花崗巖隧道洞渣在AC-20C瀝青混合料中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)瀝青混合料用集料匱乏問題，通過室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)體驗(yàn)證，探究了花崗巖隧道洞渣在瀝青混合料中的適用性，分析了花崗巖隧道洞渣生產(chǎn)質(zhì)量控制方法，研究了花崗巖隧道洞渣瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：花崗巖隧道洞渣提高與瀝青黏附性后，可用于瀝青路面中、下面層粗集料?，F(xiàn)場(chǎng)采用三級(jí)破碎和除塵相結(jié)合工藝，可生產(chǎn)顆粒形狀和粉塵含量滿足要求的粗集料?；◢弾r隧道洞渣粗集料的AC-20C瀝青混合料的70℃動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比分別為4981次/mm、89.6%、83.9%，滿足技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：道路工程；花崗巖；隧道洞渣；瀝青混合料

中圖分類號(hào)：TU 535" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)公路建設(shè)重心正向中西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，在山巒起伏地區(qū)常出現(xiàn)大量隧道群，公路沿線隧道總長(zhǎng)占比日益增加[1]，易產(chǎn)生大量的隧道洞渣且不能充分利用。為綜合利用隧道洞渣，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將隧道洞渣用于路基填筑工程、回填和防護(hù)工程、混凝土工程以及水泥穩(wěn)定碎石基層中[2-6]，并形成了成套的利用技術(shù)[7]，但整體利用率仍然較低。由于隧道洞渣不能滿足瀝青混合料集料的標(biāo)準(zhǔn)，且缺乏成套的利用技術(shù)，因此工程很少將隧道洞渣用于瀝青混合料中。

堿性石料在我國(guó)分布較為廣泛，通常選用堿性或中性巖石加工集料，但修建酸性巖石山區(qū)高速公路時(shí)，常須遠(yuǎn)運(yùn)優(yōu)質(zhì)堿性集料，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保[8]。以某山區(qū)高速公路項(xiàng)目為例，項(xiàng)目路線長(zhǎng)約54 km，需要瀝青混凝土約35萬(wàn)m3，隧道棄渣約123萬(wàn)m3，其中優(yōu)質(zhì)洞渣（圍巖級(jí)別小于III級(jí)）約50%。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，山體巖石為不同風(fēng)化程度的加里東期花崗巖和砂巖，堿性優(yōu)質(zhì)集料運(yùn)距在300 km以上。

1 花崗巖巖隧道洞渣在瀝青混合料中的適用性研究

1.1 隧道洞渣成分及表面微觀分析

1.1.1 X射線熒光光譜分析

采用X射線熒光光譜分析，對(duì)隧道洞渣化學(xué)成分進(jìn)行研究，分析結(jié)果見表1。

由表1可知，隧道洞渣主要化學(xué)成分為氧化硅，含量大于65%，為酸性石料。其硬質(zhì)成分（氧化硅、氧化鋁、氧化鐵）含量約為87%。

1.1.2 巖石薄片分析

采用薄片鑒定法對(duì)隧道洞渣進(jìn)行巖石薄片分析，分析結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可知，隧道洞渣為花崗巖，其石英、長(zhǎng)石等硬質(zhì)和耐磨成分達(dá)到90%，力學(xué)性質(zhì)較好。

1.1.3 表面微觀分析

為分析花崗巖隧道洞渣表面微觀特性，將表面放大不同倍數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，其表面微觀形貌如圖1所示。

由圖1可知，花崗巖隧道洞渣表面大部分呈光滑狀態(tài)，比表面積小，吸附瀝青能力弱，且花崗巖隧道洞渣為酸性，與瀝青黏附性差。當(dāng)保證正常油膜厚度時(shí)，瀝青用量較大，在行車荷載作用下，易出現(xiàn)路面“泛油”情況。如果降低瀝青用量，那么瀝青膜厚度不足，會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料耐久性降低。

1.2 隧道洞渣集料技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)

1.2.1 力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)

檢測(cè)隧道洞渣的單軸保水抗壓強(qiáng)度、壓碎值、磨耗值來評(píng)價(jià)隧道洞渣的力學(xué)性質(zhì)，具體檢測(cè)結(jié)果見表3。

由表3可知，花崗巖隧道洞渣的單軸飽水抗壓強(qiáng)度為85.5MPa，大于60MPa，滿足細(xì)集料加工要求。壓碎值、洛杉磯磨耗值滿足各面層技術(shù)要求，但洛杉磯磨耗值中的1個(gè)檢測(cè)值突破上面層的技術(shù)要求，因此不推薦用作上面層集料。

1.2.2 物理、化學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)

花崗巖隧道洞渣的表觀相對(duì)密度、吸水率、pH、堿值和黏附性檢測(cè)結(jié)果見表4。

由表4可知，花崗巖隧道洞渣的表觀相對(duì)密度大于2.6，吸水率小于1%，滿足各面層的技術(shù)要求。pH值呈弱堿性，與化學(xué)成分分析的酸堿性不符，表明集料表面酸堿性受外部環(huán)境影響較大?；◢弾r隧道洞渣堿值較低，與瀝青黏附性為3級(jí)，不滿足要求。

