破碎卵石瀝青混凝土在西藏高海拔地區的應用研究

劉潤喜

（中交二公局第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

破碎卵石瀝青混凝土在西藏高海拔地區的應用研究

劉潤喜

（中交二公局第四工程有限公司，陜西 西安 710000）

依托西藏林芝至米林機場專用公路新改建工程B合同段，將當地河灘卵石破碎后應用于瀝青道路面層，研究其在該地區的適用性。該項目中，上面層采用AC-13C型瀝青混合料，中面層采用AC-20F型混合料，下面層采用AC-25F型混合料，分別對其進行配合比設計和路用性能驗證。試驗結果表明，破碎卵石集料能完全滿足該地區瀝青路面的路用性能。此外，破碎卵石應用于瀝青路面面層還具有較高的社會、經濟和環境效益。

瀝青路面；破碎卵石；配合比設計；路用性能；高海拔地區

0 引言

卵石質地堅硬，具有抗壓、耐磨耐腐蝕等特點，是一種理想的綠色建筑材料。目前，卵石作為水泥混凝土集料在建筑工程中已得到廣泛應用，但其在瀝青混凝土集料中的應用卻是一個相對較新的研究課題[1-4]。

依托項目地處西藏林芝地區，雅魯藏布江中下游，地形復雜，海拔高差大；年平均氣溫較低，僅為8.7℃，極端最低氣溫-16.5℃，日溫差最高可達20℃。由于該地區植被豐富，環保要求極高，因此原材料開采受限，導致可供公路建設的優質玄武巖和石灰巖相對匱乏。然而，該地區河流眾多，河灘地帶分布有大量的高原河卵石，如能就地取材，將當地卵石破碎后作為瀝青面層的集料，無疑具有很大的社會、經濟效益。但由于卵石屬酸性石材，且存在石料破碎面光滑等缺點，破碎卵石集料的水穩定性往往難以達到使用要求，所以在瀝青道路面層中的實際應用較少。本文依托西藏林芝至米林機場專用公路新改建工程B合同段，通過室內實驗分析，研究破碎卵石應用于瀝青道路面層的可行性。

1 材料概況

該項目瀝青采用中國石油克拉瑪依石化公司所產“昆侖”牌90號A級瀝青，具體性能指標見表1。試驗集料采用自采砂石料場生產的破碎卵石，分別為：10～15 mm碎石、5～10 mm碎石、3～5 mm碎石和0～3 mm石屑；礦粉采用拉薩軍陽礦石粉加工有限公司生產的成品礦粉。集料的物理性質測定結果見表2。

表2 自采石料廠破碎卵石基本物理指標檢測結果

從表2中可以看出：不同粒徑集料的強度、吸水率等物理指標滿足規范要求；此外，目測觀察認為，集料的顆粒形狀和表面紋理等指標也均滿足瀝青混凝土性能對集料的要求。因此，破碎卵石滿足作為瀝青混合料集料的基本性能，需進一步研究其配合比設計，并進行路用性能評價。

2 瀝青混合料配合比設計

根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)[5]，該項目所處區域按瀝青路面氣候分區屬于2-3-2區，為溫帶半濕潤季風氣候區，受低溫影響嚴重，易產生裂縫類病害[6]，因此上面層采用AC-13C型混合料，中面層采用AC-20F型混合料，下面層采用AC-25F型混合料。參照《公路瀝青路面施工規范》(JTG F40—2004)[7]，以級配范圍和關鍵篩孔通過率為分類標準，設計得到的各面層礦料級配見表3。

表3 瀝青路面面層的混合料礦料級配

礦質混合料級配確定后，按照馬歇爾試驗方法確定最佳油石比。三種混合料最佳油量的馬歇爾試驗結果見表4。

3 瀝青混合料路用性能

3.1 路用性能改進方案

考慮到破碎卵石本身屬于酸性石料，為使瀝青與集料之間黏附性達到規范要求，在瀝青中加入一定量的抗剝落劑。采用重慶圣墾道路工程技術有限公司產AR瀝青抗剝落劑，分別對0.3%、 0.4%和0.5%三個不同摻量的瀝青混合料進行集料的黏附性試驗。試驗結果表明，0.3%摻量的石料黏附性能達到最高等級5級，瀝青膜完全保存，剝離面積百分率接近于0，滿足施工要求，確定為最佳摻量。

