砂巖在路面工程中的應(yīng)用綜述

摘 要：為實(shí)現(xiàn)綠色交通建設(shè)目標(biāo)，文章總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)砂巖材料在路面工程中的應(yīng)用技術(shù)及現(xiàn)狀，分析了砂巖作為路用材料的局限性與可行性，綜述了砂巖材料在路面基層及瀝青面層中的應(yīng)用前景與存在的技術(shù)難點(diǎn)。研究表明：砂巖應(yīng)用于路面工程具有節(jié)能減排、降低工程成本等優(yōu)點(diǎn)；優(yōu)質(zhì)硬砂巖可直接用于高等級(jí)公路路面基層甚至是瀝青面層，一般的軟質(zhì)砂巖通過(guò)優(yōu)化基層結(jié)構(gòu)或調(diào)整施工工藝也可用于路面基層；對(duì)于砂巖的推廣應(yīng)用，應(yīng)針對(duì)當(dāng)?shù)厣皫r材料特點(diǎn)，科學(xué)開(kāi)展性能試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)砂巖在路面工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：砂巖；路面工程；路面基層；路面面層；工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U416.2

0"引言

截至2023年年底，我國(guó)公路總里程為528.07×104 km，其中四級(jí)以上公路占比達(dá)95％，瀝青路面憑借其優(yōu)異的路用性能，成為全國(guó)高等級(jí)公路的首選［1-3］。國(guó)內(nèi)瀝青路面碎石集料首選石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖等粘附性好、強(qiáng)度高的巖石。然而，當(dāng)前交通行業(yè)大量開(kāi)采使用的石灰石、玄武巖等優(yōu)質(zhì)路面材料面臨著環(huán)保壓力大、高能耗占比等一系列問(wèn)題，這與我國(guó)當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的理念違背。尤其隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”國(guó)家宏觀目標(biāo)的提出，優(yōu)質(zhì)石灰石、玄武巖等路面材料的開(kāi)采利用逐漸成為我國(guó)高等級(jí)公路發(fā)展的制約因素，工程技術(shù)人員迫切需要尋找新型的路用材料作為代替。

我國(guó)是世界上三大砂巖產(chǎn)地之一，有著極其豐富的砂巖礦產(chǎn)資源，砂巖分布廣泛且便于開(kāi)采，部分省份的砂巖碎石擁有良好的力學(xué)性能，砂巖地材在高速公路、國(guó)省干線和城市道路路面工程中均有工程應(yīng)用。當(dāng)前廣西高速公路通車?yán)锍探咏? 000 km，仍有6 000 km的高速公路需要建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年高速公路項(xiàng)目建設(shè)所需要的玄武巖、石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)集料約7 000×104 t［4］。盡管廣西全區(qū)石灰?guī)r資源豐富，但中部、東南部、西南部等區(qū)域卻以砂巖為主，優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r資源匱乏，公路建設(shè)不得不面臨長(zhǎng)距離調(diào)運(yùn)石灰?guī)r集料、高額的運(yùn)費(fèi)、巨大的環(huán)保和進(jìn)度壓力等難題。同時(shí)，公路建設(shè)過(guò)程中開(kāi)采出來(lái)的砂巖地材無(wú)法綜合化利用，大多進(jìn)行棄方處置，給工程建設(shè)造成了極大的浪費(fèi)。因此，開(kāi)展砂巖在路面工程中的應(yīng)用研究具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景［5］。

基于當(dāng)前砂巖資源化綜合利用現(xiàn)狀，本文從砂巖應(yīng)用于路面工程的局限性與可行性、砂巖集料性能和砂巖路面工程應(yīng)用現(xiàn)狀等三方面進(jìn)行介紹，論證了砂巖在路面工程中應(yīng)用的技術(shù)可行性，為推廣砂巖在廣西公路建設(shè)的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1"砂巖碎石作為路面材料的局限性與可行性

砂巖儲(chǔ)量豐富、開(kāi)采便利，相對(duì)于石灰?guī)r、輝綠巖等路面材料，其集料本身質(zhì)量參差不齊且存在一定施工難度，限制了砂巖在工程中大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1.1"砂巖碎石路面材料的局限性

