國(guó)內(nèi)外輕集料瀝青混凝土研究現(xiàn)狀

江陳龍，錢(qián)振東，賈彥卿

(1.林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)(中國(guó))有限公司，中國(guó)重慶401121;2.東南大學(xué) 智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心，中國(guó)江蘇南京210096;3.錫林郭勒盟交通運(yùn)輸局，中國(guó)內(nèi)蒙古錫林浩特026000)

近年來(lái)，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，截至2007年底，全國(guó)公路橋梁達(dá)57.00萬(wàn)座、2 319.18萬(wàn)延米;公路總里程達(dá) 3.583 7 ×106km［1］。這些工程的鋪筑需要大量砂石材料，而目前砂石材料主要通過(guò)開(kāi)采山體和挖掘河道獲取，這給自然環(huán)境造成不可恢復(fù)性的破壞，如由于大量開(kāi)采山體，造成生態(tài)破壞，大量山體裸露，植被難以恢復(fù)，甚至發(fā)生滑坡等災(zāi)害。此外，凡是開(kāi)山取石的地方，其周邊地區(qū)塵土飛揚(yáng)，污染嚴(yán)重，農(nóng)田普遍被塵土覆蓋，直接危害農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。粉碎石料形成的粉塵彌漫在空氣中危害著附近居民的身體健康與生活質(zhì)量。因此，開(kāi)發(fā)新的材料替代砂石料，減少對(duì)山體的開(kāi)采，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、提高生活質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是很有利的，這也應(yīng)是公路可持續(xù)發(fā)展的根本趨勢(shì)所在。

輕集料(陶粒、陶砂)作為“在錯(cuò)誤時(shí)間放在錯(cuò)誤地點(diǎn)的資源”的工藝制成品，逐步替代普通砂石料應(yīng)用在公路行業(yè)，這與我國(guó)大力發(fā)展生態(tài)型循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求一致。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)輕集料應(yīng)用道路工程的研究主要集中于輕集料水泥混凝土，關(guān)于輕集料瀝青混凝土也開(kāi)展了試驗(yàn)性的研究［2］;國(guó)外的研究除了輕集料水泥混凝土外主要集中在瀝青表面處治及維修，關(guān)于輕集料瀝青混凝土的研究處于起步階段［3-4］，但也取得了可喜成果［5-6］。輕集料替代普通集料能改善瀝青混凝土抗滑性能、抗車(chē)轍性能和水穩(wěn)定性，提高彈性模量，并能減輕瀝青混凝土的質(zhì)量［2，5-7］，這為路面和橋面鋪筑工程提供新的選擇。

我國(guó)幅員遼闊，資源豐富，具有發(fā)展各類(lèi)輕集料的良好條件。因此，筆者從國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)用輕集料、輕集料瀝青混凝土以及國(guó)內(nèi)外的相關(guān)規(guī)范等3方面概述目前最新研究成果，為我國(guó)輕集料瀝青混凝土研究與應(yīng)用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)用輕集料

1908年，美國(guó)人史迪芬.海德首次發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖的膨脹性，經(jīng)過(guò)研究于1918年獲得回轉(zhuǎn)窯燒制頁(yè)巖陶粒的專(zhuān)利［8-9］，這是輕集料的發(fā)端。

輕集料在國(guó)外較大規(guī)模的興起，開(kāi)始廣泛工業(yè)性應(yīng)用，是受第一次世界大戰(zhàn)的刺激。隨后，輕集料的應(yīng)用逐漸從造船過(guò)渡到以橋梁為主的土木工程和以高層建筑為主的建筑工程兩大領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代至今，國(guó)外陶粒的應(yīng)用領(lǐng)域由傳統(tǒng)的土木工程，逐漸轉(zhuǎn)向制品;陶粒的原材料由傳統(tǒng)的黏土、頁(yè)巖轉(zhuǎn)向工業(yè)廢渣和淤泥;陶粒生產(chǎn)技術(shù)逐漸形成成熟的體系［10］。

目前，高性能輕集料發(fā)展與應(yīng)用在國(guó)外各國(guó)得到相當(dāng)高的重視，其強(qiáng)度、密度以及吸水率等技術(shù)指標(biāo)都有很大改善。其中以美國(guó)的Aquadale高性能輕集料，挪威的Leca800輕集料，德國(guó)的Liapor8高性能輕集料以及日本Tachibani生產(chǎn)的黑云母流紋巖高性能輕集料為代表，其部分技術(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外高性能陶粒部分技術(shù)指標(biāo)Table 1 Several qualification of high-performance ceramic aggregate at abroad

