破碎卵石瀝青混凝土在西藏高海拔地區(qū)的應(yīng)用研究

劉潤(rùn)喜

（中交二公局第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

破碎卵石瀝青混凝土在西藏高海拔地區(qū)的應(yīng)用研究

劉潤(rùn)喜

（中交二公局第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

依托西藏林芝至米林機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用公路新改建工程B合同段，將當(dāng)?shù)睾訛┞咽扑楹髴?yīng)用于瀝青道路面層，研究其在該地區(qū)的適用性。該項(xiàng)目中，上面層采用AC-13C型瀝青混合料，中面層采用AC-20F型混合料，下面層采用AC-25F型混合料，分別對(duì)其進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和路用性能驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，破碎卵石集料能完全滿(mǎn)足該地區(qū)瀝青路面的路用性能。此外，破碎卵石應(yīng)用于瀝青路面面層還具有較高的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

瀝青路面；破碎卵石；配合比設(shè)計(jì)；路用性能；高海拔地區(qū)

0 引言

卵石質(zhì)地堅(jiān)硬，具有抗壓、耐磨耐腐蝕等特點(diǎn)，是一種理想的綠色建筑材料。目前，卵石作為水泥混凝土集料在建筑工程中已得到廣泛應(yīng)用，但其在瀝青混凝土集料中的應(yīng)用卻是一個(gè)相對(duì)較新的研究課題[1-4]。

依托項(xiàng)目地處西藏林芝地區(qū)，雅魯藏布江中下游，地形復(fù)雜，海拔高差大；年平均氣溫較低，僅為8.7℃，極端最低氣溫-16.5℃，日溫差最高可達(dá)20℃。由于該地區(qū)植被豐富，環(huán)保要求極高，因此原材料開(kāi)采受限，導(dǎo)致可供公路建設(shè)的優(yōu)質(zhì)玄武巖和石灰?guī)r相對(duì)匱乏。然而，該地區(qū)河流眾多，河灘地帶分布有大量的高原河卵石，如能就地取材，將當(dāng)?shù)芈咽扑楹笞鳛闉r青面層的集料，無(wú)疑具有很大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。但由于卵石屬酸性石材，且存在石料破碎面光滑等缺點(diǎn)，破碎卵石集料的水穩(wěn)定性往往難以達(dá)到使用要求，所以在瀝青道路面層中的實(shí)際應(yīng)用較少。本文依托西藏林芝至米林機(jī)場(chǎng)專(zhuān)用公路新改建工程B合同段，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，研究破碎卵石應(yīng)用于瀝青道路面層的可行性。

1 材料概況

該項(xiàng)目瀝青采用中國(guó)石油克拉瑪依石化公司所產(chǎn)“昆侖”牌90號(hào)A級(jí)瀝青，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)集料采用自采砂石料場(chǎng)生產(chǎn)的破碎卵石，分別為：10～15 mm碎石、5～10 mm碎石、3～5 mm碎石和0～3 mm石屑；礦粉采用拉薩軍陽(yáng)礦石粉加工有限公司生產(chǎn)的成品礦粉。集料的物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 自采石料廠(chǎng)破碎卵石基本物理指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

從表2中可以看出：不同粒徑集料的強(qiáng)度、吸水率等物理指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求；此外，目測(cè)觀(guān)察認(rèn)為，集料的顆粒形狀和表面紋理等指標(biāo)也均滿(mǎn)足瀝青混凝土性能對(duì)集料的要求。因此，破碎卵石滿(mǎn)足作為瀝青混合料集料的基本性能，需進(jìn)一步研究其配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行路用性能評(píng)價(jià)。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)[5]，該項(xiàng)目所處區(qū)域按瀝青路面氣候分區(qū)屬于2-3-2區(qū)，為溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，受低溫影響嚴(yán)重，易產(chǎn)生裂縫類(lèi)病害[6]，因此上面層采用AC-13C型混合料，中面層采用AC-20F型混合料，下面層采用AC-25F型混合料。參照《公路瀝青路面施工規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]，以級(jí)配范圍和關(guān)鍵篩孔通過(guò)率為分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)得到的各面層礦料級(jí)配見(jiàn)表3。

表3 瀝青路面面層的混合料礦料級(jí)配

礦質(zhì)混合料級(jí)配確定后，按照馬歇爾試驗(yàn)方法確定最佳油石比。三種混合料最佳油量的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 路用性能改進(jìn)方案

考慮到破碎卵石本身屬于酸性石料，為使瀝青與集料之間黏附性達(dá)到規(guī)范要求，在瀝青中加入一定量的抗剝落劑。采用重慶圣墾道路工程技術(shù)有限公司產(chǎn)AR瀝青抗剝落劑，分別對(duì)0.3%、 0.4%和0.5%三個(gè)不同摻量的瀝青混合料進(jìn)行集料的黏附性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，0.3%摻量的石料黏附性能達(dá)到最高等級(jí)5級(jí)，瀝青膜完全保存，剝離面積百分率接近于0，滿(mǎn)足施工要求，確定為最佳摻量。