1.3 隧道洞渣在瀝青混合料中的適用性分析

花崗巖隧道洞渣力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)接近上面層技術(shù)要求，不宜用作上面層集料，因此推薦用于中下面層集料。但其與瀝青黏附性等級(jí)僅為3級(jí)，不滿足技術(shù)要求。考慮現(xiàn)有路面用料緊缺，因此采取措施提高其與瀝青的黏附性后，可將花崗巖隧道洞渣用作瀝青路面中下面層粗集料。

2 花崗巖隧道洞渣集料生產(chǎn)質(zhì)量控制

2.1 隧道洞渣母材質(zhì)量控制

隧道洞渣具有質(zhì)量不均勻、潔凈程度低的特點(diǎn)，且通常集中堆放，對(duì)成品質(zhì)量控制不利。為控制母材質(zhì)量，須人工挑選剔除質(zhì)量不高的隧道洞渣。通過人工篩選的方式可大幅提高隧道洞渣母材質(zhì)量。

2.2 隧道洞渣加工工藝

2.2.1 隧道洞渣的破碎工藝

硬質(zhì)成分達(dá)90%的花崗巖隧道洞渣，破碎難度大，對(duì)機(jī)械磨損嚴(yán)重。因此，須選用擠壓破碎原理的設(shè)備（例如顎式破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)等）破碎，并增加整形設(shè)備（例如反擊破、立軸式?jīng)_擊破），采用三級(jí)破碎工藝進(jìn)行破碎。

2.2.2 隧道洞渣加工降塵工藝

隧道洞渣潔凈程度較低，集料表面較多的粉塵會(huì)大幅降低與瀝青的黏附性，因此須嚴(yán)格控制粉塵含量。在加工過程中，采用多步驟降塵工藝：首先，在進(jìn)料口前配置帶篩網(wǎng)的振動(dòng)喂料機(jī)，篩除泥土、雜質(zhì)。其次，在粗碎設(shè)備和中碎設(shè)備之間增加振動(dòng)篩，將泥土和粉塵篩除。最后，采用引風(fēng)式除塵設(shè)備除塵，引風(fēng)管安裝在中碎、細(xì)碎設(shè)備、振動(dòng)篩和皮帶下料口處，去除產(chǎn)生的粉塵。

花崗巖隧道洞渣加工工藝示意圖如圖2所示。

2.3 隧道洞渣加工成品質(zhì)量檢測(cè)

按照上述工藝加工花崗巖隧道洞渣，針片狀含量和粉塵含量檢測(cè)結(jié)果見表5。

根據(jù)表5的檢測(cè)結(jié)果可知，成品集料表面較潔凈，顆粒形狀接近立方體，針片狀含量和粉塵含量能滿足技術(shù)要求。

3 花崗巖隧道洞渣瀝青混合料路用性能研究

3.1 瀝青混合料水穩(wěn)定性改善措施

采用水泥替代部分礦粉的方式改善花崗巖隧道洞渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性，替代礦粉的比例為礦料質(zhì)量的1%～2%，摻加的方式：首先把水泥粉與集料干拌均勻，其次加入瀝青進(jìn)行濕拌，最后添加礦粉拌和均勻。

3.2 AC-20C配合比設(shè)計(jì)

為提高花崗巖隧道洞渣瀝青混合料AC-20C的水穩(wěn)定性，按照以下配置混合料的原材料：瀝青采用SBS（I-D）改性瀝青，填料采用石灰?guī)r磨制的礦粉和P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，細(xì)集料采用中性的隧道洞渣砂巖制備，粗集料采用花崗巖隧道洞渣加工的集料。所用集料主要技術(shù)指標(biāo)見表6～表8。

利用上述原材料采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

3.3 AC-20C路用性能

用車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)花崗巖隧道洞渣瀝青混合料的高溫和水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

由表9可知，花崗巖隧道洞渣瀝青混合料AC-20C的70℃動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比分別為4981次/mm、89.6%、83.8%，采用水泥替代部分礦粉后的花崗巖隧道洞渣瀝青混合料的路用性能滿足技術(shù)要求。因此，改善與瀝青的黏附性后，花崗巖隧道洞渣可以用作瀝青路面中下面層粗集料。

4 結(jié)論

花崗巖隧道洞渣硬質(zhì)、耐磨成分達(dá)90%，具有密度適中、吸水率小、力學(xué)性質(zhì)較好的特性，但其與瀝青的黏附性等級(jí)不滿足面層瀝青混合料要求。

花崗巖隧道洞渣采用顎式破碎機(jī)+圓錐式破碎機(jī)+反擊式破碎機(jī)（整形）的三級(jí)破碎工藝，成品集料能獲得較好的顆粒形狀，采用預(yù)制篩網(wǎng)和引風(fēng)式除塵相結(jié)合的多步驟降塵工藝可去除碎石中的粉塵。

花崗巖隧道洞渣瀝青混合料AC-20C的70℃動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比分別為4981次/mm、89.6%、83.8%，滿足面層瀝青混合料技術(shù)要求。因此，改善洞渣與瀝青的黏附性后，花崗巖隧道洞渣適合用作瀝青路面中下面層粗集料。

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