閃長巖在高模量瀝青混合料上面層中的應(yīng)用研究

張 珂

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

西安高新區(qū)唐遺址公園南延伸綠廊工程（一期）二標(biāo)段，南起濱河北路，北至緯三十路，全長約5.4km，按“雙向8快2慢”的主干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度60km/h。本項(xiàng)目機(jī)動車道路面采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，總厚度18cm，具體為4cm厚高模量瀝青混合料上面層（BBME-13）+6cm厚高模量瀝青混合料中面層（EME-16）+8cm厚高模量瀝青混合料下面層（EME-20）+1cm改性瀝青稀漿封層（ES-3型）。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖的要求，該項(xiàng)目在交通量達(dá)到飽和狀態(tài)時的道路設(shè)計(jì)年限為20年，屬于高等級路面。為了達(dá)到設(shè)計(jì)年限等要求，建設(shè)單位提出瀝青使用性能更好的高模量天然瀝青，對石料也提出了很高的要求。通過料源調(diào)查，發(fā)現(xiàn)陜西省商洛市商州區(qū)楊斜鎮(zhèn)郭灣村田溝口閃長巖礦的閃長巖材料儲量較大，如果就地取材，可以大大緩解碎石材料供應(yīng)。用閃長巖替代玄武巖和輝綠巖用于瀝青混合料上面層，有利于解決碎石材料短缺的問題，降低工程造價(jià)。

1 閃長巖材料研究分析

1.1 巖性分析

通過查閱資料，閃長巖為典型的中性巖，整體呈暗灰色。其中主要成分為白色的斜長石和幾種暗色物質(zhì)（如深色的角閃石），后者總量一般為20%～35%，還含有少量的輝石、黑云母和石英等。典型的閃長巖結(jié)構(gòu)多半為半自形粒狀，斜長石晶體常呈板狀，集合體成粒狀，白色或灰白色。其化學(xué)成分介于酸性、基性巖之間，SiO2含量52%～65%，F(xiàn)eO、Fe2O3、MgO各約3%～5%，Al2O3約16%～17%，Na2O約3%，K2O約2%。根據(jù)石英含量和暗色礦物種類，閃長巖可分為云英閃長巖、石英閃長巖、花崗閃長巖[1]。

為了進(jìn)一步確定陜西省商洛市商州區(qū)楊斜鎮(zhèn)郭灣村田溝口石料場閃長巖礦的巖石類別和成分，在石場巖料源地取巖石送樣到中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心進(jìn)行巖性分析檢測。檢測結(jié)果表明，該巖石樣品主要礦物成分為石英、斜長石、鉀長石、黑云母等。斜長石多于鉀長石，暗色礦物則以角閃石為主，其余為黑云母。伴生主要礦物為銅、鐵等，屬于花崗閃長巖。

巖石風(fēng)化面呈灰綠色，新鮮面呈灰色，顯微特征為細(xì)粒花崗結(jié)構(gòu)，可見小顆粒的長柱狀角閃石斑晶，塊狀構(gòu)造。巖石由斜長石50%、鉀長石15%、石英25%、角閃石5%、黑云母5%組成。斜長石呈灰白色，半自形板狀，粒徑0.2mm～2mm；鉀長石，他形粒狀，粒徑0.2mm～2mm；石英，灰色，他形粒狀，粒徑0.2mm～2mm；角閃石，黑色，半自形柱狀，粒徑0.2mm～2mm；黑云母，黑色片狀，粒徑0.2mm～1mm，其中SiO2含量59.7%。

1.2 常規(guī)性能檢測

按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F 40-2004）[2]中高等級路面表面層用粗集料的技術(shù)要求，粗集料應(yīng)潔凈、干燥、表面粗糙，具有足夠的強(qiáng)度和磨耗性，較高的磨光值。

