福州绕城高速公路路面石料应用概述

■　吴伟（福建路桥建设有限公司，福州　350001）



福州绕城高速公路路面石料应用概述

■吴伟
（福建路桥建设有限公司，福州350001）

摘要本文介绍了福州绕城高速东南段路面工程上使用石料情况。包括石料的料源特性与加工特性、石料碱值、石料与沥青的粘附性及石料的目标配合比设计等。

关键词高速公路石料碱值粘附性配合比设计

1　工程概况

福州绕城公路东南段路面工程B1合同段为沥青混凝土路面工程，起于连江洋门枢纽互通，与已建国家路网沈海线及福州绕城公路西北段相连，路线由西向东经浦口枢纽互通、浦口一般互通，穿越南峰隧道，终止于梅里枢纽互通，与沈海高速复线连接，全长20.004km。路线基本呈东西走向。沿线主要村镇为连江县的洋门镇、浦口镇、梅里村等。其所在地为典型的亚热带季风气候，气温适宜，温暖湿润，四季常青，阳光充足，雨量充沛，霜少无雪，夏长冬短，年平均气温为20～25℃；其中春季常阴雨绵绵，气温变化较大。有春雨期（3～4月）和梅雨期（5月）之分，春雨期天气冷热多变，有的年份还会出现倒春寒天气和冰雹等强对流天气；梅雨期温度显著升高，湿度大，雨水多；夏季以晴热高温天气为主，是出现局地热雷雨天气和热带风暴、台风活动最集中的时期。

2　路面结构类型

福州绕城公路东南段路面结构采用福建省常用组合式路面结构，路面结构如下表1所示。

其中整体式路基与分离式路基与表1完全一致，总厚度为73cm。互通匝道路基路面总厚度为68cm，结构层次类型没有变化，区别在于密级配沥青稳定碎石（ATB-25）上基层厚度为12cm，级配碎石下基层厚度为15cm。桥面路段仅铺筑设计路面结构的上面层和下面层，总厚度为10cm。为了保证工程质量，结合工程所处的地理位置与自然气候条件，该路段路面应当具有良好的抗水损害性能，同时还应当具有一定的抗高温能力。因此，各层次所采用的石料也有性能要求的。

表1　路面结构类型

3　路面工程用石料

3.1福建省石料概况

福建在构造上处于欧亚大陆板块东南缘，濒临太平洋板块，为环太平洋中、新生代巨型构造中岩浆带的陆缘活动带的一部分，是全球构造中岩浆活动最活跃的地区之一。地质上以燕山期中酸—酸性火山岩、侵入岩为主，地表则以火山岩为主。其中，酸性火山岩（流纹岩、英安流纹岩）分布最广，约占85％；中性岩和基性岩在我省分布范围很广，但储量相对较小：中性火山岩（英安岩、安山岩）约占10％；基性火山岩（玄武岩）小于5％；超基性火山岩罕见。

福建省闽西山体岩性以花岗岩和火山岩为主，间有凝灰岩、流纹岩出露。武夷山、永安、连城等地有红色岩层出露，构成风景奇丽的丹霞地貌景观；永安、宁化、龙岩、将乐等地有较大面积的石灰岩分布，溶洞、溶蚀洼地、峰林等喀斯特地貌发育。闽中山体岩性主要由花岗岩、流纹质凝灰熔岩、凝灰岩、流纹岩、英安岩、安山岩等组成。东部沿海花岗岩、流纹岩等火山岩遍布全区；闽江口以北以花岗岩高丘陵为主体。据统计花岗岩占全省岩石储量的70％以上，居全国第2位；石灰岩储量居全国前5位。

3.2石料性能要求

石料是指符合工程要求的岩石，经开采加工后用于公路工程的建筑石材的总称。它作为沥青路面的主要组成材料，其含量占沥青混合料的95％以上。而影响集料性质和质量因素有两个方面：一是生产加工特性，即保证集料的洁净、干燥、无风化、无杂质、良好的颗粒形状与棱角性、低的针片状颗粒含量。二是料源特性，即保证压碎值、洛杉矶磨耗值、表观相对密度、吸水率、坚固性、软石含量、磨光值、沥青粘附性等岩石固有物理性能方面满足技术要求。

