■　吳偉（福建路橋建設(shè)有限公司，福州　350001）

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福州繞城高速公路路面石料應(yīng)用概述

■吳偉
（福建路橋建設(shè)有限公司，福州350001）

摘要本文介紹了福州繞城高速東南段路面工程上使用石料情況。包括石料的料源特性與加工特性、石料堿值、石料與瀝青的粘附性及石料的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞高速公路石料堿值粘附性配合比設(shè)計(jì)

1　工程概況

福州繞城公路東南段路面工程B1合同段為瀝青混凝土路面工程，起于連江洋門樞紐互通，與已建國(guó)家路網(wǎng)沈海線及福州繞城公路西北段相連，路線由西向東經(jīng)浦口樞紐互通、浦口一般互通，穿越南峰隧道，終止于梅里樞紐互通，與沈海高速?gòu)?fù)線連接，全長(zhǎng)20.004km。路線基本呈東西走向。沿線主要村鎮(zhèn)為連江縣的洋門鎮(zhèn)、浦口鎮(zhèn)、梅里村等。其所在地為典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，氣溫適宜，溫暖濕潤(rùn)，四季常青，陽(yáng)光充足，雨量充沛，霜少無(wú)雪，夏長(zhǎng)冬短，年平均氣溫為20～25℃；其中春季常陰雨綿綿，氣溫變化較大。有春雨期（3～4月）和梅雨期（5月）之分，春雨期天氣冷熱多變，有的年份還會(huì)出現(xiàn)倒春寒天氣和冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣；梅雨期溫度顯著升高，濕度大，雨水多；夏季以晴熱高溫天氣為主，是出現(xiàn)局地?zé)崂子晏鞖夂蜔釒эL(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)活動(dòng)最集中的時(shí)期。

2　路面結(jié)構(gòu)類型

福州繞城公路東南段路面結(jié)構(gòu)采用福建省常用組合式路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)如下表1所示。

其中整體式路基與分離式路基與表1完全一致，總厚度為73cm?；ネㄔ训缆坊访婵偤穸葹?8cm，結(jié)構(gòu)層次類型沒有變化，區(qū)別在于密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石（ATB-25）上基層厚度為12cm，級(jí)配碎石下基層厚度為15cm。橋面路段僅鋪筑設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)的上面層和下面層，總厚度為10cm。為了保證工程質(zhì)量，結(jié)合工程所處的地理位置與自然氣候條件，該路段路面應(yīng)當(dāng)具有良好的抗水損害性能，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)具有一定的抗高溫能力。因此，各層次所采用的石料也有性能要求的。

表1　路面結(jié)構(gòu)類型

3　路面工程用石料

3.1福建省石料概況

福建在構(gòu)造上處于歐亞大陸板塊東南緣，瀕臨太平洋板塊，為環(huán)太平洋中、新生代巨型構(gòu)造中巖漿帶的陸緣活動(dòng)帶的一部分，是全球構(gòu)造中巖漿活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一。地質(zhì)上以燕山期中酸—酸性火山巖、侵入巖為主，地表則以火山巖為主。其中，酸性火山巖（流紋巖、英安流紋巖）分布最廣，約占85％；中性巖和基性巖在我省分布范圍很廣，但儲(chǔ)量相對(duì)較?。褐行曰鹕綆r（英安巖、安山巖）約占10％；基性火山巖（玄武巖）小于5％；超基性火山巖罕見。

福建省閩西山體巖性以花崗巖和火山巖為主，間有凝灰?guī)r、流紋巖出露。武夷山、永安、連城等地有紅色巖層出露，構(gòu)成風(fēng)景奇麗的丹霞地貌景觀；永安、寧化、龍巖、將樂等地有較大面積的石灰?guī)r分布，溶洞、溶蝕洼地、峰林等喀斯特地貌發(fā)育。閩中山體巖性主要由花崗巖、流紋質(zhì)凝灰熔巖、凝灰?guī)r、流紋巖、英安巖、安山巖等組成。東部沿?；◢弾r、流紋巖等火山巖遍布全區(qū)；閩江口以北以花崗巖高丘陵為主體。據(jù)統(tǒng)計(jì)花崗巖占全省巖石儲(chǔ)量的70％以上，居全國(guó)第2位；石灰?guī)r儲(chǔ)量居全國(guó)前5位。

