酸性石料在永武高速公路中的應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性分析

■陳 濤

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004）

1 概述

礦料的酸堿性通常是按照礦料的SiO2含量來劃分的，SiO2含量大于65%的集料為酸性集料，以花崗巖為代表。

我省石料以高強(qiáng)度、酸性花崗巖為主，約占石料總量的50%以上。花崗巖屬于火成巖的一種，主要成分是長石和石英，具有密度大、抗壓強(qiáng)度高、孔隙率小、耐磨性好及耐久性高的優(yōu)良技術(shù)特性。

永武高速公路位于福建省龍巖市，毗鄰江西省和廣東省，是福建至廣東的出省大通道之一。試驗(yàn)段所處地區(qū)夏季高溫多雨，冬季寒冷潮濕，屬于1-4-1區(qū)。同時(shí)，永武高速公路沿線地方材料限制，優(yōu)質(zhì)路用集料短缺，當(dāng)?shù)亓蠄鲋饕a(chǎn)偏酸性的路用集料，礦物成分中石英(SiO2)的含量達(dá)到了68%，屬于典型的酸性石料。石料以酸性、堅(jiān)硬的花崗巖為主，力學(xué)性能優(yōu)良，但是其抗水損害能力不佳。在不采取抗剝落措施的時(shí)候很容易導(dǎo)致混合料的水穩(wěn)定性不滿足要求，導(dǎo)致路面發(fā)生水損壞，過早地出現(xiàn)剝落和坑槽。

2 酸性石料在瀝青混凝土路面中應(yīng)用的可行性分析

經(jīng)調(diào)研，在使用酸性石料時(shí)目前國內(nèi)外所采用的措施通常為對瀝青進(jìn)行改性和對石料進(jìn)行改性兩種。主要措施包括：

①第一種：在瀝青中摻入液體類抗剝落劑，摻量一般為瀝青質(zhì)量的0.4%～0.5%。但一般液體抗剝落劑都為胺類外加劑，許多產(chǎn)品的受熱穩(wěn)定性較差，應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重，以免瀝青及混合料在加熱過程中抗剝離能力減小或消失，資料數(shù)據(jù)也證明某些抗剝落劑確實(shí)存在這種現(xiàn)象。

②第二種：采用改性瀝青。改性瀝青能夠提高瀝青混合料的水穩(wěn)性也是不爭的事實(shí)，但是采用改性瀝青造價(jià)提高較大，且對設(shè)備、施工等要求較高。

③第三種：在瀝青混合料中采用消石灰替代一部分礦粉，此種方案使用簡單、效果較好，且造價(jià)提高不大。綜合考慮到施工的造價(jià)及使用的效果，對于本工程經(jīng)比較分析后推薦采用該種措施。

3 消石灰對酸性石料改善原理

在瀝青混合料中，瀝青與礦料之間的作用是一個(gè)復(fù)雜的物理-化學(xué)交互作用的過程，瀝青與礦粉交互作用后，瀝青在礦粉表面產(chǎn)生化學(xué)組分的重新排列，在礦粉表面形成一層一定厚度的擴(kuò)散溶劑膜，在此膜厚度以內(nèi)的瀝青稱為"結(jié)構(gòu)瀝青"，在此膜以外的瀝青稱為"自由瀝青"。如果礦粉顆粒之間接觸處是由結(jié)構(gòu)瀝青膜所連接，這樣促成瀝青具有更高的黏度和更大的擴(kuò)散溶化膜的接觸面積，因而可以獲得更大的粘聚力。因結(jié)構(gòu)瀝青的形成主要是由于礦料與瀝青的交互作用，而引起瀝青化學(xué)組分在礦料表面重新分布，所以在相同的瀝青用量條件下，礦料愈細(xì)，表面積愈大，形成的結(jié)構(gòu)瀝青愈多，因而瀝青混合料的粘聚力和強(qiáng)度也愈大。通常礦粉的比表面積約為2500～3500cm2/g，而消石灰的比表面積達(dá)7000cm2/g，使得瀝青與集料之間的分子力增大。