砂巖屬于沉積巖的一種，由碎屑和填隙物兩部分構(gòu)成。碎屑主要礦物成分包括石英、長(zhǎng)石、白云母、方解石、黏土礦物、白云石、鮞綠泥石、綠石等；填隙物有膠結(jié)物和碎屑雜基兩種組分。根據(jù)礦物組成，砂巖可分為石英砂巖、石英雜砂巖、長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石雜砂巖、巖屑砂巖和巖屑雜砂巖。礦物組成不同，砂巖表現(xiàn)出不同的外觀色澤和力學(xué)性能。一般長(zhǎng)石含量高的砂巖外觀呈現(xiàn)綠色、藍(lán)色，其母巖單軸飽水抗壓強(qiáng)可達(dá)80 MPa以上；石英含量高的砂巖外觀呈現(xiàn)白色或者灰色，礦料有明顯的結(jié)晶顆粒，其母巖單軸飽水抗壓強(qiáng)可達(dá)50 MPa以上；巖屑含量高的砂巖外觀呈紅色或棕色，巖石呈破碎狀態(tài)并伴隨有其他礦物，巖石遇水后易出現(xiàn)工程質(zhì)量問(wèn)題，其母巖單軸飽水抗壓強(qiáng)一般≤30 MPa，如紅砂巖強(qiáng)度＜15 MPa［6-7］，且遇水易崩解、侵蝕。

砂巖成巖地質(zhì)條件的差異，造成其巖石礦物組成不同，導(dǎo)致砂巖自身物理化學(xué)性能的不同。工程項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中時(shí)常遇到同一區(qū)域不同位置處砂巖按照強(qiáng)度分類堅(jiān)硬巖、較軟巖和軟巖共存現(xiàn)象［8］，甚至同一隧道同等進(jìn)洞深度的左右洞砂巖也會(huì)出現(xiàn)圍巖等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)和Ⅴ級(jí)的現(xiàn)象。砂巖性能的不穩(wěn)定極大程度影響了砂巖作為路面材料。同時(shí)，砂巖加工的集料存在針片狀顆粒含量高、瀝青粘附性差、施工技術(shù)要求較高等缺點(diǎn)，也進(jìn)一步限制了砂巖作為路面材料的應(yīng)用。

1.2"砂巖碎石路面材料的可行性

砂巖固廢石料規(guī)?；糜诼访婀こ?，政策上符合國(guó)家要求的“碳達(dá)峰”“碳中和”以及“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，可減少對(duì)天然礦石資源的開(kāi)采和環(huán)境的破壞；經(jīng)濟(jì)上可降低公路建設(shè)的材料成本、運(yùn)輸成本、固廢堆積物綜合處理成本等；管理上可減少項(xiàng)目建設(shè)對(duì)優(yōu)質(zhì)集料的依賴，保證項(xiàng)目建設(shè)工期。以廣西梧柳高速公路為例，路面建設(shè)所需要的集料約140×104～150×104 t，就地開(kāi)采砂巖集料綜合價(jià)格約50元/t，而從外部運(yùn)輸石灰?guī)r集料綜合價(jià)格達(dá)到100～200元/t，僅集料成本就增加2倍；外購(gòu)石灰?guī)r集料質(zhì)量不穩(wěn)定，受外部環(huán)境政策影響，集料供應(yīng)不及時(shí)，進(jìn)一步增加了項(xiàng)目管理的難度和風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的固廢砂巖，如不進(jìn)行綜合化利用將額外增加固廢處理成本。

國(guó)內(nèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)層從上到下由瀝青表面層、瀝青中面層、瀝青下面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、水泥穩(wěn)定碎石底基層和墊層組成。隨著結(jié)構(gòu)深度的增加，路面結(jié)構(gòu)層對(duì)集料相關(guān)性能指標(biāo)要求逐漸降低，也為公路建設(shè)項(xiàng)目將砂巖按照礦物組成和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)分類、分結(jié)構(gòu)層用于路面結(jié)構(gòu)提供了可行性。

2"砂巖路面集料性能研究

砂巖集料用于路面工程前，需要對(duì)其進(jìn)行物理指標(biāo)、力學(xué)性能試驗(yàn)，以確保砂巖集料可用于路面工程。

趙洪元、甘文寧［9-10］基于紅砂巖的成分組成，采用室內(nèi)大型直接剪切試驗(yàn)來(lái)模擬紅砂巖在摩擦剪切中的受力情況，結(jié)果顯示軟質(zhì)紅砂巖作為路面基層材料使用需要降低標(biāo)準(zhǔn)使用，或者對(duì)紅砂巖進(jìn)行預(yù)崩解處理后方可用于路面基層中。

