国内外轻集料沥青混凝土研究现状

江陈龙，钱振东，贾彦卿

(1.林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，中国重庆401121;2.东南大学 智能运输系统研究中心，中国江苏南京210096;3.锡林郭勒盟交通运输局，中国内蒙古锡林浩特026000)

近年来，交通基础设施建设快速发展，截至2007年底，全国公路桥梁达57.00万座、2 319.18万延米;公路总里程达 3.583 7 ×106km［1］。这些工程的铺筑需要大量砂石材料，而目前砂石材料主要通过开采山体和挖掘河道获取，这给自然环境造成不可恢复性的破坏，如由于大量开采山体，造成生态破坏，大量山体裸露，植被难以恢复，甚至发生滑坡等灾害。此外，凡是开山取石的地方，其周边地区尘土飞扬，污染严重，农田普遍被尘土覆盖，直接危害农作物的正常生长，严重影响农业产量。粉碎石料形成的粉尘弥漫在空气中危害着附近居民的身体健康与生活质量。因此，开发新的材料替代砂石料，减少对山体的开采，对于保护环境、提高生活质量，促进农业生产是很有利的，这也应是公路可持续发展的根本趋势所在。

轻集料(陶粒、陶砂)作为“在错误时间放在错误地点的资源”的工艺制成品，逐步替代普通砂石料应用在公路行业，这与我国大力发展生态型循环经济的要求一致。目前，国内有关轻集料应用道路工程的研究主要集中于轻集料水泥混凝土，关于轻集料沥青混凝土也开展了试验性的研究［2］;国外的研究除了轻集料水泥混凝土外主要集中在沥青表面处治及维修，关于轻集料沥青混凝土的研究处于起步阶段［3-4］，但也取得了可喜成果［5-6］。轻集料替代普通集料能改善沥青混凝土抗滑性能、抗车辙性能和水稳定性，提高弹性模量，并能减轻沥青混凝土的质量［2，5-7］，这为路面和桥面铺筑工程提供新的选择。

我国幅员辽阔，资源丰富，具有发展各类轻集料的良好条件。因此，笔者从国内外结构用轻集料、轻集料沥青混凝土以及国内外的相关规范等3方面概述目前最新研究成果，为我国轻集料沥青混凝土研究与应用提供参考。

1 结构用轻集料

1908年，美国人史迪芬.海德首次发现页岩的膨胀性，经过研究于1918年获得回转窑烧制页岩陶粒的专利［8-9］，这是轻集料的发端。

轻集料在国外较大规模的兴起，开始广泛工业性应用，是受第一次世界大战的刺激。随后，轻集料的应用逐渐从造船过渡到以桥梁为主的土木工程和以高层建筑为主的建筑工程两大领域。20世纪90年代至今，国外陶粒的应用领域由传统的土木工程，逐渐转向制品;陶粒的原材料由传统的黏土、页岩转向工业废渣和淤泥;陶粒生产技术逐渐形成成熟的体系［10］。

目前，高性能轻集料发展与应用在国外各国得到相当高的重视，其强度、密度以及吸水率等技术指标都有很大改善。其中以美国的Aquadale高性能轻集料，挪威的Leca800轻集料，德国的Liapor8高性能轻集料以及日本Tachibani生产的黑云母流纹岩高性能轻集料为代表，其部分技术指标详见表1。

表1 国外高性能陶粒部分技术指标Table 1 Several qualification of high-performance ceramic aggregate at abroad

此外，国外对混凝土结构用轻集料都有了相关的技术规范，如欧洲共同体 EN 13055-1、美国ASTM C 330以及日本JIS A 5002标准，现将美国和日本的标准分别汇总于表 2［11］和表 3［12］。

表2 结构混凝土用轻集料规范(美国ASTM C 330)Table 2 Standard specification for lightweight aggregates for structural concrete(ASTM C 330 USA)

表3 结构混凝土用轻集料规范(JIS A5002)Table 3 Standard specification for lightweight aggregates for structural concrete(JIS A5002)

我国轻集料的研究与应用经历了曲折性的变化，总体经历了3个阶段［13-15］:20世纪50年代至70年代初试验试制的初始阶段;80年代的衰退阶段;80年代末至90年代末的发展填充轻集料，结构轻集料研发与应用近乎停滞阶段。进入21世纪，我国陶粒虽随着工业的发展，逐步进入了发展相对稳定的时期，陶粒的工业应用研究也有了新的发展，但是与一些国家相比，差距较大，尤其是高性能陶粒的发展与应用。我国高强粗陶粒(轻粗集料)的指标详见表4。