此外瀝青中含有少量羥酸使瀝青呈現(xiàn)弱酸性。羥酸易附著在粒料的表面，當(dāng)遇到水時(shí)，因水分子是極性物質(zhì)，更易與粒料的極性分子結(jié)合，結(jié)果使瀝青從粒料表面脫落。消石灰的主要成分是氫氧化鈣Ca(OH)2，氫氧化鈣是強(qiáng)堿性物質(zhì)，當(dāng)氫氧化鈣與瀝青中的羥酸接觸時(shí)，即產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，具有較強(qiáng)的吸附性能，能牢固地黏附在粒料表面而不剝落，瀝青就不會從粒料上剝落。消石灰不但能和瀝青中的有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)，而且能使集料表面活化，提高集料與瀝青之間的黏結(jié)力。

4 消石灰改善黏附性試驗(yàn)研究

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用水煮法對酸性石料（云母石英片巖）進(jìn)行黏附性試驗(yàn)，集料處治方法設(shè)計(jì)為：集料在設(shè)定濃度處治液中浸泡2～5s→風(fēng)干大于10h→105℃烘箱中烘干4h→毛刷刷凈表面→水煮法進(jìn)行黏附性試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。

表1 瀝青黏附性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)云母石英片巖酸性集料未經(jīng)處治時(shí)，其與基質(zhì)瀝青的黏附性等級只有2級，采用澄清石灰水進(jìn)行處治后，水煮法黏附性等級有所提高，達(dá)到3級，但仍無法滿足工程要求，隨著石灰水濃度的加大，在石灰水懸濁液濃度達(dá)到10～30%時(shí)，集料與瀝青黏附性等級明顯提高，達(dá)到4級，說明一定濃度的石灰水對酸性集料進(jìn)行表面活化可以改善其與瀝青粘結(jié)料的黏附性，有利于提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對酸性石料采用10%～30%濃度消石灰水進(jìn)行表面活化處理后，均能夠滿足除表面層外的其他各層的技術(shù)要求。

5 瀝青混合料應(yīng)用

根據(jù)研究內(nèi)容和工程實(shí)際情況，以永武高速公路試驗(yàn)路應(yīng)用進(jìn)行分析，永武高速沿線石料以酸性、堅(jiān)硬的花崗巖為主，力學(xué)性能優(yōu)良，但是其抗水損害能力不佳，依據(jù)筑路材料來源、路面結(jié)構(gòu)功能、施工機(jī)具配備及施工技術(shù)條件等因素，提出了上面層AC-13試驗(yàn)段酸性集料用于瀝青面層的技術(shù)方案：

（1）瀝青上面層石料采用龍巖本地東云料場出產(chǎn)的云母石英片巖；

（2）以本地豐富的消石灰取代原方案抗剝落劑作為提高抗水損害的添加劑；

（3）消石灰摻量以集料總量為標(biāo)準(zhǔn)控制，本工程設(shè)計(jì)為集料總質(zhì)量的1.0%；

（4）采用以消石灰等量取代礦粉質(zhì)量，配置高堿性礦粉；

（5）鑒于抗水損害能力與耐久性相當(dāng)，以經(jīng)濟(jì)性好的基質(zhì)瀝青取代改性瀝青；

（6）變更上面層原AC-13設(shè)計(jì)方案為骨架級配，以提高路面高溫穩(wěn)定性。

試驗(yàn)段骨架級配設(shè)計(jì)如下表2所示。

表2 試驗(yàn)段瀝青混合料級配通過率

該骨架級配中石灰?guī)r礦粉摻量為4%，根據(jù)研究成果，確定礦粉中消石灰摻量確定為33%，取瀝青用量4.3%和4.6%進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表3。

表3 瀝青混合料性能檢測試驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明4.3%與4.6%瀝青用量的瀝青混合料各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足技術(shù)要求，最終綜合考慮確定以4.4%瀝青用量進(jìn)行試拌，項(xiàng)目組對試拌瀝青混合料進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果如下表4。

