绿片岩集料在高速公路面层的可持续应用与改进策略研究

霍胜齐

（中铁十四局集团第四工程有限公司，济南 250002）

1 引言

随着交通强国战略的全面实施以及国家生态环境保护的常态化， 交通基础建设在我国的发展中已经逐渐占据了至关重要的地位。 然而，近些年来，交通基础建设所需的玄武岩、石灰岩等优质筑路原材料，尤其是碱性集料，面临着供应数量和质量上的巨大难题。 与此同时，储量丰富的花岗岩以及片岩等偏酸性的变质岩石原料，由于与沥青胶结料黏附性较差，未能在交通基础建设中得到有效利用。

在武汉至大悟高速公路项目沿线， 存在大量的绿泥石片岩石料，这为我们提供了一种因地制宜、就地取材、经济合理、技术可行的工程建设选择。 然而，该石料的黏附性仅为3 级，绿片岩集料与沥青的黏附性较差， 导致绿片岩集料的沥青混合料的水稳定性能不良， 严重制约了其在高等级公路面层中的应用。 目前针对绿泥石片岩集料黏附性的研究和工程应用，国内外相关的研究以及工程应用案例均较少。 因此，本研究旨在通过科学的技术手段， 解决绿泥石片岩集料与沥青黏附性差、混合料水稳定不足的问题，以提高混合料的耐久性，从而实现对该石料的有效利用。

2 绿泥石片岩石料的特性分析

绿泥石片岩是工程建设中一种岩石材料， 其化学成分和物理特性对于其在高等级公路面层中的应用至关重要。 根据室内岩性成分分析，绿泥石片岩的SiO2含量为50.1%。 按照通常的酸碱性分类标准，SiO2含量大于65%的石料为酸性石料，SiO2含量小于52%的石料为碱性石料，SiO2含量在52%～65%的石料为中性石料。 据此标准， 绿泥石片岩被归类为碱性石料。 绿泥石片岩现场照片如图1 所示。 理论上，碱性石料与沥青应具有良好的黏附性，适用于高等级公路面层。 然而，根据室内黏附性试验结果，绿泥石片岩的黏附性仅为3 级，表明实际黏附性与其碱性分类不符。 这可能受到其他成分或结构的影响，以及室内试验与实际使用条件之间的差异。 针对上述问题，需进一步研究绿泥石片岩的其他化学成分，特别是可能影响黏附性的成分，以便全面地了解其性质。 考虑进行更接近实际条件的黏附性测试， 以便准确地评估绿泥石片岩在高速公路面层中的实际应用潜力。

图1 绿泥石片岩现场照片

3 武汉至大悟高速项目中绿泥石片岩石料的应用研究

3.1 绿片岩集料、沥青界面黏附机制与分析模型

绿片岩集料在沥青混合料中的应用涉及复杂的力学性能以及界面黏附机制， 因此需要通过综合各方面的研究来确立选材的标准以及性能评价体系。 首先，通过对绿片岩集料的宏观力学性能进行深入分析， 同时结合基础岩性分析和微观结构研究，确定选材标准。 建立绿片岩集料性能指标评价体系，这有助于准确地评估其在沥青混合料中的适用性[1]。

针对武汉地区使用的绿片岩集料，研究其二维形态结构、比表面积、 孔径大小与沥青黏附变化特征是必要的。 通过集料-沥青黏附力试验、集料-沥青渗入深度试验、集料-沥青界面黏附结构可视化研究以及集料与沥青接触角研究等手段，可以全面评价沥青在绿片岩集料表面的附着情况和沥青与集料之间的相互作用。 进一步提出绿片岩集料沥青混合料的沥青-集料黏附模型， 分析绿片岩集料与沥青之间的黏附机制。集料-沥青渗入深度试验如图2 所示。

