福州繞城高速公路路面石料應用概述

■　吳偉（福建路橋建設有限公司，福州　350001）

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福州繞城高速公路路面石料應用概述

■吳偉
（福建路橋建設有限公司，福州350001）

摘要本文介紹了福州繞城高速東南段路面工程上使用石料情況。包括石料的料源特性與加工特性、石料堿值、石料與瀝青的粘附性及石料的目標配合比設計等。

關鍵詞高速公路石料堿值粘附性配合比設計

1　工程概況

福州繞城公路東南段路面工程B1合同段為瀝青混凝土路面工程，起于連江洋門樞紐互通，與已建國家路網(wǎng)沈海線及福州繞城公路西北段相連，路線由西向東經(jīng)浦口樞紐互通、浦口一般互通，穿越南峰隧道，終止于梅里樞紐互通，與沈海高速復線連接，全長20.004km。路線基本呈東西走向。沿線主要村鎮(zhèn)為連江縣的洋門鎮(zhèn)、浦口鎮(zhèn)、梅里村等。其所在地為典型的亞熱帶季風氣候，氣溫適宜，溫暖濕潤，四季常青，陽光充足，雨量充沛，霜少無雪，夏長冬短，年平均氣溫為20～25℃；其中春季常陰雨綿綿，氣溫變化較大。有春雨期（3～4月）和梅雨期（5月）之分，春雨期天氣冷熱多變，有的年份還會出現(xiàn)倒春寒天氣和冰雹等強對流天氣；梅雨期溫度顯著升高，濕度大，雨水多；夏季以晴熱高溫天氣為主，是出現(xiàn)局地熱雷雨天氣和熱帶風暴、臺風活動最集中的時期。

2　路面結構類型

福州繞城公路東南段路面結構采用福建省常用組合式路面結構，路面結構如下表1所示。

其中整體式路基與分離式路基與表1完全一致，總厚度為73cm?；ネㄔ训缆坊访婵偤穸葹?8cm，結構層次類型沒有變化，區(qū)別在于密級配瀝青穩(wěn)定碎石（ATB-25）上基層厚度為12cm，級配碎石下基層厚度為15cm。橋面路段僅鋪筑設計路面結構的上面層和下面層，總厚度為10cm。為了保證工程質量，結合工程所處的地理位置與自然氣候條件，該路段路面應當具有良好的抗水損害性能，同時還應當具有一定的抗高溫能力。因此，各層次所采用的石料也有性能要求的。

表1　路面結構類型

3　路面工程用石料

3.1福建省石料概況

福建在構造上處于歐亞大陸板塊東南緣，瀕臨太平洋板塊，為環(huán)太平洋中、新生代巨型構造中巖漿帶的陸緣活動帶的一部分，是全球構造中巖漿活動最活躍的地區(qū)之一。地質上以燕山期中酸—酸性火山巖、侵入巖為主，地表則以火山巖為主。其中，酸性火山巖（流紋巖、英安流紋巖）分布最廣，約占85％；中性巖和基性巖在我省分布范圍很廣，但儲量相對較小：中性火山巖（英安巖、安山巖）約占10％；基性火山巖（玄武巖）小于5％；超基性火山巖罕見。

福建省閩西山體巖性以花崗巖和火山巖為主，間有凝灰?guī)r、流紋巖出露。武夷山、永安、連城等地有紅色巖層出露，構成風景奇麗的丹霞地貌景觀；永安、寧化、龍巖、將樂等地有較大面積的石灰?guī)r分布，溶洞、溶蝕洼地、峰林等喀斯特地貌發(fā)育。閩中山體巖性主要由花崗巖、流紋質凝灰熔巖、凝灰?guī)r、流紋巖、英安巖、安山巖等組成。東部沿?；◢弾r、流紋巖等火山巖遍布全區(qū)；閩江口以北以花崗巖高丘陵為主體。據(jù)統(tǒng)計花崗巖占全省巖石儲量的70％以上，居全國第2位；石灰?guī)r儲量居全國前5位。

3.2石料性能要求

石料是指符合工程要求的巖石，經(jīng)開采加工后用于公路工程的建筑石材的總稱。它作為瀝青路面的主要組成材料，其含量占瀝青混合料的95％以上。而影響集料性質和質量因素有兩個方面：一是生產(chǎn)加工特性，即保證集料的潔凈、干燥、無風化、無雜質、良好的顆粒形狀與棱角性、低的針片狀顆粒含量。二是料源特性，即保證壓碎值、洛杉磯磨耗值、表觀相對密度、吸水率、堅固性、軟石含量、磨光值、瀝青粘附性等巖石固有物理性能方面滿足技術要求。