表4 我国高强轻粗集料部分技术指标Table 4 Several qualification of high-strength lightweight coarse aggregate in China

2 国外轻集料沥青混凝土

在国外，轻集料应用于沥青路面铺筑工程，经历了由轻集料沥青碎石封层研究与工程应用到轻集料沥青混合料研究的两主要发展阶段。

2.1 轻集料沥青碎石封层

轻集料沥青碎石封层主要从性能、沥青与轻集料的黏附性和工程实践3方面进行研究，发展得比较成熟，这也为轻集料替代普通集料应用于沥青混合料的研究打下坚实基础。早在20世纪五六十年代，Gallaway，等［16］就开始轻集料应用于沥青碎石封层铺面工程的研究，得出轻集料能提供比天然石料更优越的抗滑性能的结论，并于1962年由美国德克萨斯州公路局在Abilene区首次铺筑轻集料沥青碎石封层试验段［17］。随后，德克萨斯州交通运输研究所对轻集料进行了系统综合性研究［18］，研究表明，在冻融条件和加速冻融试验下，轻集料没有明显的退化现象，由于轻集料与沥青间的良好黏附性，能很好地减少飞石击碎挡风玻璃的机率，改善路面的抗滑性能，并可以作为统一级配材料使用。文献［17，19］对沥青与轻集料黏附性以及沥青陶粒碎石封层的性能进行了研究，由于附着在天然石料上的灰尘和石料的特性影响，以及轻集料的非活性、表面不易沉灰等特性，使得沥青与轻集料间的黏附性能较天然石料强，而且抗滑性高。

美国“膨胀页岩、黏土、板岩(ESCS)公司”对人造轻集料用于碎石封层的研究也表明［6，20］，其与沥青的优越黏附性改善了路面性能比用传统集料更安全、更经济;轻集料不会随着使用时间和磨耗作用而被“磨光”［21-22］，因为其内部的多孔性，表面文理被磨光的同时又有新的粗糙文理出现。这些结论以及轻集料应用于沥青碎石封层的成功性最终被NCHRP Synthesis 342文件［23］所证实，该文献也对各国轻集料沥青碎石封层的使用情况进行了统计，美国有29%的道路部门使用，而澳大利亚、新西兰、英国和南非有43%。

2.2 轻集料沥青混凝土

然而，国外很多研究报告针对当时的情况阐述了轻集料用于路面工程的不足，如吸水率较高、强度较低和成本较高等，这也是造成国外轻集料热拌沥青混凝土的研究和应用相对碎石封层较少的原因。但随着高性能轻集料的发展，上述的不足逐渐得到改善，如表1中日本Tachibani生产的高性能轻集料，吸水率低、强度高，而且其比重可降为普通集料的25%［8］。这为轻集料沥青混凝土的发展提供了广阔的空间，国外研究者也纷纷开始对其展开了研究，主要集中在轻集料的掺加比例、混合料的性能以及轻集料与沥青间的黏附性等方面。

Hooper，等［5］就粉煤灰和塑料轻集料的掺加比例对热拌沥青混合料的体积比重、最大理论密度、弹性模量、车辙试验以及间接拉伸强度的影响进行了理论研究，得出掺加轻集料能提高沥青混凝土的刚度，改善车辙性能、减小吸水率，并且随着掺加比率的增加，混合料的比重在不断减小，最终推荐掺加轻集料的质量百分比为15%。

文献［24］对城市固体废弃物焚烧底灰轻集料进行了研究，研究结果表明，可以配制出最大替代量为75%(占集料的质量百分比)的满足规范要求的轻集料沥青混凝土，并给出了轻集料的退化过程。此外，沥青混凝土的密度随着轻集料替代量的增加而减小［5，24］，并且同一路面铺筑同样长度，轻集料沥青混凝土较传统沥青混凝土节约近30%的集料(以体积计算)［3］。然而，国外相关研究也有其不足之处。如Hooper等人没有对混合料的低温性能与疲劳性能进行分析，也没有进一步分析掺加20%的轻集料沥青混凝土;文献［21］没有对混合料的疲劳性能进行研究。