表4 瀝青混合料最佳油量馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步改善破碎卵石與瀝青的黏附性，堿化骨料，提高瀝青混合料的路用性能，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究及實(shí)踐總結(jié)[8-10]，提出了以下幾種改善酸性集料瀝青混合料路用性能的措施：（1）使用改性瀝青；（2）將水泥或消石灰作為填料的一部分，部分替代石灰石礦粉；（3）在瀝青中摻加抗剝落劑，如胺類(lèi)化合物或非胺類(lèi)化合物；（4）用石灰?guī)r或玄武巖等酸性或堿性細(xì)集料部分或者全部代替酸性石料細(xì)集料。

該項(xiàng)目從實(shí)際出發(fā)，提出采用摻加抗剝落劑，用水泥替代部分礦粉，以這兩種單一或綜合的措施來(lái)改善破碎卵石瀝青混合料的路用性能。據(jù)此，制定了4種對(duì)比試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方案的具體措施見(jiàn)表5。

表5 4種試驗(yàn)方案的具體措施

由于高溫車(chē)轍是一般地區(qū)瀝青路面病害的主要形式，西藏高海拔地區(qū)氣溫較低，因此該項(xiàng)目中不對(duì)高溫性能做過(guò)多要求[9]。

3.2 低溫性能檢驗(yàn)

低溫開(kāi)裂是瀝青路面的常見(jiàn)病害之一。該項(xiàng)目地處西藏林芝高海拔地區(qū)，面臨常年低溫、日溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈等環(huán)境氣候條件，瀝青路面極易產(chǎn)生溫縮裂縫，且比一般寒冷地區(qū)瀝青路面的裂縫間距更小，裂縫出現(xiàn)時(shí)間更早，嚴(yán)重影響著瀝青路面的使用性能和壽命。因此，在該地區(qū)修建瀝青道路使用的瀝青混合料必須具備良好的低溫抗裂性能。該項(xiàng)目采用間接拉伸試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn))和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)破碎卵石瀝青混合料的低溫抗裂性能[11-15]。

劈裂試驗(yàn)的結(jié)果表明，方案II、III和Ⅳ的脆化點(diǎn)溫度都接近-20℃，而方案I即不添加水泥和抗剝落劑的混合料脆化點(diǎn)溫度接近-10℃，說(shuō)明各種抗剝離措施均能降低瀝青混合料的脆化點(diǎn)溫度，提高其低溫抗裂性能。同一溫度下，劈裂抗拉強(qiáng)度越大，混合料的低溫性能越好?？傮w來(lái)看，各種抗剝離措施的低溫性能改善效果為：方案IV＞方案II或III。

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的結(jié)果表明，相比方案I、II和III，方案IV在各個(gè)溫度下有較大的破壞彎拉強(qiáng)度、破壞彎拉應(yīng)變，較小的彎曲勁度模量，其中方案IV的彎曲破壞強(qiáng)度最大，破壞彎拉應(yīng)變最大，彎曲勁度模量最小。這說(shuō)明當(dāng)采取綜合的抗剝離措施后，破碎卵石瀝青混合料的低溫性能明顯改善?？傮w來(lái)說(shuō)，三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)結(jié)果與之前間接拉伸的試驗(yàn)結(jié)果保持一致，即同時(shí)摻雜水泥和抗剝落劑時(shí)的低溫抗裂性能最好。

3.3 水穩(wěn)性能檢驗(yàn)

瀝青混合料在浸水條件下，由于瀝青與礦料的黏附力降低，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，進(jìn)而產(chǎn)生水損害。抗水損害能力是瀝青混合料路用性能重要組成部分，破碎卵石集料應(yīng)用于瀝青路面的關(guān)鍵在于提高酸性集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性。該項(xiàng)目根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ052-2000)》[16]的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)破碎卵石瀝青混合料的水穩(wěn)定性。4種不同試驗(yàn)方案的凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 4種試驗(yàn)方案下的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，方案I的凍融劈裂強(qiáng)度比勉強(qiáng)能滿(mǎn)足規(guī)范要求，說(shuō)明普通破碎卵石瀝青混合料的水穩(wěn)定性有待提高。方案II、III、Ⅳ的凍融劈裂強(qiáng)度比與方案I相比，分別提高了9.2%～14.1%，均達(dá)到了規(guī)范要求，說(shuō)明不同的抗剝離措施均能提高破碎卵石瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，采取摻水泥的措施對(duì)混合料水穩(wěn)定性的改善效果不如摻抗剝落劑的措施。這可能是由于水泥具有較大的吸油性，使混合料的流動(dòng)性變差，難以擊實(shí)，空隙率相對(duì)較大。對(duì)比方案Ⅳ與方案II、III的改善效果，同時(shí)摻抗剝落劑和水泥，比只摻水泥或抗剝落劑的方案效果更明顯。因此，該項(xiàng)目選用同時(shí)摻加水泥和抗剝落劑的方法來(lái)提高瀝青混合料的水穩(wěn)性能。