3.2石料性能要求

石料是指符合工程要求的巖石，經(jīng)開采加工后用于公路工程的建筑石材的總稱。它作為瀝青路面的主要組成材料，其含量占瀝青混合料的95％以上。而影響集料性質(zhì)和質(zhì)量因素有兩個(gè)方面：一是生產(chǎn)加工特性，即保證集料的潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)、良好的顆粒形狀與棱角性、低的針片狀顆粒含量。二是料源特性，即保證壓碎值、洛杉磯磨耗值、表觀相對(duì)密度、吸水率、堅(jiān)固性、軟石含量、磨光值、瀝青粘附性等巖石固有物理性能方面滿足技術(shù)要求。

在路面工程中，由于有經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求，因此優(yōu)先考慮就地取材。這就意味著有時(shí)無(wú)法選擇到最適合工程的石料。在此情況下，應(yīng)盡早確定工程使用石料，并在相應(yīng)的采石廠選取有代表性的石料，送至有資質(zhì)的檢測(cè)單位進(jìn)行石料巖相的鑒定，同時(shí)對(duì)按規(guī)格開采出的各檔粗、細(xì)集料進(jìn)行檢測(cè)。集料的檢測(cè)結(jié)果需滿足《福建省高速公路路面及交通安全設(shè)施施工標(biāo)準(zhǔn)化指南》與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中對(duì)各等級(jí)公路瀝青路面用集料的要求。

3.3本工程采用石料

在本工程中ATB-25與AC-20C采用同樣的石料，產(chǎn)自長(zhǎng)樂松下碎石場(chǎng)，以下簡(jiǎn)稱為石料1。該石料巖性鑒定為英安質(zhì)晶屑凝灰熔巖。該巖石由各種火山碎屑物被中酸性火山熔巖物質(zhì)膠結(jié)而成，無(wú)蝕變，呈現(xiàn)晶屑熔巖狀結(jié)構(gòu)，極局部保留流動(dòng)構(gòu)造。巖石成分中，安山巖屑＜1％，中至更長(zhǎng)石晶屑呈角＜15％；云母晶屑＜1％；石英晶屑＜5％；中酸性熔巖物質(zhì)＜80％。由上可知，該集料為火山碎屑巖，是酸性石料。

AC-16C石料產(chǎn)自霞浦鹽田二洋里碎石場(chǎng)，以下簡(jiǎn)稱為石料2。該石料巖性鑒定為流紋質(zhì)玻屑晶屑凝灰?guī)r。巖石組成巖石的物質(zhì)組分為火山碎屑物；具體由它形晶、半自形晶屑與未變形玻屑被火山塵膠結(jié)而成。巖石成分中石英＜5％，長(zhǎng)石類礦物＜25％，黑云母＜1％，榍石遠(yuǎn)小于1％，玻屑＜30％，火山塵＜40％。玻屑晶屑凝灰結(jié)構(gòu)，定向排布。該集料是一種含火山灰含量較高的巖石，是中酸性火山碎屑變質(zhì)作用的產(chǎn)物，石料偏酸性。

這兩種石料的物理性能如表2所示。

表2　石料基本性能試驗(yàn)

4　石料堿值

礦料在瀝青混合料中與瀝青發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用，礦料的化學(xué)性質(zhì)在很大程度上影響著混合料的物理力學(xué)性質(zhì)。一般認(rèn)為基性巖或者堿性石料與瀝青的粘附性好，酸性集料與瀝青的粘附性差。這是由于瀝青本身呈弱酸性，酸性集料與水親合力較瀝青大，在遇水后這些集料顆粒上的瀝青膜被分離或剝落。因此酸性石料亦稱親水性集料。反之，憎水性集料即堿性集料與瀝青有較好的粘結(jié)能力。