表4 瀝青混合料最佳油量馬歇爾試驗結果

為進一步改善破碎卵石與瀝青的黏附性，堿化骨料，提高瀝青混合料的路用性能，國內外專家經過多年的試驗研究及實踐總結[8-10]，提出了以下幾種改善酸性集料瀝青混合料路用性能的措施：（1）使用改性瀝青；（2）將水泥或消石灰作為填料的一部分，部分替代石灰石礦粉；（3）在瀝青中摻加抗剝落劑，如胺類化合物或非胺類化合物；（4）用石灰巖或玄武巖等酸性或堿性細集料部分或者全部代替酸性石料細集料。

該項目從實際出發，提出采用摻加抗剝落劑，用水泥替代部分礦粉，以這兩種單一或綜合的措施來改善破碎卵石瀝青混合料的路用性能。據此，制定了4種對比試驗方案。試驗方案的具體措施見表5。

表5 4種試驗方案的具體措施

由于高溫車轍是一般地區瀝青路面病害的主要形式，西藏高海拔地區氣溫較低，因此該項目中不對高溫性能做過多要求[9]。

3.2 低溫性能檢驗

低溫開裂是瀝青路面的常見病害之一。該項目地處西藏林芝高海拔地區，面臨常年低溫、日溫差大、太陽輻射強烈等環境氣候條件，瀝青路面極易產生溫縮裂縫，且比一般寒冷地區瀝青路面的裂縫間距更小，裂縫出現時間更早，嚴重影響著瀝青路面的使用性能和壽命。因此，在該地區修建瀝青道路使用的瀝青混合料必須具備良好的低溫抗裂性能。該項目采用間接拉伸試驗(劈裂試驗)和三點彎曲試驗評價破碎卵石瀝青混合料的低溫抗裂性能[11-15]。

劈裂試驗的結果表明，方案II、III和Ⅳ的脆化點溫度都接近-20℃，而方案I即不添加水泥和抗剝落劑的混合料脆化點溫度接近-10℃，說明各種抗剝離措施均能降低瀝青混合料的脆化點溫度，提高其低溫抗裂性能。同一溫度下，劈裂抗拉強度越大，混合料的低溫性能越好。總體來看，各種抗剝離措施的低溫性能改善效果為：方案IV＞方案II或III。

三點彎曲試驗的結果表明，相比方案I、II和III，方案IV在各個溫度下有較大的破壞彎拉強度、破壞彎拉應變，較小的彎曲勁度模量，其中方案IV的彎曲破壞強度最大，破壞彎拉應變最大，彎曲勁度模量最小。這說明當采取綜合的抗剝離措施后，破碎卵石瀝青混合料的低溫性能明顯改善。總體來說，三點彎曲的試驗結果與之前間接拉伸的試驗結果保持一致，即同時摻雜水泥和抗剝落劑時的低溫抗裂性能最好。

3.3 水穩性能檢驗

瀝青混合料在浸水條件下，由于瀝青與礦料的黏附力降低，導致其力學性能下降，進而產生水損害。抗水損害能力是瀝青混合料路用性能重要組成部分，破碎卵石集料應用于瀝青路面的關鍵在于提高酸性集料瀝青混合料的水穩定性。該項目根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JTJ052-2000)》[16]的瀝青混合料凍融劈裂試驗來評價破碎卵石瀝青混合料的水穩定性。4種不同試驗方案的凍融劈裂強度比試驗結果見表6。

表6 4種試驗方案下的凍融劈裂試驗結果

由表6可知，方案I的凍融劈裂強度比勉強能滿足規范要求，說明普通破碎卵石瀝青混合料的水穩定性有待提高。方案II、III、Ⅳ的凍融劈裂強度比與方案I相比，分別提高了9.2%～14.1%，均達到了規范要求，說明不同的抗剝離措施均能提高破碎卵石瀝青混合料的水穩定性。

進一步分析發現，采取摻水泥的措施對混合料水穩定性的改善效果不如摻抗剝落劑的措施。這可能是由于水泥具有較大的吸油性，使混合料的流動性變差，難以擊實，空隙率相對較大。對比方案Ⅳ與方案II、III的改善效果，同時摻抗剝落劑和水泥，比只摻水泥或抗剝落劑的方案效果更明顯。因此，該項目選用同時摻加水泥和抗剝落劑的方法來提高瀝青混合料的水穩性能。