考慮到集料在進(jìn)入拌和機(jī)前需經(jīng)200℃以上的高溫，有些石料可能因此發(fā)生質(zhì)量上的變化。故將花崗閃長巖碎石加熱后進(jìn)行壓碎值試驗(yàn)，結(jié)果為10.6%，與常溫下并無明顯差異。說明花崗閃長巖碎石在高溫（190±2℃）條件下抵抗壓碎的能力是穩(wěn)定的。

綜上所述，花崗閃長巖碎石的強(qiáng)度、耐磨耗性能和抗磨光性能等主要技術(shù)指標(biāo)均能滿足規(guī)范中上面層的技術(shù)要求。

2 高模量天然瀝青材料研究

本項(xiàng)目采用的高模量瀝青又稱為高模量天然瀝青，由西安眾力瀝青有限公司生產(chǎn)。這種瀝青具有優(yōu)異的路用性能：耐高溫、耐老化、耐候、耐疲勞、耐水損，特別適用于重載交通、高溫等極端氣候環(huán)境，具有壽命長、透水性好等特點(diǎn)。

該公司生產(chǎn)的高模量瀝青具有針入度低、軟化點(diǎn)高、分子量大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)檢測，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《天然瀝青高模量混合料施工技術(shù)規(guī)范》（DB61/T 1332-2020）[3]的要求。

3 高模量瀝青與集料的黏附性評價(jià)

黏附性是表征集料表面瀝青膜抗剝落與抗破損的能力，是瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。黏附性不足，易導(dǎo)致瀝青路面松散、坑槽等一系列水損害。通過查閱相關(guān)資料，花崗閃長巖是花崗巖向閃長巖過渡的一種中性偏酸性巖石，瀝青也偏酸性，根據(jù)瀝青與集料的化學(xué)反應(yīng)理論，堿性石料與瀝青的黏附性最好，其次是中性石料，酸性石料最差。由于閃長巖在陜西地區(qū)作為上面層瀝青路面集料應(yīng)用和相關(guān)研究較少，所以有必要對閃長巖的黏附性指標(biāo)進(jìn)行分析，以評價(jià)其作為上面層集料的可行性。

首先選取有代表性的玄武巖、輝綠巖、石灰?guī)r、花崗閃長巖、花崗巖等集料和高模量天然瀝青樣品，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）[4]中水煮法的規(guī)定進(jìn)行黏附性試驗(yàn)。在微沸狀態(tài)下的水中浸煮3min后，各集料的瀝青膜完全保存，剝離面積百分率為0%。黏附性評價(jià)均為5級。這是由于高模量天然瀝青黏度比較大，油膜較厚，水在3min內(nèi)無法突破瀝青膜，浸煮時基本不會剝落。因此水煮法對評價(jià)集料與高模量天然瀝青的黏附性幾乎是失效的。

為了進(jìn)一步分析花崗閃長巖與高模量天然瀝青的黏附性，本次研究在水煮法的基礎(chǔ)上做了如下改進(jìn)：（1）以沸煮狀態(tài)的水替代原方法中的微沸狀態(tài)的水，加強(qiáng)了水對瀝青膜的沖擊作用，加快剝落，縮短試驗(yàn)時間；（2）不再以剝落面積來評價(jià)黏附性，而是以瀝青膜完全剝落的時間作為評價(jià)瀝青與集料黏附性的指標(biāo)。

該方法稱為沸煮法，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)過程加劇了水對集料與瀝青的影響，試驗(yàn)條件更加嚴(yán)苛，以瀝青膜完全從集料表面剝落的時間作為評價(jià)黏附性的指標(biāo)，瀝青完全剝離的現(xiàn)象明顯且易判斷，相比水煮法更加客觀、準(zhǔn)確且操作簡單，可以更好地區(qū)分不同巖性的集料與瀝青黏附性的強(qiáng)弱[5]。本次研究按照沸煮法，選取2種瀝青（高模量天然瀝青HMB-W和基質(zhì)瀝青AH-70#）和5種不同的集料（分別為玄武巖、輝綠巖、石灰?guī)r、花崗閃長巖、花崗巖）進(jìn)行黏附性評價(jià)。