要準(zhǔn)確確定集料的酸堿性，必須對(duì)礦料的化學(xué)組成進(jìn)行分析。簡(jiǎn)易的方法是采用相對(duì)比較法來(lái)確定礦料的酸堿性強(qiáng)弱，即用分析純的CaCO3作為標(biāo)準(zhǔn)，將石料酸堿性強(qiáng)弱與CaCO3進(jìn)行比較，就可以得到石料酸堿性的相對(duì)強(qiáng)弱。具體方法是：用一定濃度的酸對(duì)一定粒徑的石料進(jìn)行侵蝕，測(cè)定消耗掉的氫離子的濃度，與相同條件下CaCO3所消耗的氫離子的濃度的比值，即定義為該礦料的堿值。上述兩種石料堿值結(jié)果見表3。

表3　石料堿值

研究資料顯示，石料堿值對(duì)瀝青混合料的抗水損害性能有一定的影響。隨著石料堿值的增大，瀝青混合料的空隙率減小，瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度會(huì)顯著增加，瀝青混合料的抗水害能力逐漸增強(qiáng)；當(dāng)石料堿值小于0.78時(shí)，須對(duì)石料或?yàn)r青進(jìn)行預(yù)處理，才能滿足抗水損害技術(shù)要求。

5　石料與瀝青的粘附性能

集料與瀝青的粘附性試驗(yàn)是用來(lái)檢驗(yàn)粗集料表面被瀝青薄膜裹覆后，抵抗受水侵蝕造成剝落的能力。在雨量充沛的地區(qū)，若粘結(jié)不佳，極易導(dǎo)致瀝青路面的水損害。集料的化學(xué)成分和礦物組成影響瀝青混合料的粘附性。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）以及《福建省高速公路路面及交通安全設(shè)施施工標(biāo)準(zhǔn)化指南》中對(duì)粗集料粘附性要求，對(duì)于高速公路、一級(jí)公路表面層粘附性等級(jí)為5級(jí)，其他層次為4級(jí)。本工程ATB-25采用的是70號(hào)瀝青，AC-20C與AC-16C采用的是SBS改性瀝青。結(jié)合工程，將石料1與70號(hào)瀝青進(jìn)行水煮法試驗(yàn)，同時(shí)將石料1與石料2與SBS改性瀝青分別進(jìn)行水浸法試驗(yàn)，檢驗(yàn)石料的粘附性等級(jí)。在未摻加抗剝落劑的情況下，石料與瀝青的粘附性均未能達(dá)到要求。當(dāng)粗集料與瀝青的粘附性不符合使用要求時(shí)，可以通過(guò)摻加抗剝落劑、消石灰、水泥或用石灰水處理后使用，也可以采用改性瀝青的措施，來(lái)提高粗集料與瀝青的粘附性。因此，在瀝青中摻加0.2％的ARD瀝青抗剝落劑再進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)考慮到石料應(yīng)用到工程上后使用條件非常復(fù)雜，瀝青與石料長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，在環(huán)境因素如受熱、氧氣、陽(yáng)光和水的作用下，會(huì)發(fā)生一系列的揮發(fā)、氧化、聚合，乃至瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，瀝青老化導(dǎo)致路用性能劣化。瀝青老化分為短期老化和長(zhǎng)期老化兩個(gè)方面。短期老化是指瀝青在拌和及鋪筑過(guò)程中的老化；長(zhǎng)期老化則是指瀝青在路面漫長(zhǎng)使用過(guò)程中的老化。為了模擬瀝青老化，對(duì)添加了抗剝落劑后的瀝青分別進(jìn)行短期老化（薄膜加熱試驗(yàn)）與長(zhǎng)期老化（旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)），之后再進(jìn)行粘附性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4與表5。