3.4 疲勞性能檢驗

疲勞破壞是瀝青路面主要的破壞模式之一，而該項目所處西藏林芝高海拔地區，空氣稀薄、太陽輻射強度高，瀝青材料老化速度較快，因此也更容易導致瀝青材料的疲勞破壞。該項目采用小梁四點彎曲疲勞試驗來評估破碎卵石瀝青混合料的疲勞性能[17]，這也是目前運用最廣泛的疲勞試驗方法。表7為不同類型破碎卵石瀝青混合料在不同應變水平下的疲勞壽命。

表7 疲勞試驗數據表

由表7可以看出，不同類型的破碎卵石瀝青混合料的疲勞壽命隨應變水平的增加而減小。方案II在三種應變水平下的疲勞壽命次數與方案I的差別不大，說明抗剝落劑的加入對破碎卵石瀝青混合料的疲勞壽命影響不顯著。方案IV的疲勞壽命在各個應變水平下，均大于方案I和方案II，當應變水平為200 με，400 με和600 με時，方案IV的疲勞壽命依次為方案I的1.3倍、1.5倍和1.4倍。說明用水泥替代部分礦粉后能夠顯著改善混合料的疲勞性能。

4 結 論

該項目研究成果能夠改善破碎卵石瀝青混凝土路面的抗水損害能力，有效提高瀝青路面的路用性能，延長瀝青路面的使用壽命，減少日后的維修養護費用。該項目的推廣應用，將減少高速公路建設對優質石料的依賴，有利于緩解優質石料日益匱乏的局面，對于降低工程造價、加快工程建設周期有積極意義。此外，該項目的研究成果，能為卵石集料在高速公路建設中的應用提供有力的技術支持和保障，具有重大的經濟效益和社會價值。

（1）該項目選用高原河灘地帶的卵石進行加工破碎，成品各粒徑集料的物理指標能夠滿足道路設計和施工使用。

（2）西藏高海拔地區在選擇瀝青結合料時，應該選擇標號略高一些的瀝青，但也不宜過高，因為高標號的瀝青一般黏度較低，容易導致混合料產生松散等病害。對于本地區，瀝青的針入度宜控制在90左右。

（3）分析藏區高海拔公路的氣候和路面調查結果認為，最關鍵的路用性能是瀝青混合料的水穩性能、低溫抗裂性能和疲勞性能，高溫穩定性不作為本地區瀝青混合料設計考慮的主要指標。這是與一般地區存在明顯區別的地方。

（4）通過用水泥替代礦粉和添加抗剝落劑，能夠在很大程度上改善破碎卵石瀝青混合料的各項路用性能。實驗表明，同時添加水泥和抗剝落劑能最大限度提升瀝青混合料的路用性能。

[1]張偉.破碎卵石在瀝青路面中的應用研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[2]張海偉,郝培文,梁建軍.破碎卵石瀝青混凝土在新疆地區的應用研究[J].公路工程,2013,38(4):183-186.

[3]曹志偉.破碎卵石混凝土在農村公路路面工程中的應用[J].山西建筑,2010,36(35):258-259.

[4]張偉.破碎卵石瀝青混合料路用性能研究[J].市政技術,2015(3): 182-185.

[5]JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[6]Zhang L,Wang X.Optimal bitumen-aggregate ratio selection method of hot mix asphalt based on closest compaction condition [J].Journal of Testing and Evaluation,2009,37(5):1-5.

[7]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[8]邱穎峰,梁亞軍,許志鴻.對骨架密實結構判斷標準的改進研究[J].公路交通科技,2008,25(8):10-14.

[9]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

[10]Janoo V.Quantification of shape,angularity,and surface texture ofbase course materials [R].Cold regions research and engineering lab hanover nh,1998.

[11]Furnas C C.Flow of gases through beds of broken solids[M].US Government Printing Office,1929.

[12]朱夢良,張起森,陳強.瀝青瑪蹄脂碎石混合料的集料級配優化[J].中國公路學報,2001,14(2):1-5.

[13]馬霞,肖剛.破碎卵石瀝青混合料配合比設計研究[J].石油瀝青,2013(3):39-42.

[14]李立寒,張南鷺.道路建筑材料.[M].北京：人民交通出版社, 2005.

[15]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].上海:同濟大學出版社, 2003.

[16]JTJ 052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[17]JTG E42-2005，公路工程集料試驗規程[S].

U416.217

A

1009-7716（2017）03-0228-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.063

2016-12-21

劉潤喜（1979-），男，內蒙古呼和浩特人，工程師，從事路橋施工管理工作。