石棉尾礦用于高速公路中面層的目標(biāo)配合比設(shè)計研究

摘 要：文章將石棉尾礦用做瀝青混合料的集料，對礦料級配進行優(yōu)化設(shè)計，取工程設(shè)計級配范圍的上值、中值及下值，并基于EXCEL的線性規(guī)劃求解功能，求得三種初選合成級配下各檔集料的摻配質(zhì)量比例；根據(jù)馬歇爾試驗配合比設(shè)計方法，分別采用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%五種油石比成型馬歇爾試件，獲得AC20C中面層目標(biāo)配合比的最佳油石比為4.52%，并通過車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗驗證其路用性能。試驗結(jié)果均滿足規(guī)范要求，說明石棉尾礦用作高速公路中面層AC20C瀝青混合料集料是可行的。

關(guān)鍵詞：高速公路；中面層；石棉尾礦；目標(biāo)配合比

中圖分類號：U416.2

0"引言

我國是全球最大的石棉生產(chǎn)和消費國之一，石棉在建筑、化工、電器等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在石棉生產(chǎn)和利用過程中會產(chǎn)生大量的石棉尾礦［1］。石棉尾礦不但污染環(huán)境，還嚴重威脅人類健康和安全。綜合利用石棉尾礦對于公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，充分貫徹了國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型行業(yè)的工作要求。

關(guān)于石棉尾礦的綜合利用，國內(nèi)外已有很多研究，主要是基于對石棉尾礦的有價組分提取工藝，將石棉尾礦應(yīng)用于制備納米多孔氧化硅、陶瓷、微晶玻璃、硅酸鈣保溫材料和高技術(shù)新材料等［2］。對于石棉尾礦在道路工程中的應(yīng)用也有相關(guān)研究，主要是應(yīng)用于瀝青混合料集料［3］、水泥混凝土集料［4］、基層底基層［5-6］。本文將石棉尾礦應(yīng)用于道路中面層AC-20C中粒式瀝青混凝土中，依托雅瀘高速公路的具體情況進行目標(biāo)配合比設(shè)計，提出了最優(yōu)的礦料級配和瀝青用量，對其筑路適用性展開研究。

1"原材料概況

本文依托雅瀘高速公路途經(jīng)的四川省石棉縣境內(nèi)的石棉尾礦用作筑路材料展開研究。瀝青混合料的原材料主要有瀝青結(jié)合料和集料。雅瀘高速公路沿線屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，中面層選用的基質(zhì)瀝青是AH-70道路普通石油瀝青。瀝青測試結(jié)果見表1。

粗集料采用石棉縣亮亮碎石場提供的蛇紋橄欖巖碎石（石棉尾礦），規(guī)格分別為1#料（19～26.5 mm）、2#料（9.5～19 mm）、3#料（4.75～9.5 mm）、4#料（2.36～4.75 mm）。細集料同樣采用石棉縣亮亮碎石場的機制砂，其規(guī)格

為5#料（0～2.36 mm）。礦粉采用泰昌建材集團有限公司提供的石灰石礦粉。中面層集料的各項技術(shù)指標(biāo)如表2～4所示。

根據(jù)原材料試驗結(jié)果，瀝青、粗集料、細集料和礦粉的各項技術(shù)指標(biāo)都符合規(guī)范要求。

2"礦料級配設(shè)計

根據(jù)目前的研究成果，瀝青混合料的耐久性主要依賴于礦料級配的嵌擠作用［7］，而嵌擠作用與礦料級配密切相關(guān)。因此，優(yōu)選礦料級配至關(guān)重要。

2.1"初選礦料級配

中面層選用AC-20C型瀝青混合料，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）［8］（以下簡稱《規(guī)范》）要求，在該級配范圍內(nèi)初步選取了3組礦料合成級配（見表5），No.1級配位于工程設(shè)計級配范圍的下方，屬于粗型密級配；No.3級配位于工程設(shè)計級配范圍的上方，屬于細型密級配，而No.2級配位于工程設(shè)計級配范圍的中值（見下頁圖1）。中面層的三組初選礦料合成級配No.1、No.2、No.3組成情況如表6所示。