在路面工程中，由于有经济性指标要求，因此优先考虑就地取材。这就意味着有时无法选择到最适合工程的石料。在此情况下，应尽早确定工程使用石料，并在相应的采石厂选取有代表性的石料，送至有资质的检测单位进行石料岩相的鉴定，同时对按规格开采出的各档粗、细集料进行检测。集料的检测结果需满足《福建省高速公路路面及交通安全设施施工标准化指南》与《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对各等级公路沥青路面用集料的要求。

3.3本工程采用石料

在本工程中ATB-25与AC-20C采用同样的石料，产自长乐松下碎石场，以下简称为石料1。该石料岩性鉴定为英安质晶屑凝灰熔岩。该岩石由各种火山碎屑物被中酸性火山熔岩物质胶结而成，无蚀变，呈现晶屑熔岩状结构，极局部保留流动构造。岩石成分中，安山岩屑＜1％，中至更长石晶屑呈角＜15％；云母晶屑＜1％；石英晶屑＜5％；中酸性熔岩物质＜80％。由上可知，该集料为火山碎屑岩，是酸性石料。

AC-16C石料产自霞浦盐田二洋里碎石场，以下简称为石料2。该石料岩性鉴定为流纹质玻屑晶屑凝灰岩。岩石组成岩石的物质组分为火山碎屑物；具体由它形晶、半自形晶屑与未变形玻屑被火山尘胶结而成。岩石成分中石英＜5％，长石类矿物＜25％，黑云母＜1％，榍石远小于1％，玻屑＜30％，火山尘＜40％。玻屑晶屑凝灰结构，定向排布。该集料是一种含火山灰含量较高的岩石，是中酸性火山碎屑变质作用的产物，石料偏酸性。

这两种石料的物理性能如表2所示。

表2　石料基本性能试验

4　石料碱值

矿料在沥青混合料中与沥青发生复杂的物理化学作用，矿料的化学性质在很大程度上影响着混合料的物理力学性质。一般认为基性岩或者碱性石料与沥青的粘附性好，酸性集料与沥青的粘附性差。这是由于沥青本身呈弱酸性，酸性集料与水亲合力较沥青大，在遇水后这些集料颗粒上的沥青膜被分离或剥落。因此酸性石料亦称亲水性集料。反之，憎水性集料即碱性集料与沥青有较好的粘结能力。

要准确确定集料的酸碱性，必须对矿料的化学组成进行分析。简易的方法是采用相对比较法来确定矿料的酸碱性强弱，即用分析纯的CaCO3作为标准，将石料酸碱性强弱与CaCO3进行比较，就可以得到石料酸碱性的相对强弱。具体方法是：用一定浓度的酸对一定粒径的石料进行侵蚀，测定消耗掉的氢离子的浓度，与相同条件下CaCO3所消耗的氢离子的浓度的比值，即定义为该矿料的碱值。上述两种石料碱值结果见表3。

表3　石料碱值

研究资料显示，石料碱值对沥青混合料的抗水损害性能有一定的影响。随着石料碱值的增大，沥青混合料的空隙率减小，沥青混合料马歇尔残留稳定度会显著增加，沥青混合料的抗水害能力逐渐增强；当石料碱值小于0.78时，须对石料或沥青进行预处理，才能满足抗水损害技术要求。

5　石料与沥青的粘附性能

集料与沥青的粘附性试验是用来检验粗集料表面被沥青薄膜裹覆后，抵抗受水侵蚀造成剥落的能力。在雨量充沛的地区，若粘结不佳，极易导致沥青路面的水损害。集料的化学成分和矿物组成影响沥青混合料的粘附性。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）以及《福建省高速公路路面及交通安全设施施工标准化指南》中对粗集料粘附性要求，对于高速公路、一级公路表面层粘附性等级为5级，其他层次为4级。本工程ATB-25采用的是70号沥青，AC-20C与AC-16C采用的是SBS改性沥青。结合工程，将石料1与70号沥青进行水煮法试验，同时将石料1与石料2与SBS改性沥青分别进行水浸法试验，检验石料的粘附性等级。在未掺加抗剥落剂的情况下，石料与沥青的粘附性均未能达到要求。当粗集料与沥青的粘附性不符合使用要求时，可以通过掺加抗剥落剂、消石灰、水泥或用石灰水处理后使用，也可以采用改性沥青的措施，来提高粗集料与沥青的粘附性。因此，在沥青中掺加0.2％的ARD沥青抗剥落剂再进行试验。同时考虑到石料应用到工程上后使用条件非常复杂，沥青与石料长时间暴露在空气中，在环境因素如受热、氧气、阳光和水的作用下，会发生一系列的挥发、氧化、聚合，乃至沥青内部结构发生变化，沥青老化导致路用性能劣化。沥青老化分为短期老化和长期老化两个方面。短期老化是指沥青在拌和及铺筑过程中的老化；长期老化则是指沥青在路面漫长使用过程中的老化。为了模拟沥青老化，对添加了抗剥落剂后的沥青分别进行短期老化（薄膜加热试验）与长期老化（旋转薄膜加热试验），之后再进行粘附性试验。试验结果见表4与表5。

