宁夏红砂岩集料用于桥面下面层铺筑的可行性研究

李国智

(山西吕梁环城高速公路管理有限公司，山西 吕梁 033000)

沥青路面发生的累积变形，如车辙、拥包、滑移等病害，均与沥青混合料设计抗剪强度不能抵抗高温时段路表车轮作用下的最大剪应力，而出现一系列的病害。随着国民经济的快速增长，交通量和交通荷载向多轴次、重轴载、高轮压、多渠化的特点发展，最终导致采用较旧经验铺筑的沥青路面破坏时间大幅度提前，进而造成巨大的经济损失。所以，采用现代手段从根本上解决沥青路面抗车辙、抗拥包等病害迫在眉睫。

宁夏某黄河大桥桥面铺装下面层采用AC-20C中粒式沥青混凝土，设计碎石采用石质坚硬、耐磨、清洁、不含风化颗粒、近立方体的颗粒石灰岩碎石。为了进一步提高工程质量，对该黄河大桥中面层已备部分石灰岩和宁夏冯党沟石料场红砂岩的性能指标进行了对比分析。

1 理论分析

从路面力学受力分析可知，路面结构最大剪应力发生在1～9 cm，如图1，且随着车辆轴载的增大和轮胎接触压力的增加，路面剪应力也随之增大，剪应力峰值在路面深度9 cm以下才会出现衰减。因此，黄河大桥随着车辆轴载增加，沥青上、下面层(4 cm+6 cm厚)产生失稳性车辙的可能性就会增加。上面层采用红砂岩SBS改性沥青混合料后，下面层采用抗车辙性能更为优越的沥青混合料，即红砂岩SBS改性沥青混合料，将会大幅度提高桥面的整体抗车辙抗变形能力。

图1 双圆荷载最大剪应力随深度变化图

2 两种集料的性能比较

2.1 两种集料的物理指标比较

对黄河公路大桥已选定的套门沟石料场石灰岩、冯党沟石料场红砂岩的物理指标进行了对比。沥青选用SBS改性沥青，抗剥落剂为北京科宁远大路桥有限公司生产的KN-1型抗剥落剂。试验结果见表1。

表1 两种集料的物理指标试验结果

由表1可知，冯党沟石料场红砂岩与套门沟石料场石灰岩相比，冯党沟石料场红砂岩具有低压碎值、低吸水率、低水洗后<0.075 mm含量、低软石含量、低针片状的优点。虽然红砂岩与SBS改性沥青的黏附性为4级(未掺抗剥落剂)，但掺0.4%抗剥落剂后，也可以达到与石灰岩相同的黏附性能等级。

2.2 两种集料的高温压碎值比较

红砂岩的压碎值比石灰岩低，表明红砂岩具有更高的抗压强度，可以更好的承载沥青层顶面向下传递的水平、竖向荷载，而沥青路面下面层混合料拌和过程中，集料需要加热至180 ℃后再进行拌和。依据多年经验，部分集料在高温加热后会出现集料崩解、裂解、压碎值下降等现象。所以，进行了两种集料的高温压碎值试验，试验结果见表2。

表2 两种集料的高温压碎值试验结果

从表2可以得出，两种集料4 h180 ℃高温作用后，套门沟石料场石灰岩集料压碎值存在衰减的现象，而冯党沟石料场红砂岩压碎值未衰减。表明红砂岩具有在沥青混合料拌和过程中，经180 ℃高温作用后，仍可保持集料不发生崩解、强度不发生降低的特性，其性能优于石类岩。

3 两种集料拌和的沥青混合料性能比较

3.1 高温性能比较

对已选定的套门沟石料场石灰岩、冯党沟石料场红砂岩拌和的混合料进行车辙性能试验。油石比均选用最佳油石比，石灰岩AC-20沥青混合料最佳油石比选用4.4%，红砂岩AC-20沥青混合料最佳油石比选用4.3%，级配见表3。车辙试验结果见表4。

表3 级配设计结果

表4 两石料场集料拌和混合料的高温性能试验结果

由表4可知，相同级配的情况下，采用冯党沟石料场的红砂岩相比套门沟石料场石灰岩拌和的混合料，动稳定度可提高约30%。主要原因为冯党沟石料场红砂岩具有较好粒形，并通过水洗后，集料较为洁净，与添加抗剥落剂的SBS改性沥青拌和后可以形成较好的骨架嵌挤结构，而套门沟石料场石灰岩的粒形较差，在型成骨架嵌挤结构过程中，过多的针片状集料将对混合集料骨架的形成产生一定的干涉作用，路表面荷载向下传递的过程中，将不能很好的通过集料骨架向下传递，而通过中间沥青胶浆向下传递时，将有可能产生流动性车辙等病害。

3.2 抗水损坏性能比较

对黄河公路大桥第YS1合同段已选定的套门沟石料场石灰岩、冯党沟石料场红砂岩拌和的混合料进行了抗水损坏性能试验，试验结果见表5。

表5 两石料场集料抗水损坏性能试验结果

从抗水损坏角度讲，红砂岩和石灰岩的残留稳定度相差不大，而在极度严格的冻融劈裂循环后，两种集料的抗水损坏性能产生一定的偏差，但对于宁夏干旱地区，红砂岩的抗水损坏性能也可以满足当地的气候要求。

4 经济指标比较

该黄河大桥桥面下面层中粒式沥青混合料总量为2 288.76 m3，粗集料由石灰岩更换为红砂岩后，每方混凝土费用增加84.13元，总增加建安费19.26万元。

依据设计图纸，该黄河大桥一个车道上累计当量轴次为1 228.5万次，路面设计交通等级为重交通等级，沥青路面车辙最大剪应力主要发生在1～9 cm内，采用红砂岩后，沥青路面的抗车辙性能将大幅度提高。在沥青路面设计周期15年内，采用红砂岩集料后至少可以减少一次因车辙而引起的中修(铣刨重铺上下面层)，维修处治费用估算：1.4 km×31.5 m×150元/m2×1次=661.5万元，折合一次维修处置费用为661.5万元。如前期增加建安费19.26万元，将至少减少一次维修处治次数，节约维修养护费用642.24万元(661.5-19.26=642.24)，总体节约维修费用可观。

5 选用红砂岩的可行性结论

(1)冯党沟石料场红砂岩与套门沟石料场石灰岩相比，冯党沟石料场红砂岩具有低压碎值、低吸水率、低水洗后<0.075 mm含量、低软石含量、低针片状的优点，在原材料性能方面表现为优质集料。

(2)不管是常温压碎值、还是180 ℃高温压碎值，红砂岩集料的压碎值均优于石灰岩集料。

(3)采用两种集料进行沥青混合料性能比较时，发现红砂岩拌和的混合料抗车辙性能明显优秀于石灰岩混合料，同时，在极度严格的冻融劈裂循环试验后，红砂岩拌和的混合料抵抗冻融劈裂循环能力也优于石灰岩混合料。

(4)从经济指标比较，虽然采用红砂岩铺筑该黄河大桥的桥面下面层总增加建安费19.26万元，但至少可以减少一次因车辙、破损而引起的中修，可节约维修养护费用642.24万元，经济效益可观。

(5)该黄河大桥选用红砂岩集料拌和的沥青混合料铺筑桥面下面层相比石灰岩优势明显，技术经济指标可行。