在路面工程中，由于有經(jīng)濟性指標要求，因此優(yōu)先考慮就地取材。這就意味著有時無法選擇到最適合工程的石料。在此情況下，應盡早確定工程使用石料，并在相應的采石廠選取有代表性的石料，送至有資質的檢測單位進行石料巖相的鑒定，同時對按規(guī)格開采出的各檔粗、細集料進行檢測。集料的檢測結果需滿足《福建省高速公路路面及交通安全設施施工標準化指南》與《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中對各等級公路瀝青路面用集料的要求。

3.3本工程采用石料

在本工程中ATB-25與AC-20C采用同樣的石料，產(chǎn)自長樂松下碎石場，以下簡稱為石料1。該石料巖性鑒定為英安質晶屑凝灰熔巖。該巖石由各種火山碎屑物被中酸性火山熔巖物質膠結而成，無蝕變，呈現(xiàn)晶屑熔巖狀結構，極局部保留流動構造。巖石成分中，安山巖屑＜1％，中至更長石晶屑呈角＜15％；云母晶屑＜1％；石英晶屑＜5％；中酸性熔巖物質＜80％。由上可知，該集料為火山碎屑巖，是酸性石料。

AC-16C石料產(chǎn)自霞浦鹽田二洋里碎石場，以下簡稱為石料2。該石料巖性鑒定為流紋質玻屑晶屑凝灰?guī)r。巖石組成巖石的物質組分為火山碎屑物；具體由它形晶、半自形晶屑與未變形玻屑被火山塵膠結而成。巖石成分中石英＜5％，長石類礦物＜25％，黑云母＜1％，榍石遠小于1％，玻屑＜30％，火山塵＜40％。玻屑晶屑凝灰結構，定向排布。該集料是一種含火山灰含量較高的巖石，是中酸性火山碎屑變質作用的產(chǎn)物，石料偏酸性。

這兩種石料的物理性能如表2所示。

表2　石料基本性能試驗

4　石料堿值

礦料在瀝青混合料中與瀝青發(fā)生復雜的物理化學作用，礦料的化學性質在很大程度上影響著混合料的物理力學性質。一般認為基性巖或者堿性石料與瀝青的粘附性好，酸性集料與瀝青的粘附性差。這是由于瀝青本身呈弱酸性，酸性集料與水親合力較瀝青大，在遇水后這些集料顆粒上的瀝青膜被分離或剝落。因此酸性石料亦稱親水性集料。反之，憎水性集料即堿性集料與瀝青有較好的粘結能力。

要準確確定集料的酸堿性，必須對礦料的化學組成進行分析。簡易的方法是采用相對比較法來確定礦料的酸堿性強弱，即用分析純的CaCO3作為標準，將石料酸堿性強弱與CaCO3進行比較，就可以得到石料酸堿性的相對強弱。具體方法是：用一定濃度的酸對一定粒徑的石料進行侵蝕，測定消耗掉的氫離子的濃度，與相同條件下CaCO3所消耗的氫離子的濃度的比值，即定義為該礦料的堿值。上述兩種石料堿值結果見表3。

表3　石料堿值

研究資料顯示，石料堿值對瀝青混合料的抗水損害性能有一定的影響。隨著石料堿值的增大，瀝青混合料的空隙率減小，瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度會顯著增加，瀝青混合料的抗水害能力逐漸增強；當石料堿值小于0.78時，須對石料或瀝青進行預處理，才能滿足抗水損害技術要求。

5　石料與瀝青的粘附性能

集料與瀝青的粘附性試驗是用來檢驗粗集料表面被瀝青薄膜裹覆后，抵抗受水侵蝕造成剝落的能力。在雨量充沛的地區(qū)，若粘結不佳，極易導致瀝青路面的水損害。集料的化學成分和礦物組成影響瀝青混合料的粘附性。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）以及《福建省高速公路路面及交通安全設施施工標準化指南》中對粗集料粘附性要求，對于高速公路、一級公路表面層粘附性等級為5級，其他層次為4級。本工程ATB-25采用的是70號瀝青，AC-20C與AC-16C采用的是SBS改性瀝青。結合工程，將石料1與70號瀝青進行水煮法試驗，同時將石料1與石料2與SBS改性瀝青分別進行水浸法試驗，檢驗石料的粘附性等級。在未摻加抗剝落劑的情況下，石料與瀝青的粘附性均未能達到要求。當粗集料與瀝青的粘附性不符合使用要求時，可以通過摻加抗剝落劑、消石灰、水泥或用石灰水處理后使用，也可以采用改性瀝青的措施，來提高粗集料與瀝青的粘附性。因此，在瀝青中摻加0.2％的ARD瀝青抗剝落劑再進行試驗。同時考慮到石料應用到工程上后使用條件非常復雜，瀝青與石料長時間暴露在空氣中，在環(huán)境因素如受熱、氧氣、陽光和水的作用下，會發(fā)生一系列的揮發(fā)、氧化、聚合，乃至瀝青內(nèi)部結構發(fā)生變化，瀝青老化導致路用性能劣化。瀝青老化分為短期老化和長期老化兩個方面。短期老化是指瀝青在拌和及鋪筑過程中的老化；長期老化則是指瀝青在路面漫長使用過程中的老化。為了模擬瀝青老化，對添加了抗剝落劑后的瀝青分別進行短期老化（薄膜加熱試驗）與長期老化（旋轉薄膜加熱試驗），之后再進行粘附性試驗。試驗結果見表4與表5。