图2 集料- 沥青渗入深度试验

3.2 绿泥石片岩沥青混合料的配合比设计方法

针对绿泥石片岩沥青混合料的配合比设计方法， 需要考虑以下9 个方面的内容。 （1）对绿片岩集料与沥青的黏附性进行深入研究，特别是在不同的含水量条件下，需要分析其黏附性能的变化规律；（2）研究绿片岩集料在含水量变化时材料性质的变化， 尤其需要关注其水敏特性对路用性能的影响；（3）考虑在混合料中引入不同类型的抗剥落剂， 分析其对沥青混合料水稳定性的改善效果，结合1988 年美国SHRP 计划的经验进行参考；（4）参考相关领域学者的研究成果，了解密实度对砂砾石混合料内摩擦角的影响， 并考虑如何在绿片岩集料中优化这些影响因素；（5）比较国内外关于绿片岩集料沥青混合料的相关规范，特别关注美国的AASHTO 设计方法、美国地质沥青协会等的相关规定，为其配合比的设计提供相应的参考依据；（6）研究复合改性沥青在绿片岩沥青混合料中的应用效果，结合具体的工程地区的石料特性选择合适的改性材料；（7）考虑特定工程地区的石料资源，如绿片岩、安山岩、石英砂岩等，研究其在沥青混合料中的适用性和性能；（8）对不同地区采用绿片岩沥青混合料的施工工艺进行研究，包括混合料的制备、铺筑工艺等；（9）通过优化配合比设计，确保绿片岩集料沥青混合料具有足够的水稳定性和良好的综合路用性能[2]。

3.3 绿泥石片岩集料沥青混合料的改进措施和评价方法

绿泥石片岩集料沥青混合料的改进措施和评价方法涉及沥青与集料之间的黏附性能以及水稳定性， 可以通过以下4个方面做出针对性的改性措施。

1）黏附性的改善方法：采用搅动水净吸附法，以定量的方式描述沥青在矿料表面的吸附和剥落情况。 其次，可以通过研究沥青在集料表面形成不溶性钙盐的方法， 以阻止水损害的发生。 同时也可以探索抗剥落的措施，以提高水稳定性。

2）研究相关案例并总结以往经验：分析相关工程高速公路使用抗剥落剂的经验， 了解其对改善石料与沥青的黏附性的效果。 研究结果表明，骨架密实型级配沥青混合料的水稳定性明显优于悬浮密实型级配， 采用消石灰有助于提高绿片岩混合料的水稳定性。

3）沥青的性质对整体黏附性的影响：已有研究结果表明，沥青的酸值越大，绝缘强度越小，蜡含量越低，与集料的黏附性越好，这是一个改进的重点方向。 另一方面，考虑使用抗剥落剂，以改善石料与沥青的黏附性。

4）原材料处理方法的研究：试验研究发现，绿片岩采用水泥饱和溶液处理，通过水煮试验法来测试剥落率，这是改进的一个方法。 另一方面，研究活性矿粉、消石灰和水泥对绿片岩沥青混合料高温变形能力的影响， 以提高绿泥石片岩集料沥青混合料的性能[3]。

沥青黏附性改善研究试验详见图3。

图3 集料- 沥青黏附性改善研究试验曲线

4 研究意义和应用前景

针对绿片岩集料在高速公路面层的应用研究具有深远的意义且应用前景广阔。 目前对其在实际工程中的应用分析存在局限，缺乏对绿片岩岩性性能的提升技术措施，进一步研究能够填补这一空白， 深化对绿片岩集料的路用性能和工程应用的认识。 国内外研究成果表明，经过优化设计的绿片岩在高速公路上可满足性能要求， 与此同时带来的是显著的经济、社会和环境效益，并且能够缓解生态压力，解决原材料的供应需求。

绿片岩集料的相关研究可以为其在路面应用奠定理论基础，为设计绿片岩集料沥青混合料提供一定的参考价值，有助于提升路面性能。 在生态保护意识日益增强的背景下，更好地利用丰富的低品质地材、实现就地取材、减少对外地取材的依赖，将是未来交通基础建设必须重视的问题，可为实现可持续的绿色发展铺平道路。

5 结论和展望

在交通强国战略和国家生态环境保护常态化的背景下，碱性集料在筑路原材料中面临着数量和质量的挑战， 而偏酸性的变质岩石由于与沥青黏附性差未能进行有效应用。 绿泥石片岩石料作为一种经济合理的选择， 但其黏附性差限制了在高等级公路面层的应用。 针对这一问题，本研究通过深入分析绿泥石片岩集料与沥青黏附性差、混合料水稳定性不足，提出了配合比设计的改进和评价方法，以提高混合料的耐久性，实现对绿片岩资源的有效利用。 未来可以进一步深化对黏附机制和性能调控的研究，通过试验探索并改进其黏附性，结合新型添加剂或改性措施提高绿泥石片岩石料的性能， 促进其在道路工程中更广泛、更有效的应用，为高速公路的可持续发展提供理论和技术支持。