酸性石料在永武高速公路中的应用与经济性分析

■陈 涛

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路水运工程重点实验室，福州 350004）

1 概述

矿料的酸碱性通常是按照矿料的SiO2含量来划分的，SiO2含量大于65%的集料为酸性集料，以花岗岩为代表。

我省石料以高强度、酸性花岗岩为主，约占石料总量的50%以上。花岗岩属于火成岩的一种，主要成分是长石和石英，具有密度大、抗压强度高、孔隙率小、耐磨性好及耐久性高的优良技术特性。

永武高速公路位于福建省龙岩市，毗邻江西省和广东省，是福建至广东的出省大通道之一。试验段所处地区夏季高温多雨，冬季寒冷潮湿，属于1-4-1区。同时，永武高速公路沿线地方材料限制，优质路用集料短缺，当地料场主要生产偏酸性的路用集料，矿物成分中石英(SiO2)的含量达到了68%，属于典型的酸性石料。石料以酸性、坚硬的花岗岩为主，力学性能优良，但是其抗水损害能力不佳。在不采取抗剥落措施的时候很容易导致混合料的水稳定性不满足要求，导致路面发生水损坏，过早地出现剥落和坑槽。

2 酸性石料在沥青混凝土路面中应用的可行性分析

经调研，在使用酸性石料时目前国内外所采用的措施通常为对沥青进行改性和对石料进行改性两种。主要措施包括：

①第一种：在沥青中掺入液体类抗剥落剂，掺量一般为沥青质量的0.4%～0.5%。但一般液体抗剥落剂都为胺类外加剂，许多产品的受热稳定性较差，应用时应慎重，以免沥青及混合料在加热过程中抗剥离能力减小或消失，资料数据也证明某些抗剥落剂确实存在这种现象。

②第二种：采用改性沥青。改性沥青能够提高沥青混合料的水稳性也是不争的事实，但是采用改性沥青造价提高较大，且对设备、施工等要求较高。

③第三种：在沥青混合料中采用消石灰替代一部分矿粉，此种方案使用简单、效果较好，且造价提高不大。综合考虑到施工的造价及使用的效果，对于本工程经比较分析后推荐采用该种措施。

3 消石灰对酸性石料改善原理

在沥青混合料中，沥青与矿料之间的作用是一个复杂的物理-化学交互作用的过程，沥青与矿粉交互作用后，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层一定厚度的扩散溶剂膜，在此膜厚度以内的沥青称为"结构沥青"，在此膜以外的沥青称为"自由沥青"。如果矿粉颗粒之间接触处是由结构沥青膜所连接，这样促成沥青具有更高的黏度和更大的扩散溶化膜的接触面积，因而可以获得更大的粘聚力。因结构沥青的形成主要是由于矿料与沥青的交互作用，而引起沥青化学组分在矿料表面重新分布，所以在相同的沥青用量条件下，矿料愈细，表面积愈大，形成的结构沥青愈多，因而沥青混合料的粘聚力和强度也愈大。通常矿粉的比表面积约为2500～3500cm2/g，而消石灰的比表面积达7000cm2/g，使得沥青与集料之间的分子力增大。

此外沥青中含有少量羟酸使沥青呈现弱酸性。羟酸易附着在粒料的表面，当遇到水时，因水分子是极性物质，更易与粒料的极性分子结合，结果使沥青从粒料表面脱落。消石灰的主要成分是氢氧化钙Ca(OH)2，氢氧化钙是强碱性物质，当氢氧化钙与沥青中的羟酸接触时，即产生化学反应，具有较强的吸附性能，能牢固地黏附在粒料表面而不剥落，沥青就不会从粒料上剥落。消石灰不但能和沥青中的有机酸发生反应，而且能使集料表面活化，提高集料与沥青之间的黏结力。

4 消石灰改善黏附性试验研究

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用水煮法对酸性石料（云母石英片岩）进行黏附性试验，集料处治方法设计为：集料在设定浓度处治液中浸泡2～5s→风干大于10h→105℃烘箱中烘干4h→毛刷刷净表面→水煮法进行黏附性试验。

试验结果如下表1所示。

表1 沥青黏附性试验结果

根据试验结果，当云母石英片岩酸性集料未经处治时，其与基质沥青的黏附性等级只有2级，采用澄清石灰水进行处治后，水煮法黏附性等级有所提高，达到3级，但仍无法满足工程要求，随着石灰水浓度的加大，在石灰水悬浊液浓度达到10～30%时，集料与沥青黏附性等级明显提高，达到4级，说明一定浓度的石灰水对酸性集料进行表面活化可以改善其与沥青粘结料的黏附性，有利于提高沥青混合料的水稳定性。对酸性石料采用10%～30%浓度消石灰水进行表面活化处理后，均能够满足除表面层外的其他各层的技术要求。

