綠片巖集料在高速公路面層的可持續應用與改進策略研究

霍勝齊

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南 250002）

1 引言

隨著交通強國戰略的全面實施以及國家生態環境保護的常態化， 交通基礎建設在我國的發展中已經逐漸占據了至關重要的地位。 然而，近些年來，交通基礎建設所需的玄武巖、石灰巖等優質筑路原材料，尤其是堿性集料，面臨著供應數量和質量上的巨大難題。 與此同時，儲量豐富的花崗巖以及片巖等偏酸性的變質巖石原料，由于與瀝青膠結料黏附性較差，未能在交通基礎建設中得到有效利用。

在武漢至大悟高速公路項目沿線， 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、經濟合理、技術可行的工程建設選擇。 然而，該石料的黏附性僅為3 級，綠片巖集料與瀝青的黏附性較差， 導致綠片巖集料的瀝青混合料的水穩定性能不良， 嚴重制約了其在高等級公路面層中的應用。 目前針對綠泥石片巖集料黏附性的研究和工程應用，國內外相關的研究以及工程應用案例均較少。 因此，本研究旨在通過科學的技術手段， 解決綠泥石片巖集料與瀝青黏附性差、混合料水穩定不足的問題，以提高混合料的耐久性，從而實現對該石料的有效利用。

2 綠泥石片巖石料的特性分析

綠泥石片巖是工程建設中一種巖石材料， 其化學成分和物理特性對于其在高等級公路面層中的應用至關重要。 根據室內巖性成分分析，綠泥石片巖的SiO2含量為50.1%。 按照通常的酸堿性分類標準，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。 據此標準， 綠泥石片巖被歸類為堿性石料。 綠泥石片巖現場照片如圖1 所示。 理論上，堿性石料與瀝青應具有良好的黏附性，適用于高等級公路面層。 然而，根據室內黏附性試驗結果，綠泥石片巖的黏附性僅為3 級，表明實際黏附性與其堿性分類不符。 這可能受到其他成分或結構的影響，以及室內試驗與實際使用條件之間的差異。 針對上述問題，需進一步研究綠泥石片巖的其他化學成分，特別是可能影響黏附性的成分，以便全面地了解其性質。 考慮進行更接近實際條件的黏附性測試， 以便準確地評估綠泥石片巖在高速公路面層中的實際應用潛力。

圖1 綠泥石片巖現場照片

3 武漢至大悟高速項目中綠泥石片巖石料的應用研究

3.1 綠片巖集料、瀝青界面黏附機制與分析模型

綠片巖集料在瀝青混合料中的應用涉及復雜的力學性能以及界面黏附機制， 因此需要通過綜合各方面的研究來確立選材的標準以及性能評價體系。 首先，通過對綠片巖集料的宏觀力學性能進行深入分析， 同時結合基礎巖性分析和微觀結構研究，確定選材標準。 建立綠片巖集料性能指標評價體系，這有助于準確地評估其在瀝青混合料中的適用性[1]。

針對武漢地區使用的綠片巖集料，研究其二維形態結構、比表面積、 孔徑大小與瀝青黏附變化特征是必要的。 通過集料-瀝青黏附力試驗、集料-瀝青滲入深度試驗、集料-瀝青界面黏附結構可視化研究以及集料與瀝青接觸角研究等手段，可以全面評價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制。集料-瀝青滲入深度試驗如圖2 所示。