表4　水煮法粘附性試驗(yàn)結(jié)果

表5　水浸法粘附性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，瀝青經(jīng)過(guò)短期老化后，與石料的粘附性均有下降，基本為下降0-1個(gè)等級(jí)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后，粘附性等級(jí)相比短期老化后又有所下降，其中石料1與70號(hào)瀝青下降的最為明顯。從總體上看，瀝青在短期與長(zhǎng)期老化后與石料的粘附性均有所降低，但觀察石料上仍裹附的瀝青情況可以看出，添加抗剝落劑后瀝青受水侵蝕的氣泡洞較少，且裹附的瀝青厚度更為均勻。瀝青與礦料表面的潤(rùn)濕性能下降不大，瀝青仍能浸入和潤(rùn)濕礦料顆粒表面的孔隙和裂紋，仍具有相當(dāng)?shù)慕佑|面積，待瀝青降溫固化后，還能夠形成較高的強(qiáng)度。需要注意的是，福建省以酸性石料居多，在采取處理措施前石料與各種瀝青的粘附性能大部分難以滿足工程要求，需要在工程中進(jìn)行預(yù)處理。目前主要措施有：石灰或水泥代替部分礦粉、加抗剝落劑、瀝青改性、加金屬皂等等。本工程中除了添加抗剝落劑外，還在礦粉中添加20％摻量的消石灰來(lái)提高石料的粘附性。

6　工程石料瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

由于石料與瀝青的粘附性試驗(yàn)的局限性，它主要用于確定石料的適用性，對(duì)瀝青混合料的綜合抗水損害能力必須通過(guò)就行相應(yīng)的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗(yàn)以檢驗(yàn)。因此瀝青混合料目標(biāo)的配合比設(shè)計(jì)也是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)不同石料的各層次的瀝青混合料目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)也一個(gè)重要步驟。

6.1石料1 ATB-25目標(biāo)配合比

該配合比用于路面的上基層，存在著骨料粒徑大，容易離析，厚度高難以壓實(shí)等問題。瀝青混合料的碾壓應(yīng)遵循緊跟、慢壓、高頻、低幅的原則進(jìn)行?；旌狭蠑備伜蟊仨毦o跟著在盡可能高溫狀態(tài)下開始碾壓，不得等候。不得在低溫狀態(tài)下反復(fù)碾壓，防止磨掉石料棱角、壓碎石料，破壞石料嵌擠。合成級(jí)配及混合料路用性能如表6、表7所示。

表6　ATB-25混合料合成級(jí)配

表7　ATB-25混合料路用性能

6.2石料1 AC-20C目標(biāo)配合比

該配合比用于路面的中面層。福州繞城公路東南段連接福州附近多條高速公路與各重要發(fā)展區(qū)域，交通量較大，需要中面層混合料有抗車轍能力。合成級(jí)配及混合料路用性能如表8、表9所示。

6.3石料2 AC-16C目標(biāo)配合比

表8　AC-20C混合料合成級(jí)配

表9　AC-20C混合料路用性能

該配合比用于路面的上面層。福州繞城公路東南段所處地區(qū)夏季高溫多雨，路面混合料容易受到降水、路面滲水等因素的影響，在水的浸泡及車輛荷載的作用下可能會(huì)發(fā)生瀝青膜剝離、掉粒、松散等現(xiàn)象，從而影響材料的滲透性能和抗變形性能。該AC-16C級(jí)配空隙率較低，殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比較高，有很強(qiáng)的抗水損害性能，同時(shí)該級(jí)配也兼顧了高溫性能。其合成級(jí)配及混合料路用性能如表10、表11所示。

表10　AC-16C混合料合成級(jí)配

表11　AC-16C混合料路用性能

7　結(jié)語(yǔ)

福州繞城公路東南段路面工程于2015年12月通過(guò)交工驗(yàn)收，并正式通車，整體使用效果良好，沒有路面病害出現(xiàn)。本工程從石料的確定、石料性能檢測(cè)到石料的配合比設(shè)計(jì)都是以“就地取材，按需設(shè)計(jì)”為原則，解決了石料緊缺問題，減少工程建設(shè)成本，節(jié)省社會(huì)運(yùn)力；在性能方面在優(yōu)先保證路面抗水損害能力的同時(shí)兼顧路面的高溫性能，確保工程質(zhì)量。該工程獲得了初步成功，我們也將對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的跟蹤觀測(cè)，獲得長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，提高施工水平。

參考文獻(xiàn)

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