此外，國(guó)外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)用輕集料都有了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，如歐洲共同體 EN 13055-1、美國(guó)ASTM C 330以及日本JIS A 5002標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)將美國(guó)和日本的標(biāo)準(zhǔn)分別匯總于表 2［11］和表 3［12］。

表2 結(jié)構(gòu)混凝土用輕集料規(guī)范(美國(guó)ASTM C 330)Table 2 Standard specification for lightweight aggregates for structural concrete(ASTM C 330 USA)

表3 結(jié)構(gòu)混凝土用輕集料規(guī)范(JIS A5002)Table 3 Standard specification for lightweight aggregates for structural concrete(JIS A5002)

我國(guó)輕集料的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了曲折性的變化，總體經(jīng)歷了3個(gè)階段［13-15］:20世紀(jì)50年代至70年代初試驗(yàn)試制的初始階段;80年代的衰退階段;80年代末至90年代末的發(fā)展填充輕集料，結(jié)構(gòu)輕集料研發(fā)與應(yīng)用近乎停滯階段。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)陶粒雖隨著工業(yè)的發(fā)展，逐步進(jìn)入了發(fā)展相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期，陶粒的工業(yè)應(yīng)用研究也有了新的發(fā)展，但是與一些國(guó)家相比，差距較大，尤其是高性能陶粒的發(fā)展與應(yīng)用。我國(guó)高強(qiáng)粗陶粒(輕粗集料)的指標(biāo)詳見(jiàn)表4。

表4 我國(guó)高強(qiáng)輕粗集料部分技術(shù)指標(biāo)Table 4 Several qualification of high-strength lightweight coarse aggregate in China

2 國(guó)外輕集料瀝青混凝土

在國(guó)外，輕集料應(yīng)用于瀝青路面鋪筑工程，經(jīng)歷了由輕集料瀝青碎石封層研究與工程應(yīng)用到輕集料瀝青混合料研究的兩主要發(fā)展階段。

2.1 輕集料瀝青碎石封層

輕集料瀝青碎石封層主要從性能、瀝青與輕集料的黏附性和工程實(shí)踐3方面進(jìn)行研究，發(fā)展得比較成熟，這也為輕集料替代普通集料應(yīng)用于瀝青混合料的研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。早在20世紀(jì)五六十年代，Gallaway，等［16］就開(kāi)始輕集料應(yīng)用于瀝青碎石封層鋪面工程的研究，得出輕集料能提供比天然石料更優(yōu)越的抗滑性能的結(jié)論，并于1962年由美國(guó)德克薩斯州公路局在Abilene區(qū)首次鋪筑輕集料瀝青碎石封層試驗(yàn)段［17］。隨后，德克薩斯州交通運(yùn)輸研究所對(duì)輕集料進(jìn)行了系統(tǒng)綜合性研究［18］，研究表明，在凍融條件和加速凍融試驗(yàn)下，輕集料沒(méi)有明顯的退化現(xiàn)象，由于輕集料與瀝青間的良好黏附性，能很好地減少飛石擊碎擋風(fēng)玻璃的機(jī)率，改善路面的抗滑性能，并可以作為統(tǒng)一級(jí)配材料使用。文獻(xiàn)［17，19］對(duì)瀝青與輕集料黏附性以及瀝青陶粒碎石封層的性能進(jìn)行了研究，由于附著在天然石料上的灰塵和石料的特性影響，以及輕集料的非活性、表面不易沉灰等特性，使得瀝青與輕集料間的黏附性能較天然石料強(qiáng)，而且抗滑性高。

美國(guó)“膨脹頁(yè)巖、黏土、板巖(ESCS)公司”對(duì)人造輕集料用于碎石封層的研究也表明［6，20］，其與瀝青的優(yōu)越黏附性改善了路面性能比用傳統(tǒng)集料更安全、更經(jīng)濟(jì);輕集料不會(huì)隨著使用時(shí)間和磨耗作用而被“磨光”［21-22］，因?yàn)槠鋬?nèi)部的多孔性，表面文理被磨光的同時(shí)又有新的粗糙文理出現(xiàn)。這些結(jié)論以及輕集料應(yīng)用于瀝青碎石封層的成功性最終被NCHRP Synthesis 342文件［23］所證實(shí)，該文獻(xiàn)也對(duì)各國(guó)輕集料瀝青碎石封層的使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，美國(guó)有29%的道路部門(mén)使用，而澳大利亞、新西蘭、英國(guó)和南非有43%。