2.3 道路用轻集料规范

国外虽然已有关于轻集料(陶粒)沥青混凝土的规范和标准，如美国的ASTM 标准［25-27］、欧洲的EN 标准［28］和日本的 JIS 标准［29］，但标准中的试验方法很多是沿用传统的方法，并没有进行稳定性评价。如欧洲BS EN 13055-2:2004标准里的轻集料抗磨耗性能的试验是沿用普通集料的试验方法，并且没有对其适用性进行评价。现将美国ASTM和日本 JIS 的相关标准汇总于表 5［25-27］和表 6［29］。

表5 沥青混合料用轻粗集料规范Table 5 Standard specification for coarse aggregate for bituminous paving mixtures

表6 道路用碎石规范Table 6 Crushed stone for road construction

3 国内轻集料沥青混凝土

我国研究者主要是对轻集料水泥混凝土的理论与应用进行研究，并制定了相关的规范与标准［30-32］。但由于国内轻集料发展缓慢，尤其是高性能轻集料，使得国内陶粒沥青混凝土及沥青路面的相关研究与应用偏少。目前，国内研究者主要从轻集料类型选用、轻集料掺加比例、轻集料与沥青的黏附性以及轻集料沥青混合料性能等方面进行试验研究。

于淑敏，等［33］以硅藻土陶砂替代矿粉作为填料，对轻集料沥青路面混合料的结合强度与稳定性进行研究，研究表明，用硅藻土陶砂不仅可以替代优质矿粉，并且表现出优异的综合性能，如抗拉强度高、与沥青的黏附性强以及水稳定性好等。

文献［2，34］对高强度破碎型页岩陶粒代替AC-20I中花岗岩石料进行了试验研究，配制出密度较小的沥青陶粒混凝土，并铺筑试验段进行研究。研究表明破碎型陶粒较圆球形的更适宜于道路沥青混凝土用粗集料，与普通花岗岩石料沥青混凝土比较，沥青陶粒混凝土各项性能与前者无明显差异，但密度减小20%左右，并且耐磨性较好。对试验段使用16个月后和3年后进行观测，沥青层状况良好，无明显车辙，有少量细小裂纹，个别陶粒表面沥青膜已经脱落，但路面总体状况良好，路用性能较佳。

此外，台湾学者成功研究开发出用水库淤泥生产轻集料，并对其工程应用进行了研究，建立了淤泥轻质骨料应用技术资料库。文献［7］即是台湾学者对水库淤泥轻集料用于多孔排水性路面的试验研究，提出体积替代率为15%(占集料的总体积)的轻集料沥青混凝土是最适合的，与传统的碎石沥青混合料相比，轻集料能改善沥青混凝土的抗滑性能、耐久性能、抗车辙性能、抗剥落性能以及水敏感性，并从微观结构初步分析了沥青与轻集料间的黏附性。与文献［5］类似，作者没有对其低温性能进行研究，对体积替代率大于15%的轻集料沥青混凝土也没进行具体分析。

4 结语

目前，轻集料在铺面工程的应用主要集中于水泥混凝土铺面工程，这主要是由于较普通砂石材料轻集料的吸油率高。但是国内外研究表明轻集料的掺加，能改善沥青混合料的性能，如强度增加、弹性模量提高以及密度减小等。强度和模量的增加，可以适当减薄路面的厚度;等质量的混合料，密度的降低将增加铺面的长度。通过理论和试验研究，这些都可以有效地消除轻集料吸油率高的缺点。这也从理论上说明轻集料沥青混合料用于铺面工程是可行的。

但是，依据现阶段我国轻集料及轻集料沥青混合料的研究现状，应从以下几方面展开进一步研究。

1)轻集料掺加量。国内外虽有关于轻集料掺量的研究，但多是停留在小范围，另外对大掺量的沥青混合料未作经济性分析。因此，需要大范围的研究轻集料的掺量，并对每一掺量混合料的使用性和经济性进行分析。

2)轻集料沥青混合料性能试验。纵观前述的文献，可以看出轻集料沥青混凝土的研究在国内外尚属起步阶段，对其性能的研究不够全面，尤其是国内的相关研究十分少。

3)轻集料沥青混凝土路面实际工程跟踪调研。在不同交通量路段铺筑试验段，对其进行跟踪调查研究，研究混合料路面性能的变化规律，总结实际工程经验，进一步指导理论研究工作。

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