花岗岩隧道洞渣在AC-20C沥青混合料中的应用

摘 要：针对沥青混合料用集料匮乏问题，通过室内试验和实体验证，探究了花岗岩隧道洞渣在沥青混合料中的适用性，分析了花岗岩隧道洞渣生产质量控制方法，研究了花岗岩隧道洞渣沥青混合料的路用性能。结果表明：花岗岩隧道洞渣提高与沥青黏附性后，可用于沥青路面中、下面层粗集料。现场采用三级破碎和除尘相结合工艺，可生产颗粒形状和粉尘含量满足要求的粗集料。花岗岩隧道洞渣粗集料的AC-20C沥青混合料的70℃动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂残留强度比分别为4981次/mm、89.6%、83.9%，满足技术要求。

关键词：道路工程；花岗岩；隧道洞渣；沥青混合料

中图分类号：TU 535" 文献标志码：A

我国公路建设重心正向中西部山区转移，在山峦起伏地区常出现大量隧道群，公路沿线隧道总长占比日益增加[1]，易产生大量的隧道洞渣且不能充分利用。为综合利用隧道洞渣，许多国内外学者将隧道洞渣用于路基填筑工程、回填和防护工程、混凝土工程以及水泥稳定碎石基层中[2-6]，并形成了成套的利用技术[7]，但整体利用率仍然较低。由于隧道洞渣不能满足沥青混合料集料的标准，且缺乏成套的利用技术，因此工程很少将隧道洞渣用于沥青混合料中。

碱性石料在我国分布较为广泛，通常选用碱性或中性岩石加工集料，但修建酸性岩石山区高速公路时，常须远运优质碱性集料，既不经济也不环保[8]。以某山区高速公路项目为例，项目路线长约54 km，需要沥青混凝土约35万m³，隧道弃渣约123万m³，其中优质洞渣（围岩级别小于III级）约50%。根据地质勘测资料，山体岩石为不同风化程度的加里东期花岗岩和砂岩，碱性优质集料运距在300 km以上。

1 花岗岩岩隧道洞渣在沥青混合料中的适用性研究

1.1 隧道洞渣成分及表面微观分析

1.1.1 X射线荧光光谱分析

采用X射线荧光光谱分析，对隧道洞渣化学成分进行研究，分析结果见表1。

由表1可知，隧道洞渣主要化学成分为氧化硅，含量大于65%，为酸性石料。其硬质成分（氧化硅、氧化铝、氧化铁）含量约为87%。

1.1.2 岩石薄片分析

采用薄片鉴定法对隧道洞渣进行岩石薄片分析，分析结果见表2。

由表2结果可知，隧道洞渣为花岗岩，其石英、长石等硬质和耐磨成分达到90%，力学性质较好。

1.1.3 表面微观分析

为分析花岗岩隧道洞渣表面微观特性，将表面放大不同倍数进行观测，其表面微观形貌如图1所示。

由图1可知，花岗岩隧道洞渣表面大部分呈光滑状态，比表面积小，吸附沥青能力弱，且花岗岩隧道洞渣为酸性，与沥青黏附性差。当保证正常油膜厚度时，沥青用量较大，在行车荷载作用下，易出现路面“泛油”情况。如果降低沥青用量，那么沥青膜厚度不足，会导致沥青混合料耐久性降低。

1.2 隧道洞渣集料技术指标评价

1.2.1 力学性质评价

检测隧道洞渣的单轴保水抗压强度、压碎值、磨耗值来评价隧道洞渣的力学性质，具体检测结果见表3。

由表3可知，花岗岩隧道洞渣的单轴饱水抗压强度为85.5MPa，大于60MPa，满足细集料加工要求。压碎值、洛杉矶磨耗值满足各面层技术要求，但洛杉矶磨耗值中的1个检测值突破上面层的技术要求，因此不推荐用作上面层集料。

1.2.2 物理、化学性质评价

花岗岩隧道洞渣的表观相对密度、吸水率、pH、碱值和黏附性检测结果见表4。

由表4可知，花岗岩隧道洞渣的表观相对密度大于2.6，吸水率小于1%，满足各面层的技术要求。pH值呈弱碱性，与化学成分分析的酸碱性不符，表明集料表面酸碱性受外部环境影响较大。花岗岩隧道洞渣碱值较低，与沥青黏附性为3级，不满足要求。

1.3 隧道洞渣在沥青混合料中的适用性分析

花岗岩隧道洞渣力学性质指标接近上面层技术要求，不宜用作上面层集料，因此推荐用于中下面层集料。但其与沥青黏附性等级仅为3级，不满足技术要求。考虑现有路面用料紧缺，因此采取措施提高其与沥青的黏附性后，可将花岗岩隧道洞渣用作沥青路面中下面层粗集料。

2 花岗岩隧道洞渣集料生产质量控制

2.1 隧道洞渣母材质量控制

隧道洞渣具有质量不均匀、洁净程度低的特点，且通常集中堆放，对成品质量控制不利。为控制母材质量，须人工挑选剔除质量不高的隧道洞渣。通过人工筛选的方式可大幅提高隧道洞渣母材质量。