2.2 輕集料瀝青混凝土

然而，國(guó)外很多研究報(bào)告針對(duì)當(dāng)時(shí)的情況闡述了輕集料用于路面工程的不足，如吸水率較高、強(qiáng)度較低和成本較高等，這也是造成國(guó)外輕集料熱拌瀝青混凝土的研究和應(yīng)用相對(duì)碎石封層較少的原因。但隨著高性能輕集料的發(fā)展，上述的不足逐漸得到改善，如表1中日本Tachibani生產(chǎn)的高性能輕集料，吸水率低、強(qiáng)度高，而且其比重可降為普通集料的25%［8］。這為輕集料瀝青混凝土的發(fā)展提供了廣闊的空間，國(guó)外研究者也紛紛開(kāi)始對(duì)其展開(kāi)了研究，主要集中在輕集料的摻加比例、混合料的性能以及輕集料與瀝青間的黏附性等方面。

Hooper，等［5］就粉煤灰和塑料輕集料的摻加比例對(duì)熱拌瀝青混合料的體積比重、最大理論密度、彈性模量、車(chē)轍試驗(yàn)以及間接拉伸強(qiáng)度的影響進(jìn)行了理論研究，得出摻加輕集料能提高瀝青混凝土的剛度，改善車(chē)轍性能、減小吸水率，并且隨著摻加比率的增加，混合料的比重在不斷減小，最終推薦摻加輕集料的質(zhì)量百分比為15%。

文獻(xiàn)［24］對(duì)城市固體廢棄物焚燒底灰輕集料進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，可以配制出最大替代量為75%(占集料的質(zhì)量百分比)的滿(mǎn)足規(guī)范要求的輕集料瀝青混凝土，并給出了輕集料的退化過(guò)程。此外，瀝青混凝土的密度隨著輕集料替代量的增加而減?。?，24］，并且同一路面鋪筑同樣長(zhǎng)度，輕集料瀝青混凝土較傳統(tǒng)瀝青混凝土節(jié)約近30%的集料(以體積計(jì)算)［3］。然而，國(guó)外相關(guān)研究也有其不足之處。如Hooper等人沒(méi)有對(duì)混合料的低溫性能與疲勞性能進(jìn)行分析，也沒(méi)有進(jìn)一步分析摻加20%的輕集料瀝青混凝土;文獻(xiàn)［21］沒(méi)有對(duì)混合料的疲勞性能進(jìn)行研究。

2.3 道路用輕集料規(guī)范

國(guó)外雖然已有關(guān)于輕集料(陶粒)瀝青混凝土的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)的ASTM 標(biāo)準(zhǔn)［25-27］、歐洲的EN 標(biāo)準(zhǔn)［28］和日本的 JIS 標(biāo)準(zhǔn)［29］，但標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法很多是沿用傳統(tǒng)的方法，并沒(méi)有進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。如歐洲BS EN 13055-2:2004標(biāo)準(zhǔn)里的輕集料抗磨耗性能的試驗(yàn)是沿用普通集料的試驗(yàn)方法，并且沒(méi)有對(duì)其適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)將美國(guó)ASTM和日本 JIS 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯總于表 5［25-27］和表 6［29］。

表5 瀝青混合料用輕粗集料規(guī)范Table 5 Standard specification for coarse aggregate for bituminous paving mixtures

表6 道路用碎石規(guī)范Table 6 Crushed stone for road construction

3 國(guó)內(nèi)輕集料瀝青混凝土

我國(guó)研究者主要是對(duì)輕集料水泥混凝土的理論與應(yīng)用進(jìn)行研究，并制定了相關(guān)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)［30-32］。但由于國(guó)內(nèi)輕集料發(fā)展緩慢，尤其是高性能輕集料，使得國(guó)內(nèi)陶粒瀝青混凝土及瀝青路面的相關(guān)研究與應(yīng)用偏少。目前，國(guó)內(nèi)研究者主要從輕集料類(lèi)型選用、輕集料摻加比例、輕集料與瀝青的黏附性以及輕集料瀝青混合料性能等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。