5 沥青混合料应用

根据研究内容和工程实际情况，以永武高速公路试验路应用进行分析，永武高速沿线石料以酸性、坚硬的花岗岩为主，力学性能优良，但是其抗水损害能力不佳，依据筑路材料来源、路面结构功能、施工机具配备及施工技术条件等因素，提出了上面层AC-13试验段酸性集料用于沥青面层的技术方案：

（1）沥青上面层石料采用龙岩本地东云料场出产的云母石英片岩；

（2）以本地丰富的消石灰取代原方案抗剥落剂作为提高抗水损害的添加剂；

（3）消石灰掺量以集料总量为标准控制，本工程设计为集料总质量的1.0%；

（4）采用以消石灰等量取代矿粉质量，配置高碱性矿粉；

（5）鉴于抗水损害能力与耐久性相当，以经济性好的基质沥青取代改性沥青；

（6）变更上面层原AC-13设计方案为骨架级配，以提高路面高温稳定性。

试验段骨架级配设计如下表2所示。

表2 试验段沥青混合料级配通过率

该骨架级配中石灰岩矿粉掺量为4%，根据研究成果，确定矿粉中消石灰掺量确定为33%，取沥青用量4.3%和4.6%进行室内试验验证，试验数据如下表3。

表3 沥青混合料性能检测试验结果

室内试验结果表明4.3%与4.6%沥青用量的沥青混合料各项指标均可满足技术要求，最终综合考虑确定以4.4%沥青用量进行试拌，项目组对试拌沥青混合料进行了检测，检测结果如下表4。

表4 沥青用量4.40%试拌沥青混合料性能检测

试验段铺筑开始后，取样进行了沥青混合料的试验检测，检测结果如下表5和表6。

表5 试验路段沥青混合料抽检级配试验数据

表6 试验路段沥青混合料抽检马歇尔试验数据

在永武高速路段运营半年后，对试验段进行了跟踪检测，检测的主要指标为渗水系数、构造深度和车辙深度。相关检测数据如下表7所示。

表7 路面使用性能检测结果

跟踪检测期间，项目组人员对路面整体状况和外观进行了观测。总体来说，永武高速试验段整体使用效果良好，没有路面病害出现。

6 试验路段经济性分析

永武高速试验路段采用消石灰干法后加工艺改善沥青混合料水稳定性，粘结材料采用普通70号基质沥青，为了提高路面高温稳定性，沥青混合料采用骨架密实级配。与原设计方案相比，试验段初期建设费用得到了节省，而后期养护改造产生的费用与原方案基本没有差异，所以本试验路段的经济性分析主要集中在初期建设费用的节省上。根据市场价格调查，当前70号基质沥青价格约5100元/t，SBS改性沥青价格约6100元/t，矿粉价格约150元/t，消石灰价格约350元/t，抗剥落剂约12000元/t，面层石料统一按照约100元/t计算，价格计算对比见表8。

表8 永武试验段沥青混合料价格计算对比表 （元/t）

由上表计算可以看出，试验段沥青混合料较改性沥青AC-13沥青混合料价格低，降低幅度为（370-326）/370×100%=11.9%，价格差异部分主要由沥青产生。

由于采用基质沥青替代改性沥青，采用消石灰取代抗剥落剂，每吨沥青混合料的造价由370元降低为326元，节省材料费用11.9%；同时由于采用基质沥青，可以节省加热及碾压的部分能源费用，合计试验段较原设计方案节省工程建设费用可达到15%以上。

7 建议

(1)在选择沥青混凝土路面水稳定性改善措施时，宜根据实际工程条件和经济性综合考虑，综合采用不同措施联合改善，采取初期与后期均有较好改善性能的工艺方法，往往能达到1+1＞2的效果。

(2)无论改善方法如何有效，施工过程的严格把关是最终实现设计目标的关键环节，所以在施工时必须注意季节环境的影响，严格管理工程材料和施工工艺，以确保工程质量。

[1]JTG E42-2005,公路工程集料试验规程[S].

[2]李剑，郝培文.消石灰改善沥青混合料抗剥离性能研究.公路，2004.

[3]郑晓光，吕伟民.利用消石灰提高沥青路面的水稳性.石油沥青，2003.17.

[4]曾坚坚.掺消石灰改善沥青与酸性矿料的粘附性.中南公路工程，2003.28.