圖2 集料- 瀝青滲入深度試驗

3.2 綠泥石片巖瀝青混合料的配合比設計方法

針對綠泥石片巖瀝青混合料的配合比設計方法， 需要考慮以下9 個方面的內容。 （1）對綠片巖集料與瀝青的黏附性進行深入研究，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律；（2）研究綠片巖集料在含水量變化時材料性質的變化， 尤其需要關注其水敏特性對路用性能的影響；（3）考慮在混合料中引入不同類型的抗剝落劑， 分析其對瀝青混合料水穩定性的改善效果，結合1988 年美國SHRP 計劃的經驗進行參考；（4）參考相關領域學者的研究成果，了解密實度對砂礫石混合料內摩擦角的影響， 并考慮如何在綠片巖集料中優化這些影響因素；（5）比較國內外關于綠片巖集料瀝青混合料的相關規范，特別關注美國的AASHTO 設計方法、美國地質瀝青協會等的相關規定，為其配合比的設計提供相應的參考依據；（6）研究復合改性瀝青在綠片巖瀝青混合料中的應用效果，結合具體的工程地區的石料特性選擇合適的改性材料；（7）考慮特定工程地區的石料資源，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）對不同地區采用綠片巖瀝青混合料的施工工藝進行研究，包括混合料的制備、鋪筑工藝等；（9）通過優化配合比設計，確保綠片巖集料瀝青混合料具有足夠的水穩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措施和評價方法

綠泥石片巖集料瀝青混合料的改進措施和評價方法涉及瀝青與集料之間的黏附性能以及水穩定性， 可以通過以下4個方面做出針對性的改性措施。

1）黏附性的改善方法：采用攪動水凈吸附法，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， 以阻止水損害的發生。 同時也可以探索抗剝落的措施，以提高水穩定性。

2）研究相關案例并總結以往經驗：分析相關工程高速公路使用抗剝落劑的經驗， 了解其對改善石料與瀝青的黏附性的效果。 研究結果表明，骨架密實型級配瀝青混合料的水穩定性明顯優于懸浮密實型級配， 采用消石灰有助于提高綠片巖混合料的水穩定性。

3）瀝青的性質對整體黏附性的影響：已有研究結果表明，瀝青的酸值越大，絕緣強度越小，蠟含量越低，與集料的黏附性越好，這是一個改進的重點方向。 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：試驗研究發現，綠片巖采用水泥飽和溶液處理，通過水煮試驗法來測試剝落率，這是改進的一個方法。 另一方面，研究活性礦粉、消石灰和水泥對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詳見圖3。

圖3 集料- 瀝青黏附性改善研究試驗曲線

4 研究意義和應用前景

針對綠片巖集料在高速公路面層的應用研究具有深遠的意義且應用前景廣闊。 目前對其在實際工程中的應用分析存在局限，缺乏對綠片巖巖性性能的提升技術措施，進一步研究能夠填補這一空白， 深化對綠片巖集料的路用性能和工程應用的認識。 國內外研究成果表明，經過優化設計的綠片巖在高速公路上可滿足性能要求， 與此同時帶來的是顯著的經濟、社會和環境效益，并且能夠緩解生態壓力，解決原材料的供應需求。

綠片巖集料的相關研究可以為其在路面應用奠定理論基礎，為設計綠片巖集料瀝青混合料提供一定的參考價值，有助于提升路面性能。 在生態保護意識日益增強的背景下，更好地利用豐富的低品質地材、實現就地取材、減少對外地取材的依賴，將是未來交通基礎建設必須重視的問題，可為實現可持續的綠色發展鋪平道路。

5 結論和展望

在交通強國戰略和國家生態環境保護常態化的背景下，堿性集料在筑路原材料中面臨著數量和質量的挑戰， 而偏酸性的變質巖石由于與瀝青黏附性差未能進行有效應用。 綠泥石片巖石料作為一種經濟合理的選擇， 但其黏附性差限制了在高等級公路面層的應用。 針對這一問題，本研究通過深入分析綠泥石片巖集料與瀝青黏附性差、混合料水穩定性不足，提出了配合比設計的改進和評價方法，以提高混合料的耐久性，實現對綠片巖資源的有效利用。 未來可以進一步深化對黏附機制和性能調控的研究，通過試驗探索并改進其黏附性，結合新型添加劑或改性措施提高綠泥石片巖石料的性能， 促進其在道路工程中更廣泛、更有效的應用，為高速公路的可持續發展提供理論和技術支持。