于淑敏，等［33］以硅藻土陶砂替代礦粉作為填料，對(duì)輕集料瀝青路面混合料的結(jié)合強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行研究，研究表明，用硅藻土陶砂不僅可以替代優(yōu)質(zhì)礦粉，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，如抗拉強(qiáng)度高、與瀝青的黏附性強(qiáng)以及水穩(wěn)定性好等。

文獻(xiàn)［2，34］對(duì)高強(qiáng)度破碎型頁(yè)巖陶粒代替AC-20I中花崗巖石料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，配制出密度較小的瀝青陶?；炷粒佒囼?yàn)段進(jìn)行研究。研究表明破碎型陶粒較圓球形的更適宜于道路瀝青混凝土用粗集料，與普通花崗巖石料瀝青混凝土比較，瀝青陶?；炷粮黜?xiàng)性能與前者無(wú)明顯差異，但密度減小20%左右，并且耐磨性較好。對(duì)試驗(yàn)段使用16個(gè)月后和3年后進(jìn)行觀測(cè)，瀝青層狀況良好，無(wú)明顯車(chē)轍，有少量細(xì)小裂紋，個(gè)別陶粒表面瀝青膜已經(jīng)脫落，但路面總體狀況良好，路用性能較佳。

此外，臺(tái)灣學(xué)者成功研究開(kāi)發(fā)出用水庫(kù)淤泥生產(chǎn)輕集料，并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行了研究，建立了淤泥輕質(zhì)骨料應(yīng)用技術(shù)資料庫(kù)。文獻(xiàn)［7］即是臺(tái)灣學(xué)者對(duì)水庫(kù)淤泥輕集料用于多孔排水性路面的試驗(yàn)研究，提出體積替代率為15%(占集料的總體積)的輕集料瀝青混凝土是最適合的，與傳統(tǒng)的碎石瀝青混合料相比，輕集料能改善瀝青混凝土的抗滑性能、耐久性能、抗車(chē)轍性能、抗剝落性能以及水敏感性，并從微觀結(jié)構(gòu)初步分析了瀝青與輕集料間的黏附性。與文獻(xiàn)［5］類(lèi)似，作者沒(méi)有對(duì)其低溫性能進(jìn)行研究，對(duì)體積替代率大于15%的輕集料瀝青混凝土也沒(méi)進(jìn)行具體分析。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，輕集料在鋪面工程的應(yīng)用主要集中于水泥混凝土鋪面工程，這主要是由于較普通砂石材料輕集料的吸油率高。但是國(guó)內(nèi)外研究表明輕集料的摻加，能改善瀝青混合料的性能，如強(qiáng)度增加、彈性模量提高以及密度減小等。強(qiáng)度和模量的增加，可以適當(dāng)減薄路面的厚度;等質(zhì)量的混合料，密度的降低將增加鋪面的長(zhǎng)度。通過(guò)理論和試驗(yàn)研究，這些都可以有效地消除輕集料吸油率高的缺點(diǎn)。這也從理論上說(shuō)明輕集料瀝青混合料用于鋪面工程是可行的。

但是，依據(jù)現(xiàn)階段我國(guó)輕集料及輕集料瀝青混合料的研究現(xiàn)狀，應(yīng)從以下幾方面展開(kāi)進(jìn)一步研究。

1)輕集料摻加量。國(guó)內(nèi)外雖有關(guān)于輕集料摻量的研究，但多是停留在小范圍，另外對(duì)大摻量的瀝青混合料未作經(jīng)濟(jì)性分析。因此，需要大范圍的研究輕集料的摻量，并對(duì)每一摻量混合料的使用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2)輕集料瀝青混合料性能試驗(yàn)。縱觀前述的文獻(xiàn)，可以看出輕集料瀝青混凝土的研究在國(guó)內(nèi)外尚屬起步階段，對(duì)其性能的研究不夠全面，尤其是國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究十分少。

3)輕集料瀝青混凝土路面實(shí)際工程跟蹤調(diào)研。在不同交通量路段鋪筑試驗(yàn)段，對(duì)其進(jìn)行跟蹤調(diào)查研究，研究混合料路面性能的變化規(guī)律，總結(jié)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步指導(dǎo)理論研究工作。

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