綠片巖集料在高速公路面層的可持續(xù)應(yīng)用與改進(jìn)策略研究

霍勝齊

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，濟(jì)南 250002）

1 引言

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的全面實(shí)施以及國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)的常態(tài)化， 交通基礎(chǔ)建設(shè)在我國(guó)的發(fā)展中已經(jīng)逐漸占據(jù)了至關(guān)重要的地位。 然而，近些年來(lái)，交通基礎(chǔ)建設(shè)所需的玄武巖、石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)筑路原材料，尤其是堿性集料，面臨著供應(yīng)數(shù)量和質(zhì)量上的巨大難題。 與此同時(shí)，儲(chǔ)量豐富的花崗巖以及片巖等偏酸性的變質(zhì)巖石原料，由于與瀝青膠結(jié)料黏附性較差，未能在交通基礎(chǔ)建設(shè)中得到有效利用。

在武漢至大悟高速公路項(xiàng)目沿線， 存在大量的綠泥石片巖石料，這為我們提供了一種因地制宜、就地取材、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的工程建設(shè)選擇。 然而，該石料的黏附性僅為3 級(jí)，綠片巖集料與瀝青的黏附性較差， 導(dǎo)致綠片巖集料的瀝青混合料的水穩(wěn)定性能不良， 嚴(yán)重制約了其在高等級(jí)公路面層中的應(yīng)用。 目前針對(duì)綠泥石片巖集料黏附性的研究和工程應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究以及工程應(yīng)用案例均較少。 因此，本研究旨在通過(guò)科學(xué)的技術(shù)手段， 解決綠泥石片巖集料與瀝青黏附性差、混合料水穩(wěn)定不足的問(wèn)題，以提高混合料的耐久性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該石料的有效利用。

2 綠泥石片巖石料的特性分析

綠泥石片巖是工程建設(shè)中一種巖石材料， 其化學(xué)成分和物理特性對(duì)于其在高等級(jí)公路面層中的應(yīng)用至關(guān)重要。 根據(jù)室內(nèi)巖性成分分析，綠泥石片巖的SiO2含量為50.1%。 按照通常的酸堿性分類標(biāo)準(zhǔn)，SiO2含量大于65%的石料為酸性石料，SiO2含量小于52%的石料為堿性石料，SiO2含量在52%～65%的石料為中性石料。 據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)， 綠泥石片巖被歸類為堿性石料。 綠泥石片巖現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1 所示。 理論上，堿性石料與瀝青應(yīng)具有良好的黏附性，適用于高等級(jí)公路面層。 然而，根據(jù)室內(nèi)黏附性試驗(yàn)結(jié)果，綠泥石片巖的黏附性僅為3 級(jí)，表明實(shí)際黏附性與其堿性分類不符。 這可能受到其他成分或結(jié)構(gòu)的影響，以及室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際使用條件之間的差異。 針對(duì)上述問(wèn)題，需進(jìn)一步研究綠泥石片巖的其他化學(xué)成分，特別是可能影響?zhàn)じ叫缘某煞郑员闳娴亓私馄湫再|(zhì)。 考慮進(jìn)行更接近實(shí)際條件的黏附性測(cè)試， 以便準(zhǔn)確地評(píng)估綠泥石片巖在高速公路面層中的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖1 綠泥石片巖現(xiàn)場(chǎng)照片

3 武漢至大悟高速項(xiàng)目中綠泥石片巖石料的應(yīng)用研究

3.1 綠片巖集料、瀝青界面黏附機(jī)制與分析模型

綠片巖集料在瀝青混合料中的應(yīng)用涉及復(fù)雜的力學(xué)性能以及界面黏附機(jī)制， 因此需要通過(guò)綜合各方面的研究來(lái)確立選材的標(biāo)準(zhǔn)以及性能評(píng)價(jià)體系。 首先，通過(guò)對(duì)綠片巖集料的宏觀力學(xué)性能進(jìn)行深入分析， 同時(shí)結(jié)合基礎(chǔ)巖性分析和微觀結(jié)構(gòu)研究，確定選材標(biāo)準(zhǔn)。 建立綠片巖集料性能指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，這有助于準(zhǔn)確地評(píng)估其在瀝青混合料中的適用性[1]。

針對(duì)武漢地區(qū)使用的綠片巖集料，研究其二維形態(tài)結(jié)構(gòu)、比表面積、 孔徑大小與瀝青黏附變化特征是必要的。 通過(guò)集料-瀝青黏附力試驗(yàn)、集料-瀝青滲入深度試驗(yàn)、集料-瀝青界面黏附結(jié)構(gòu)可視化研究以及集料與瀝青接觸角研究等手段，可以全面評(píng)價(jià)瀝青在綠片巖集料表面的附著情況和瀝青與集料之間的相互作用。 進(jìn)一步提出綠片巖集料瀝青混合料的瀝青-集料黏附模型， 分析綠片巖集料與瀝青之間的黏附機(jī)制。集料-瀝青滲入深度試驗(yàn)如圖2 所示。

圖2 集料- 瀝青滲入深度試驗(yàn)