從試驗(yàn)結(jié)果可知：（1）基質(zhì)瀝青與集料的黏附時間從大到小依次為石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、花崗閃長巖、花崗巖；（2）除花崗巖以外，高模量天然瀝青與石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、花崗閃長巖的黏附時間均達(dá)到1200s以上。

綜上所述，高模量天然瀝青與集料的黏附性要優(yōu)于基質(zhì)瀝青，花崗閃長巖與高模量天然瀝青的黏附性可以與常用的玄武巖、輝綠巖等集料達(dá)到同樣的水平。事實(shí)上，黏附性僅僅作為初選集料品種的參考性指標(biāo)。即使像花崗巖這樣酸性巖石的黏附性評價(jià)等級較低時，只要摻加抗剝落劑就能使黏附性提高到需要的效果。目前主要的抗剝落劑為消石灰和水泥。當(dāng)摻加消石灰或水泥后，需要重新設(shè)計(jì)配合比，將設(shè)計(jì)的最佳瀝青用量增加0.2%～0.4%左右。

4 閃長巖集料配制BBME-13高模量天然瀝青混合料

西安高新區(qū)唐遺址公園南延伸綠廊項(xiàng)目道路工程上面層采用BBME-13高模量天然瀝青混合料，瀝青采用西安眾力瀝青有限公司生產(chǎn)的HMB-W型高模量天然瀝青。粗集料采用陜西省商洛市商州區(qū)楊斜鎮(zhèn)郭灣村田溝口石料場生產(chǎn)的花崗閃長巖碎石，混合料礦料級配組成如表1所示。

表1 BBME-13高模量瀝青混合料礦料合成級配設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和《天然瀝青高模量混合料施工技術(shù)規(guī)范》中的要求，通過試驗(yàn)，確定油石比范圍控制在6.0%~6.4%，最佳油石比為6.2%。

綜上所述，BBME-13高模量天然瀝青混合料生產(chǎn)配合比為11mm~16mm碎石∶6mm~11mm碎石∶3mm~6mm碎石∶0~3mm石屑∶礦粉=24%∶22%∶16%∶34%∶4%，最佳油石比為6.2%。

5 閃長巖集料配制高模量天然瀝青混合料的路用性能研究

BBME-13高模量天然瀝青混合料路用性能檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，利用花崗閃長巖集料設(shè)計(jì)組成的BBME-13高模量天然瀝青混合料性，其能均能符合設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范的技術(shù)要求。由此可見，陜西商洛地區(qū)發(fā)現(xiàn)的花崗閃長巖在高模量天然瀝青的加持下，性能得到了很好地發(fā)揮，其作為高模量瀝青路面上面層集料完全可行。經(jīng)測算，本項(xiàng)目全部使用花崗閃長巖比全部使用玄武巖或輝綠巖節(jié)約費(fèi)用約140余萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。閃長巖集料各項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不低于玄武巖和輝綠巖，符合國家可持續(xù)發(fā)展、綠色施工的行業(yè)需求，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

表2 BBME-13高模量天然瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

本文通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，深入分析了花崗閃長巖集料的巖石組成和物理特性，結(jié)合已有研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，在沸煮法的基礎(chǔ)上對閃長巖集料和其他巖性集料的黏附性進(jìn)行比較。研究探索出一套針對閃長巖作為4cm厚BBME-13高模量天然瀝青混凝土上面層集料合理的配合比，并對其路用性能和耐久性等指標(biāo)進(jìn)行檢測分析，驗(yàn)證了花崗閃長巖集料用于瀝青混合料上面層的可行性。本文結(jié)論不僅直接為西安高新區(qū)唐遺址公園南延伸綠廊工程施工提供技術(shù)支持，亦為后續(xù)類似條件下閃長巖作為高模量天然瀝青混合料上面層集料提供參考借鑒，還為高等級公路瀝青路面工程石料的選用提供了技術(shù)依據(jù)。