂混合料香港青马大桥单层40mm沥青玛蹄脂混合料安庆长江大桥35mm浇注式沥青混凝土+35mm沥青玛蹄脂混合料台湾新东大桥40mm浇注式沥青混凝土+40mm改性密级配沥青混凝土台湾高屏溪大桥40mm浇注式沥青混凝土+40mm改性密级配沥青混凝土日本钢桥面铺装设计形式调查结果型式铺装下层材料（厚度）铺装上层材料（厚度）桥梁数（%）热拌沥青混凝土（40-50mm）热拌沥青混凝土（40-50mm）83 (27)浇注式沥青混凝土（30-40mm）浇注式沥青混凝土（30-40mm）71 (23)浇注式沥青混凝土（40-50mm）改性密级配沥青混凝土（30-40mm）123 (41)单层热拌沥青混凝土（50-70mm）23 (8)单层浇注式沥青混凝土（50-70mm）3 (1)调研结果1、 德国：钢桥面浇注式沥青混凝土最早起源于德国，在德国其应用范围是非常广的，其胶结料一般采用针入度为20-50（0.1mm）的直馏沥青，其中掺配15-35%的天然湖沥青（TLA），以获得性能更优越的沥青混凝土。但是近年来德国也采用了改性沥青PMB45,PMB25作为浇注式沥青混凝土的胶结料。目前使用效果不明。2、 日本：通过对日本300多座钢桥桥面铺装的使用状况的调查，日本钢桥面铺装可分为五种结构形式，其中以下层浇注式沥青混凝土（40mm），上层改性密级配混凝土(35mm)作为桥面铺装的占大多数，使用效果也最好。总厚度为65-80mm.日本采用的下层浇注式沥青混凝土材料不同于欧洲的配方。混合沥青中，TLA仅占25%，而剩余75%采用针入度20-40（0.1mm 25）的直馏石油沥青，混合沥青针入度为15-30（0.1mm 25）3、 英国（含其它英联邦国家）：英国于1988年颁布了应用TLA湖沥青铺装桥面的英国标准规范BS:1447(1988)。BS：1447中强调指出，浇注式沥青混合料属“H”级，适用于繁重载荷区域，要点如下：A、 适用于H级的混合料，混合沥青为T50型，即TLA湖沥青占50%（最高能达到70%），针入度为60/70的普通石油沥青占50%。B、 铺装层厚度为40-50mm。C、 设计的混合料比例为：混合沥青10.4%、细集料44.3%、粗集料45.3%4、 美国：美国利用TLA湖沥青开发出一种新型罩面薄层，这种新型罩面可以抵抗推挤和磨耗，同时具有足够的抗滑性能，以满足大交通量渠化交通的需求，这种沥青胶结料由70%的AC20、20%的 特立尼达湖沥青、5%的橡胶乳液组成。沥青含量按照重量计占5%。这种新型罩面薄层被大量的应用于纽约和新泽西的港口以及该地区的桥梁、机场跑道。5、 中国：中国大陆在1973年开始使用TLA湖沥青，自1999年开始已经大批量使用在机场、桥梁、高速公路、市政建设等国家重点工程上（大大小小的工程总计120余项）。用于桥梁铺装比较成功的铺装类型主要有下层浇注式沥青混凝土+上层沥青玛蹄脂混合料或改性密级配沥青混凝土两种种类型。在桥面铺装中，TLA湖沥青与普通沥青掺量在50-70%（50%：50%或70%：30%）。与聚