2.2 隧道洞渣加工工艺

2.2.1 隧道洞渣的破碎工艺

硬质成分达90%的花岗岩隧道洞渣，破碎难度大，对机械磨损严重。因此，须选用挤压破碎原理的设备（例如颚式破碎机、圆锥式破碎机等）破碎，并增加整形设备（例如反击破、立轴式冲击破），采用三级破碎工艺进行破碎。

2.2.2 隧道洞渣加工降尘工艺

隧道洞渣洁净程度较低，集料表面较多的粉尘会大幅降低与沥青的黏附性，因此须严格控制粉尘含量。在加工过程中，采用多步骤降尘工艺：首先，在进料口前配置带筛网的振动喂料机，筛除泥土、杂质。其次，在粗碎设备和中碎设备之间增加振动筛，将泥土和粉尘筛除。最后，采用引风式除尘设备除尘，引风管安装在中碎、细碎设备、振动筛和皮带下料口处，去除产生的粉尘。

花岗岩隧道洞渣加工工艺示意图如图2所示。

2.3 隧道洞渣加工成品质量检测

按照上述工艺加工花岗岩隧道洞渣，针片状含量和粉尘含量检测结果见表5。

根据表5的检测结果可知，成品集料表面较洁净，颗粒形状接近立方体，针片状含量和粉尘含量能满足技术要求。

3 花岗岩隧道洞渣沥青混合料路用性能研究

3.1 沥青混合料水稳定性改善措施

采用水泥替代部分矿粉的方式改善花岗岩隧道洞渣沥青混合料的水稳定性，替代矿粉的比例为矿料质量的1%～2%，掺加的方式：首先把水泥粉与集料干拌均匀，其次加入沥青进行湿拌，最后添加矿粉拌和均匀。

3.2 AC-20C配合比设计

为提高花岗岩隧道洞渣沥青混合料AC-20C的水稳定性，按照以下配置混合料的原材料：沥青采用SBS（I-D）改性沥青，填料采用石灰岩磨制的矿粉和P·O42.5的普通硅酸盐水泥，细集料采用中性的隧道洞渣砂岩制备，粗集料采用花岗岩隧道洞渣加工的集料。所用集料主要技术指标见表6～表8。

利用上述原材料采用马歇尔设计方法进行配合比设计，配合比设计结果如图3所示。

3.3 AC-20C路用性能

用车辙试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验评价花岗岩隧道洞渣沥青混合料的高温和水稳定性，试验结果见表9。

由表9可知，花岗岩隧道洞渣沥青混合料AC-20C的70℃动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂残留强度比分别为4981次/mm、89.6%、83.8%，采用水泥替代部分矿粉后的花岗岩隧道洞渣沥青混合料的路用性能满足技术要求。因此，改善与沥青的黏附性后，花岗岩隧道洞渣可以用作沥青路面中下面层粗集料。

4 结论

花岗岩隧道洞渣硬质、耐磨成分达90%，具有密度适中、吸水率小、力学性质较好的特性，但其与沥青的黏附性等级不满足面层沥青混合料要求。

花岗岩隧道洞渣采用颚式破碎机+圆锥式破碎机+反击式破碎机（整形）的三级破碎工艺，成品集料能获得较好的颗粒形状，采用预制筛网和引风式除尘相结合的多步骤降尘工艺可去除碎石中的粉尘。

花岗岩隧道洞渣沥青混合料AC-20C的70℃动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂残留强度比分别为4981次/mm、89.6%、83.8%，满足面层沥青混合料技术要求。因此，改善洞渣与沥青的黏附性后，花岗岩隧道洞渣适合用作沥青路面中下面层粗集料。

参考文献

[1] 郭庆，郭颜沛，李红明，等.广西花岗岩隧道洞渣在道路工程中的资源化方案探讨[J].西部交通科技，2022（10）：84-86.

[2] 任保军. 浅谈高速公路隧道洞渣物理改良路基施工应用[J]. 中国水运（下半月），2012，12（12）： 253-254.

[3] 周长泉，张伟，周明凯，等. 砂岩隧道洞渣集料在宜巴高速公路中的应用[J]. 交通科技，2013（2）：126-129.

[4] 徐志勇，陈刚，张宗兵，等. 隧道洞渣在水泥稳定碎石基层应用中的配合比研究[J]. 中国水运（下半月），2021，21（9）：132-133，156.

[5]BELLOPEDE ROSSANA，FRANCINI MARCO，MARINI PAOLA，et al. Alkali Aggregate Reaction for Concrete Made with Tunnel Muck： Experimental Investigations[J]. Engineering Geology for Society and Territory，2015（5）：81-84.

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[7] 邓涛. 隧道洞渣制备机制砂及机制砂混凝土应用技术研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[8] 王宠惠. 基于细观结构特征的集料认同特性与混合料抗滑性能表征及控制研究[D].西安：长安大学，2018.