表4　水煮法粘附性试验结果

表5　水浸法粘附性试验结果

根据上述试验结果可知，沥青经过短期老化后，与石料的粘附性均有下降，基本为下降0-1个等级。经过长期老化后，粘附性等级相比短期老化后又有所下降，其中石料1与70号沥青下降的最为明显。从总体上看，沥青在短期与长期老化后与石料的粘附性均有所降低，但观察石料上仍裹附的沥青情况可以看出，添加抗剥落剂后沥青受水侵蚀的气泡洞较少，且裹附的沥青厚度更为均匀。沥青与矿料表面的润湿性能下降不大，沥青仍能浸入和润湿矿料颗粒表面的孔隙和裂纹，仍具有相当的接触面积，待沥青降温固化后，还能够形成较高的强度。需要注意的是，福建省以酸性石料居多，在采取处理措施前石料与各种沥青的粘附性能大部分难以满足工程要求，需要在工程中进行预处理。目前主要措施有：石灰或水泥代替部分矿粉、加抗剥落剂、沥青改性、加金属皂等等。本工程中除了添加抗剥落剂外，还在矿粉中添加20％掺量的消石灰来提高石料的粘附性。

6　工程石料沥青混合料目标配合比设计

由于石料与沥青的粘附性试验的局限性，它主要用于确定石料的适用性，对沥青混合料的综合抗水损害能力必须通过就行相应的目标配合比设计，并进行浸水马歇尔、冻融劈裂试验以检验。因此沥青混合料目标的配合比设计也是保证工程质量的关键环节，针对不同石料的各层次的沥青混合料目标配合比设计也一个重要步骤。

6.1石料1 ATB-25目标配合比

该配合比用于路面的上基层，存在着骨料粒径大，容易离析，厚度高难以压实等问题。沥青混合料的碾压应遵循紧跟、慢压、高频、低幅的原则进行。混合料摊铺后必须紧跟着在尽可能高温状态下开始碾压，不得等候。不得在低温状态下反复碾压，防止磨掉石料棱角、压碎石料，破坏石料嵌挤。合成级配及混合料路用性能如表6、表7所示。

表6　ATB-25混合料合成级配

表7　ATB-25混合料路用性能

6.2石料1 AC-20C目标配合比

该配合比用于路面的中面层。福州绕城公路东南段连接福州附近多条高速公路与各重要发展区域，交通量较大，需要中面层混合料有抗车辙能力。合成级配及混合料路用性能如表8、表9所示。

6.3石料2 AC-16C目标配合比

表8　AC-20C混合料合成级配

表9　AC-20C混合料路用性能

该配合比用于路面的上面层。福州绕城公路东南段所处地区夏季高温多雨，路面混合料容易受到降水、路面渗水等因素的影响，在水的浸泡及车辆荷载的作用下可能会发生沥青膜剥离、掉粒、松散等现象，从而影响材料的渗透性能和抗变形性能。该AC-16C级配空隙率较低，残留稳定度与冻融劈裂强度比较高，有很强的抗水损害性能，同时该级配也兼顾了高温性能。其合成级配及混合料路用性能如表10、表11所示。

表10　AC-16C混合料合成级配

表11　AC-16C混合料路用性能

7　结语

福州绕城公路东南段路面工程于2015年12月通过交工验收，并正式通车，整体使用效果良好，没有路面病害出现。本工程从石料的确定、石料性能检测到石料的配合比设计都是以“就地取材，按需设计”为原则，解决了石料紧缺问题，减少工程建设成本，节省社会运力；在性能方面在优先保证路面抗水损害能力的同时兼顾路面的高温性能，确保工程质量。该工程获得了初步成功，我们也将对其进行进一步的跟踪观测，获得长期数据，提高施工水平。

参考文献

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