3.4 疲勞性能檢驗(yàn)

疲勞破壞是瀝青路面主要的破壞模式之一，而該項(xiàng)目所處西藏林芝高海拔地區(qū)，空氣稀薄、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，瀝青材料老化速度較快，因此也更容易導(dǎo)致瀝青材料的疲勞破壞。該項(xiàng)目采用小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)評(píng)估破碎卵石瀝青混合料的疲勞性能[17]，這也是目前運(yùn)用最廣泛的疲勞試驗(yàn)方法。表7為不同類(lèi)型破碎卵石瀝青混合料在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命。

表7 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表7可以看出，不同類(lèi)型的破碎卵石瀝青混合料的疲勞壽命隨應(yīng)變水平的增加而減小。方案II在三種應(yīng)變水平下的疲勞壽命次數(shù)與方案I的差別不大，說(shuō)明抗剝落劑的加入對(duì)破碎卵石瀝青混合料的疲勞壽命影響不顯著。方案IV的疲勞壽命在各個(gè)應(yīng)變水平下，均大于方案I和方案II，當(dāng)應(yīng)變水平為200 με，400 με和600 με時(shí)，方案IV的疲勞壽命依次為方案I的1.3倍、1.5倍和1.4倍。說(shuō)明用水泥替代部分礦粉后能夠顯著改善混合料的疲勞性能。

4 結(jié) 論

該項(xiàng)目研究成果能夠改善破碎卵石瀝青混凝土路面的抗水損害能力，有效提高瀝青路面的路用性能，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，減少日后的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。該項(xiàng)目的推廣應(yīng)用，將減少高速公路建設(shè)對(duì)優(yōu)質(zhì)石料的依賴(lài)，有利于緩解優(yōu)質(zhì)石料日益匱乏的局面，對(duì)于降低工程造價(jià)、加快工程建設(shè)周期有積極意義。此外，該項(xiàng)目的研究成果，能為卵石集料在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持和保障，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

（1）該項(xiàng)目選用高原河灘地帶的卵石進(jìn)行加工破碎，成品各粒徑集料的物理指標(biāo)能夠滿(mǎn)足道路設(shè)計(jì)和施工使用。

（2）西藏高海拔地區(qū)在選擇瀝青結(jié)合料時(shí)，應(yīng)該選擇標(biāo)號(hào)略高一些的瀝青，但也不宜過(guò)高，因?yàn)楦邩?biāo)號(hào)的瀝青一般黏度較低，容易導(dǎo)致混合料產(chǎn)生松散等病害。對(duì)于本地區(qū)，瀝青的針入度宜控制在90左右。

（3）分析藏區(qū)高海拔公路的氣候和路面調(diào)查結(jié)果認(rèn)為，最關(guān)鍵的路用性能是瀝青混合料的水穩(wěn)性能、低溫抗裂性能和疲勞性能，高溫穩(wěn)定性不作為本地區(qū)瀝青混合料設(shè)計(jì)考慮的主要指標(biāo)。這是與一般地區(qū)存在明顯區(qū)別的地方。

（4）通過(guò)用水泥替代礦粉和添加抗剝落劑，能夠在很大程度上改善破碎卵石瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。實(shí)驗(yàn)表明，同時(shí)添加水泥和抗剝落劑能最大限度提升瀝青混合料的路用性能。

[1]張偉.破碎卵石在瀝青路面中的應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[2]張海偉,郝培文,梁建軍.破碎卵石瀝青混凝土在新疆地區(qū)的應(yīng)用研究[J].公路工程,2013,38(4):183-186.

[3]曹志偉.破碎卵石混凝土在農(nóng)村公路路面工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2010,36(35):258-259.

[4]張偉.破碎卵石瀝青混合料路用性能研究[J].市政技術(shù),2015(3): 182-185.

[5]JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]Zhang L,Wang X.Optimal bitumen-aggregate ratio selection method of hot mix asphalt based on closest compaction condition [J].Journal of Testing and Evaluation,2009,37(5):1-5.

[7]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[8]邱穎峰,梁亞軍,許志鴻.對(duì)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)判斷標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)研究[J].公路交通科技,2008,25(8):10-14.

[9]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[10]Janoo V.Quantification of shape,angularity,and surface texture ofbase course materials [R].Cold regions research and engineering lab hanover nh,1998.

[11]Furnas C C.Flow of gases through beds of broken solids[M].US Government Printing Office,1929.

[12]朱夢(mèng)良,張起森,陳強(qiáng).瀝青瑪蹄脂碎石混合料的集料級(jí)配優(yōu)化[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2001,14(2):1-5.

[13]馬霞,肖剛.破碎卵石瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)研究[J].石油瀝青,2013(3):39-42.

[14]李立寒,張南鷺.道路建筑材料.[M].北京：人民交通出版社, 2005.

[15]孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 2003.

[16]JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[17]JTG E42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

U416.217

A

1009-7716（2017）03-0228-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.063

2016-12-21

劉潤(rùn)喜（1979-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，從事路橋施工管理工作。