根據(jù)三種初選礦料合成級配，按照表7中1#～5#料及礦粉的篩分情況，基于EXCEL的線性規(guī)劃求解功能，求得三種初選合成級配下的各檔集料的摻配質(zhì)量比例。對該計算結(jié)果稍加調(diào)整即可確定三種初選級配中各檔集料的摻配比例，調(diào)整后的摻配比例結(jié)果見表8。

2.2"確定中面層的礦料級配

選擇4.5%為初始油石比，按照集料摻配比例成型馬歇爾試件，并測試其體積參數(shù)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果見表9。

AC-20C瀝青混合料的孔隙率VV設(shè)計要求范圍為3%～5%，礦料間隙率VMA的最小值范圍為12%～14%，瀝青飽和度VFA的設(shè)計要求范圍是65%～80%。在三組初選級配都滿足的條件下，取設(shè)計孔隙率中值（4%）時對應(yīng)的礦料級配，即No.2作為最佳級配。

3"最佳瀝青用量

根據(jù)馬歇爾試驗配合比設(shè)計方法，在No.2礦料級配的基礎(chǔ)上，分別使用3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%五種油石比成型馬歇爾試件，并測試馬歇爾試件的體積參數(shù)和力學(xué)性能指標(biāo)，試驗結(jié)果見表10。根據(jù)毛體積密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率、瀝青飽和度與油石比的關(guān)系曲線，得到瀝青混凝土AC-20C中面層目標(biāo)配合比的最佳油石比為4.52%。

4"路用性能試驗

在目標(biāo)配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上，為檢驗瀝青混合料的使用性能，根據(jù)《規(guī)范》的要求進行了高溫穩(wěn)定性試驗和水穩(wěn)定性試驗。高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗來反映，瀝青混合料的水穩(wěn)定性采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來反映。另外，還進行了試件滲水試驗。檢測結(jié)果見表11。由表11的數(shù)據(jù)可知，各種路用性能參數(shù)均滿足《規(guī)范》要求。

5"結(jié)語

本文以馬歇爾試驗配合比設(shè)計方法為依據(jù)，對石棉尾礦用于高速公路中面層的目標(biāo)配合比設(shè)計進行了研究，得到了以下結(jié)論：

（1）石棉尾礦中面層采用AC-20C型瀝青混合料，油石比為4.52%，孔隙率為4.0%，經(jīng)高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、滲水系數(shù)試驗檢驗，均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）AC-20C型瀝青混合料中各檔集料的摻配比例為1#料∶2#料∶3#料∶4#料∶5#料∶礦粉=20.5∶26.0∶15.0∶4.0∶31.5∶3.0。

參考文獻：

［1］吳春香，宋鵬程，孫紅娟，等. 溫石棉及尾礦資源化利用研究進展［J］. 中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2014（4）：6-9.

［2］宋鵬程，彭同江，孫紅娟，等. 纖蛇紋石石棉尾礦綜合利用新進展［J］. 中國非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2016（2）：14-17.

［3］李 軍，徐林榮，劉小明. 石棉尾礦用作瀝青混合料集料特性研究［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011，8（5）：31-34.

［4］徐林榮，周 堯，蔣建國，等. 石棉尾礦用于筑路混凝土粗集料性能試驗研究［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2010，7 （5）：47-49.

［5］陳宏偉，徐林榮，左 珅. 石棉尾礦在（底）基層中應(yīng)用的試驗研究［J］. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2014，31 （4）：28-32，38.

［6］劉小明，徐林榮，黃幼民. 石棉尾礦高速公路水穩(wěn)基層材料的研究［J］. 公路工程，2010，35（5）： 44-47.

［7］應(yīng)榮華，鄭健龍. AC-20Ⅰ中面層瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計［J］. 中外公路，2005，25（3）：34-36.

［8］JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.20240421