表4　水煮法粘附性試驗結果

表5　水浸法粘附性試驗結果

根據(jù)上述試驗結果可知，瀝青經(jīng)過短期老化后，與石料的粘附性均有下降，基本為下降0-1個等級。經(jīng)過長期老化后，粘附性等級相比短期老化后又有所下降，其中石料1與70號瀝青下降的最為明顯。從總體上看，瀝青在短期與長期老化后與石料的粘附性均有所降低，但觀察石料上仍裹附的瀝青情況可以看出，添加抗剝落劑后瀝青受水侵蝕的氣泡洞較少，且裹附的瀝青厚度更為均勻。瀝青與礦料表面的潤濕性能下降不大，瀝青仍能浸入和潤濕礦料顆粒表面的孔隙和裂紋，仍具有相當?shù)慕佑|面積，待瀝青降溫固化后，還能夠形成較高的強度。需要注意的是，福建省以酸性石料居多，在采取處理措施前石料與各種瀝青的粘附性能大部分難以滿足工程要求，需要在工程中進行預處理。目前主要措施有：石灰或水泥代替部分礦粉、加抗剝落劑、瀝青改性、加金屬皂等等。本工程中除了添加抗剝落劑外，還在礦粉中添加20％摻量的消石灰來提高石料的粘附性。

6　工程石料瀝青混合料目標配合比設計

由于石料與瀝青的粘附性試驗的局限性，它主要用于確定石料的適用性，對瀝青混合料的綜合抗水損害能力必須通過就行相應的目標配合比設計，并進行浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗以檢驗。因此瀝青混合料目標的配合比設計也是保證工程質量的關鍵環(huán)節(jié)，針對不同石料的各層次的瀝青混合料目標配合比設計也一個重要步驟。

6.1石料1 ATB-25目標配合比

該配合比用于路面的上基層，存在著骨料粒徑大，容易離析，厚度高難以壓實等問題。瀝青混合料的碾壓應遵循緊跟、慢壓、高頻、低幅的原則進行?；旌狭蠑備伜蟊仨毦o跟著在盡可能高溫狀態(tài)下開始碾壓，不得等候。不得在低溫狀態(tài)下反復碾壓，防止磨掉石料棱角、壓碎石料，破壞石料嵌擠。合成級配及混合料路用性能如表6、表7所示。

表6　ATB-25混合料合成級配

表7　ATB-25混合料路用性能

6.2石料1 AC-20C目標配合比

該配合比用于路面的中面層。福州繞城公路東南段連接福州附近多條高速公路與各重要發(fā)展區(qū)域，交通量較大，需要中面層混合料有抗車轍能力。合成級配及混合料路用性能如表8、表9所示。

6.3石料2 AC-16C目標配合比

表8　AC-20C混合料合成級配

表9　AC-20C混合料路用性能

該配合比用于路面的上面層。福州繞城公路東南段所處地區(qū)夏季高溫多雨，路面混合料容易受到降水、路面滲水等因素的影響，在水的浸泡及車輛荷載的作用下可能會發(fā)生瀝青膜剝離、掉粒、松散等現(xiàn)象，從而影響材料的滲透性能和抗變形性能。該AC-16C級配空隙率較低，殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比較高，有很強的抗水損害性能，同時該級配也兼顧了高溫性能。其合成級配及混合料路用性能如表10、表11所示。

表10　AC-16C混合料合成級配

表11　AC-16C混合料路用性能

7　結語

福州繞城公路東南段路面工程于2015年12月通過交工驗收，并正式通車，整體使用效果良好，沒有路面病害出現(xiàn)。本工程從石料的確定、石料性能檢測到石料的配合比設計都是以“就地取材，按需設計”為原則，解決了石料緊缺問題，減少工程建設成本，節(jié)省社會運力；在性能方面在優(yōu)先保證路面抗水損害能力的同時兼顧路面的高溫性能，確保工程質量。該工程獲得了初步成功，我們也將對其進行進一步的跟蹤觀測，獲得長期數(shù)據(jù)，提高施工水平。

參考文獻

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