3.2 綠泥石片巖瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法

針對(duì)綠泥石片巖瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法， 需要考慮以下9 個(gè)方面的內(nèi)容。 （1）對(duì)綠片巖集料與瀝青的黏附性進(jìn)行深入研究，特別是在不同的含水量條件下，需要分析其黏附性能的變化規(guī)律；（2）研究綠片巖集料在含水量變化時(shí)材料性質(zhì)的變化， 尤其需要關(guān)注其水敏特性對(duì)路用性能的影響；（3）考慮在混合料中引入不同類型的抗剝落劑， 分析其對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善效果，結(jié)合1988 年美國(guó)SHRP 計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參考；（4）參考相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的研究成果，了解密實(shí)度對(duì)砂礫石混合料內(nèi)摩擦角的影響， 并考慮如何在綠片巖集料中優(yōu)化這些影響因素；（5）比較國(guó)內(nèi)外關(guān)于綠片巖集料瀝青混合料的相關(guān)規(guī)范，特別關(guān)注美國(guó)的AASHTO 設(shè)計(jì)方法、美國(guó)地質(zhì)瀝青協(xié)會(huì)等的相關(guān)規(guī)定，為其配合比的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考依據(jù)；（6）研究復(fù)合改性瀝青在綠片巖瀝青混合料中的應(yīng)用效果，結(jié)合具體的工程地區(qū)的石料特性選擇合適的改性材料；（7）考慮特定工程地區(qū)的石料資源，如綠片巖、安山巖、石英砂巖等，研究其在瀝青混合料中的適用性和性能；（8）對(duì)不同地區(qū)采用綠片巖瀝青混合料的施工工藝進(jìn)行研究，包括混合料的制備、鋪筑工藝等；（9）通過(guò)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，確保綠片巖集料瀝青混合料具有足夠的水穩(wěn)定性和良好的綜合路用性能[2]。

3.3 綠泥石片巖集料瀝青混合料的改進(jìn)措施和評(píng)價(jià)方法

綠泥石片巖集料瀝青混合料的改進(jìn)措施和評(píng)價(jià)方法涉及瀝青與集料之間的黏附性能以及水穩(wěn)定性， 可以通過(guò)以下4個(gè)方面做出針對(duì)性的改性措施。

1）黏附性的改善方法：采用攪動(dòng)水凈吸附法，以定量的方式描述瀝青在礦料表面的吸附和剝落情況。 其次，可以通過(guò)研究瀝青在集料表面形成不溶性鈣鹽的方法， 以阻止水損害的發(fā)生。 同時(shí)也可以探索抗剝落的措施，以提高水穩(wěn)定性。

2）研究相關(guān)案例并總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)：分析相關(guān)工程高速公路使用抗剝落劑的經(jīng)驗(yàn)， 了解其對(duì)改善石料與瀝青的黏附性的效果。 研究結(jié)果表明，骨架密實(shí)型級(jí)配瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于懸浮密實(shí)型級(jí)配， 采用消石灰有助于提高綠片巖混合料的水穩(wěn)定性。

3）瀝青的性質(zhì)對(duì)整體黏附性的影響：已有研究結(jié)果表明，瀝青的酸值越大，絕緣強(qiáng)度越小，蠟含量越低，與集料的黏附性越好，這是一個(gè)改進(jìn)的重點(diǎn)方向。 另一方面，考慮使用抗剝落劑，以改善石料與瀝青的黏附性。

4）原材料處理方法的研究：試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，綠片巖采用水泥飽和溶液處理，通過(guò)水煮試驗(yàn)法來(lái)測(cè)試剝落率，這是改進(jìn)的一個(gè)方法。 另一方面，研究活性礦粉、消石灰和水泥對(duì)綠片巖瀝青混合料高溫變形能力的影響， 以提高綠泥石片巖集料瀝青混合料的性能[3]。

瀝青黏附性改善研究試驗(yàn)詳見(jiàn)圖3。

圖3 集料- 瀝青黏附性改善研究試驗(yàn)曲線

4 研究意義和應(yīng)用前景

針對(duì)綠片巖集料在高速公路面層的應(yīng)用研究具有深遠(yuǎn)的意義且應(yīng)用前景廣闊。 目前對(duì)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用分析存在局限，缺乏對(duì)綠片巖巖性性能的提升技術(shù)措施，進(jìn)一步研究能夠填補(bǔ)這一空白， 深化對(duì)綠片巖集料的路用性能和工程應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。 國(guó)內(nèi)外研究成果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的綠片巖在高速公路上可滿足性能要求， 與此同時(shí)帶來(lái)的是顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，并且能夠緩解生態(tài)壓力，解決原材料的供應(yīng)需求。

綠片巖集料的相關(guān)研究可以為其在路面應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)綠片巖集料瀝青混合料提供一定的參考價(jià)值，有助于提升路面性能。 在生態(tài)保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)的背景下，更好地利用豐富的低品質(zhì)地材、實(shí)現(xiàn)就地取材、減少對(duì)外地取材的依賴，將是未來(lái)交通基礎(chǔ)建設(shè)必須重視的問(wèn)題，可為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的綠色發(fā)展鋪平道路。

5 結(jié)論和展望

在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)常態(tài)化的背景下，堿性集料在筑路原材料中面臨著數(shù)量和質(zhì)量的挑戰(zhàn)， 而偏酸性的變質(zhì)巖石由于與瀝青黏附性差未能進(jìn)行有效應(yīng)用。 綠泥石片巖石料作為一種經(jīng)濟(jì)合理的選擇， 但其黏附性差限制了在高等級(jí)公路面層的應(yīng)用。 針對(duì)這一問(wèn)題，本研究通過(guò)深入分析綠泥石片巖集料與瀝青黏附性差、混合料水穩(wěn)定性不足，提出了配合比設(shè)計(jì)的改進(jìn)和評(píng)價(jià)方法，以提高混合料的耐久性，實(shí)現(xiàn)對(duì)綠片巖資源的有效利用。 未來(lái)可以進(jìn)一步深化對(duì)黏附機(jī)制和性能調(diào)控的研究，通過(guò)試驗(yàn)探索并改進(jìn)其黏附性，結(jié)合新型添加劑或改性措施提高綠泥石片巖石料的性能， 促進(jìn)其在道路工程中更廣泛、更有效的應(yīng)用，為高速公路的可持續(xù)發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。