針對(duì)硬質(zhì)砂巖在半剛性基層中缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，曾憲文等［11］收集了不同強(qiáng)度等級(jí)的砂巖對(duì)其原材料、混合料進(jìn)行了全面試驗(yàn)，結(jié)果顯示單軸飽水抗壓強(qiáng)度在30 MPa以上的硬質(zhì)砂巖集料壓碎值≤26%、表觀相對(duì)密度≥2.5，集料性能指標(biāo)分別滿足路面基層技術(shù)規(guī)范和瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求。同時(shí)，堅(jiān)固性試驗(yàn)是評(píng)價(jià)砂巖質(zhì)量的重要條件試驗(yàn)，砂巖的強(qiáng)度與耐久性是影響路用性能的關(guān)鍵因素。

考慮到砂巖自身呈弱酸性與瀝青粘附性差，砂巖在用于瀝青面層時(shí)應(yīng)對(duì)瀝青品牌以及瀝青用量進(jìn)行把控，以確保粘附性并使瀝青混合料具有良好的抗水損害能力［12］。馬曉暉［13］在砂巖瀝青混合料加入水泥或者部分抗剝落劑，結(jié)果顯示采取抗剝落措施后瀝青混合料性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。包衛(wèi)星等［14］選用了不同類型的瀝青與砂巖集料進(jìn)行了粘附性試驗(yàn)和路用性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示SBS改性瀝青與砂巖集料的粘附性等級(jí)最高為5，混合料的水穩(wěn)定性能更強(qiáng)。

也有學(xué)者研究了砂巖瀝青混合料作為瀝青表面層面層的可行性。胡翌剛等［15］采用普通石油瀝青和路安特SBS改性瀝青分別配置AC-13瀝青混合料，在室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了砂巖混合料的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范，證明了砂巖集料可用于瀝青路面表面層。楊祖濤［16］對(duì)砂巖AC-13瀝青混合料和SMA-13瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為SMA-13砂巖瀝青混合料的路用性能更好，更適用于路面上面層。

3"砂巖在路面結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用

鑒于砂巖資源豐富且開(kāi)采方便，用于路面工程可以降低工程造價(jià)，相關(guān)高校學(xué)者和從業(yè)人員已有意識(shí)地開(kāi)展砂巖在路面工程的課題研究和試驗(yàn)路驗(yàn)證，目前全國(guó)各地已經(jīng)有大量的砂巖路面工程應(yīng)用案例。

3.1"砂巖在路面基層中的應(yīng)用研究

路面基層主要承擔(dān)車輛傳遞的豎向荷載，因此基層應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

沈正偉等［17］在宜長(zhǎng)高速公路項(xiàng)目上，選用當(dāng)?shù)貜?qiáng)度較高的硬質(zhì)石英砂巖作為路面材料，將其成功應(yīng)用于項(xiàng)目的水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層，不僅解決了當(dāng)?shù)剡^(guò)多的砂巖固廢材料的問(wèn)題，也節(jié)約了項(xiàng)目成本，為其他項(xiàng)目建設(shè)提供了參考依據(jù)。閆紅光［18］在廣巴高速公路工程項(xiàng)目中，對(duì)項(xiàng)目沿線不同強(qiáng)度等級(jí)的砂巖和石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的性能進(jìn)行了研究，建立了砂巖強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)與混合料性能之間的關(guān)系，將沿線砂巖按照強(qiáng)度分級(jí)，分別用于水泥穩(wěn)定碎石底基層和水泥穩(wěn)定碎石基層。

大量工程應(yīng)用已經(jīng)證明硬質(zhì)砂巖可直接用于水穩(wěn)基層。巖屑類砂巖強(qiáng)度低且水穩(wěn)定性較差，工程技術(shù)人員通過(guò)改善基層結(jié)構(gòu)和優(yōu)化施工工藝進(jìn)行了此類砂巖在水泥穩(wěn)定碎石基層的性能研究和工程應(yīng)用驗(yàn)證。