表4 瀝青用量4.40%試拌瀝青混合料性能檢測

試驗(yàn)段鋪筑開始后，取樣進(jìn)行了瀝青混合料的試驗(yàn)檢測，檢測結(jié)果如下表5和表6。

表5 試驗(yàn)路段瀝青混合料抽檢級配試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 試驗(yàn)路段瀝青混合料抽檢馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在永武高速路段運(yùn)營半年后，對試驗(yàn)段進(jìn)行了跟蹤檢測，檢測的主要指標(biāo)為滲水系數(shù)、構(gòu)造深度和車轍深度。相關(guān)檢測數(shù)據(jù)如下表7所示。

表7 路面使用性能檢測結(jié)果

跟蹤檢測期間，項(xiàng)目組人員對路面整體狀況和外觀進(jìn)行了觀測。總體來說，永武高速試驗(yàn)段整體使用效果良好，沒有路面病害出現(xiàn)。

6 試驗(yàn)路段經(jīng)濟(jì)性分析

永武高速試驗(yàn)路段采用消石灰干法后加工藝改善瀝青混合料水穩(wěn)定性，粘結(jié)材料采用普通70號基質(zhì)瀝青，為了提高路面高溫穩(wěn)定性，瀝青混合料采用骨架密實(shí)級配。與原設(shè)計(jì)方案相比，試驗(yàn)段初期建設(shè)費(fèi)用得到了節(jié)省，而后期養(yǎng)護(hù)改造產(chǎn)生的費(fèi)用與原方案基本沒有差異，所以本試驗(yàn)路段的經(jīng)濟(jì)性分析主要集中在初期建設(shè)費(fèi)用的節(jié)省上。根據(jù)市場價(jià)格調(diào)查，當(dāng)前70號基質(zhì)瀝青價(jià)格約5100元/t，SBS改性瀝青價(jià)格約6100元/t，礦粉價(jià)格約150元/t，消石灰價(jià)格約350元/t，抗剝落劑約12000元/t，面層石料統(tǒng)一按照約100元/t計(jì)算，價(jià)格計(jì)算對比見表8。

表8 永武試驗(yàn)段瀝青混合料價(jià)格計(jì)算對比表 （元/t）

由上表計(jì)算可以看出，試驗(yàn)段瀝青混合料較改性瀝青AC-13瀝青混合料價(jià)格低，降低幅度為（370-326）/370×100%=11.9%，價(jià)格差異部分主要由瀝青產(chǎn)生。

由于采用基質(zhì)瀝青替代改性瀝青，采用消石灰取代抗剝落劑，每噸瀝青混合料的造價(jià)由370元降低為326元，節(jié)省材料費(fèi)用11.9%；同時(shí)由于采用基質(zhì)瀝青，可以節(jié)省加熱及碾壓的部分能源費(fèi)用，合計(jì)試驗(yàn)段較原設(shè)計(jì)方案節(jié)省工程建設(shè)費(fèi)用可達(dá)到15%以上。

7 建議

(1)在選擇瀝青混凝土路面水穩(wěn)定性改善措施時(shí)，宜根據(jù)實(shí)際工程條件和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，綜合采用不同措施聯(lián)合改善，采取初期與后期均有較好改善性能的工藝方法，往往能達(dá)到1+1＞2的效果。

(2)無論改善方法如何有效，施工過程的嚴(yán)格把關(guān)是最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所以在施工時(shí)必須注意季節(jié)環(huán)境的影響，嚴(yán)格管理工程材料和施工工藝，以確保工程質(zhì)量。

[1]JTG E42-2005,公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]李劍，郝培文.消石灰改善瀝青混合料抗剝離性能研究.公路，2004.

[3]鄭曉光，呂偉民.利用消石灰提高瀝青路面的水穩(wěn)性.石油瀝青，2003.17.

[4]曾堅(jiān)堅(jiān).摻消石灰改善瀝青與酸性礦料的粘附性.中南公路工程，2003.28.