花崗巖隧道洞渣在AC-20C瀝青混合料中的應用

摘 要：針對瀝青混合料用集料匱乏問題，通過室內試驗和實體驗證，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質量控制方法，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。現場采用三級破碎和除塵相結合工藝，可生產顆粒形狀和粉塵含量滿足要求的粗集料。花崗巖隧道洞渣粗集料的AC-20C瀝青混合料的70℃動穩定度、殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比分別為4981次/mm、89.6%、83.9%，滿足技術要求。

關鍵詞：道路工程；花崗巖；隧道洞渣；瀝青混合料

中圖分類號：TU 535" 文獻標志碼：A

我國公路建設重心正向中西部山區轉移，在山巒起伏地區常出現大量隧道群，公路沿線隧道總長占比日益增加[1]，易產生大量的隧道洞渣且不能充分利用。為綜合利用隧道洞渣，許多國內外學者將隧道洞渣用于路基填筑工程、回填和防護工程、混凝土工程以及水泥穩定碎石基層中[2-6]，并形成了成套的利用技術[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準，且缺乏成套的利用技術，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高速公路時，常須遠運優質堿性集料，既不經濟也不環保[8]。以某山區高速公路項目為例，項目路線長約54 km，需要瀝青混凝土約35萬m3，隧道棄渣約123萬m3，其中優質洞渣（圍巖級別小于III級）約50%。根據地質勘測資料，山體巖石為不同風化程度的加里東期花崗巖和砂巖，堿性優質集料運距在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，對隧道洞渣化學成分進行研究，分析結果見表1。

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

1.1.2 巖石薄片分析

采用薄片鑒定法對隧道洞渣進行巖石薄片分析，分析結果見表2。

由表2結果可知，隧道洞渣為花崗巖，其石英、長石等硬質和耐磨成分達到90%，力學性質較好。

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進行觀測，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，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。當保證正常油膜厚度時，瀝青用量較大，在行車荷載作用下，易出現路面“泛油”情況。如果降低瀝青用量，那么瀝青膜厚度不足，會導致瀝青混合料耐久性降低。

1.2 隧道洞渣集料技術指標評價

1.2.1 力學性質評價

檢測隧道洞渣的單軸保水抗壓強度、壓碎值、磨耗值來評價隧道洞渣的力學性質，具體檢測結果見表3。

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

1.2.2 物理、化學性質評價

花崗巖隧道洞渣的表觀相對密度、吸水率、pH、堿值和黏附性檢測結果見表4。

由表4可知，花崗巖隧道洞渣的表觀相對密度大于2.6，吸水率小于1%，滿足各面層的技術要求。pH值呈弱堿性，與化學成分分析的酸堿性不符，表明集料表面酸堿性受外部環境影響較大。花崗巖隧道洞渣堿值較低，與瀝青黏附性為3級，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性質指標接近上面層技術要求，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僅為3級，不滿足技術要求。考慮現有路面用料緊缺，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質量控制

2.1 隧道洞渣母材質量控制

隧道洞渣具有質量不均勻、潔凈程度低的特點，且通常集中堆放，對成品質量控制不利。為控制母材質量，須人工挑選剔除質量不高的隧道洞渣。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

硬質成分達90%的花崗巖隧道洞渣，破碎難度大，對機械磨損嚴重。因此，須選用擠壓破碎原理的設備（例如顎式破碎機、圓錐式破碎機等）破碎，并增加整形設備（例如反擊破、立軸式沖擊破），采用三級破碎工藝進行破碎。

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大幅降低與瀝青的黏附性，因此須嚴格控制粉塵含量。在加工過程中，采用多步驟降塵工藝：首先，在進料口前配置帶篩網的振動喂料機，篩除泥土、雜質。其次，在粗碎設備和中碎設備之間增加振動篩，將泥土和粉塵篩除。最后，采用引風式除塵設備除塵，引風管安裝在中碎、細碎設備、振動篩和皮帶下料口處，去除產生的粉塵。

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量檢測

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結果見表5。

根據表5的檢測結果可知，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定性，替代礦粉的比例為礦料質量的1%～2%，摻加的方式：首先把水泥粉與集料干拌均勻，其次加入瀝青進行濕拌，最后添加礦粉拌和均勻。

3.2 AC-20C配合比設計

為提高花崗巖隧道洞渣瀝青混合料AC-20C的水穩定性，按照以下配置混合料的原材料：瀝青采用SBS（I-D）改性瀝青，填料采用石灰巖磨制的礦粉和P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，細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。所用集料主要技術指標見表6～表8。

利用上述原材料采用馬歇爾設計方法進行配合比設計，配合比設計結果如圖3所示。

3.3 AC-20C路用性能

用車轍試驗、凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗評價花崗巖隧道洞渣瀝青混合料的高溫和水穩定性，試驗結果見表9。

由表9可知，花崗巖隧道洞渣瀝青混合料AC-20C的70℃動穩定度、殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比分別為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 結論

花崗巖隧道洞渣硬質、耐磨成分達90%，具有密度適中、吸水率小、力學性質較好的特性，但其與瀝青的黏附性等級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+圓錐式破碎機+反擊式破碎機（整形）的三級破碎工藝，成品集料能獲得較好的顆粒形狀，采用預制篩網和引風式除塵相結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℃動穩定度、殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比分別為4981次/mm、89.6%、83.8%，滿足面層瀝青混合料技術要求。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。

參考文獻

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