為解決黃延高速公路沿線砂巖材料壓碎值較大無(wú)法直接用于水泥穩(wěn)定碎石基層的難題，李歲論等［19］采用C15砂巖混凝土+C30斜向預(yù)應(yīng)力砂巖混凝土作為基層結(jié)構(gòu)，這種基層結(jié)構(gòu)不僅滿足試驗(yàn)室內(nèi)技術(shù)指標(biāo)，也能達(dá)到工程應(yīng)用的強(qiáng)度要求。潘龍等［20］基于寧安高速公路紅砂巖物理性能指標(biāo)，嚴(yán)格控制紅砂巖水泥穩(wěn)定碎石現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、碾壓和養(yǎng)生等施工工藝，成功將該地區(qū)的紅砂巖用于高速公路水穩(wěn)基層施工。陳福玲［21］依托山西昔榆高速公路，對(duì)項(xiàng)目沿線的紅砂巖在水泥穩(wěn)定碎石基層中進(jìn)行了研究，并采用紅砂巖粗集料和石灰?guī)r細(xì)集料鋪筑了水泥穩(wěn)定碎石基層試驗(yàn)段，項(xiàng)目通車運(yùn)營(yíng)效果良好，無(wú)路面病害發(fā)生。此外，有相關(guān)技術(shù)人員依托高速公路項(xiàng)目，利用當(dāng)?shù)厣皫r推廣應(yīng)用一種水泥穩(wěn)定碎石混合料CTB30+砂巖級(jí)配碎石粒料基層的新型路面基層結(jié)構(gòu)，在保證基層強(qiáng)度的同時(shí)，消耗了大量的砂巖固廢材料，具有很好的資源利用和環(huán)境保護(hù)效益。

3.2"砂巖在瀝青面層的應(yīng)用研究

砂巖與瀝青的粘附等級(jí)低是制約砂巖在瀝青面層推廣應(yīng)用的首要因素。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員多年來(lái)對(duì)砂巖瀝青混合料的深入研究以及工程應(yīng)用驗(yàn)證，砂巖用于瀝青面層具有可行性。

王金國(guó)［22］采用軟質(zhì)的紅砂巖集料、SBS改性瀝青為粘結(jié)劑，添加0.4%的抗剝落劑配置成SAC-16C，成功應(yīng)用于京藏高速公路銀川段的瀝青中面層。朱成軍等［23］依托滬蓉西高速公路項(xiàng)目，將表面粗糙的變質(zhì)石英砂巖用于SMA-13瀝青上面層，并對(duì)通車5年后的運(yùn)營(yíng)效果進(jìn)行跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)砂巖SMA-13試驗(yàn)段表面層抗滑效果良好，無(wú)路面病害發(fā)生。為了提高砂巖瀝青混合料路用性能，梁壽齡等［24］在填料中加入1.5%消石灰來(lái)提高瀝青與砂巖集料的粘結(jié)力，并將砂巖SAC-13瀝青混合料成功運(yùn)用于桂林—梧州高速公路，經(jīng)過(guò)3年的跟蹤調(diào)查，路面車轍、磨損、剝落極少，路面狀況良好。

4"結(jié)語(yǔ)

（1）砂巖用于路面基層是可行的，優(yōu)質(zhì)硬砂巖可直接作為路面基層材料使用，對(duì)于軟質(zhì)砂巖可以降級(jí)使用，或者通過(guò)改變路面結(jié)構(gòu)及改善施工工藝應(yīng)用于路面基層。

（2）砂巖可用于瀝青面層，瀝青面層對(duì)于砂巖集料強(qiáng)度、瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)、瀝青粘結(jié)劑的選定、現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝等方面均有較高的要求。

（3）砂巖在路面工程的應(yīng)用研究是基于當(dāng)?shù)厣皫r的品質(zhì)、當(dāng)時(shí)的施工工藝等多方面的因素下開(kāi)展的，不同地區(qū)的砂巖材料在路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有特殊性。為了確保當(dāng)?shù)厣皫r在路面工程中的適用性，需要針對(duì)當(dāng)?shù)厣皫r材料，科學(xué)地開(kāi)展砂巖混合料性能試驗(yàn)驗(yàn)證，提出合理的施工工藝控制措施，實(shí)現(xiàn)砂巖在路面工程中的應(yīng)用。

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