杨 涛1,2，郑健龙1，谢 博1,3，关宏信1
(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410004; 2.浙江温州沈海高速公路有限公司，浙江 温州 325038;
3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410014)
摘要： 为了探讨凝灰岩在高速公路沥青路面沥青混合料中的合理利用形式，开展室内试验，对比了凝灰岩、玄武岩和石灰岩集料的物理力学性能指标，对比了不同类型、不同沥青、不同岩性集料组合情况下沥青混合料的高低温和水稳定性能。结果表明：在凝灰岩颗粒形状规则、洁净的情况下，除低标号沥青混合料外，凝灰岩沥青混合料的路用性能都满足我国规范的要求；与常用岩性集料沥青混合料相比，采用凝灰岩与其他集料混掺时沥青混合料的综合路用性能有所改善。
关键词： 道路工程；凝灰岩沥青混合料；室内试验；稳定性质；混掺
凝灰岩是一种分布广泛的、常见的细粒火山碎屑岩，是介于溶岩和沉积岩之间的过渡类型岩石，其成分主要是火山灰，外貌疏松多孔，是由火山爆发而抛入空中的火山物质散落于盆地，再经结晶及水化学胶结固结成岩。浙江地区凝灰岩分布相当广泛，比如宁波、舟山、温州、台州等地区分布着种类繁多的凝灰岩，储量丰富，硬度适中，易于开采加工，建筑用凝灰岩无论是从矿床规模、质量、面积均居全国首位。如果要将凝灰岩用于修筑高速公路沥青路面面层，需要论证凝灰岩沥青混合料的路用性能好坏，本文将对此开展研究。
凝灰岩作为筑路材料的研究报道比较少，Goual Idriss等[1-2]针对阿尔及利亚大量存在的凝灰岩开展室内试验，对比了凝灰岩和钙质砂不同比例组合下的强度，推荐了最佳混合比例；孙忠宁[3]通过试验论证了采用凝灰岩作为阿尔及利亚东西高速公路垫层的可行性，发现未风化的凝灰岩可以直接应用，掺入一定剂量水泥后效果更好。张善[4]开展的室内试验发现，在使用改性沥青并添加液体抗剥落剂后, 凝灰岩可以应用于高速公路上面层。文献[5]用同样的石料和沥青开展的沥青胶浆试验结果也表明，与石灰岩矿粉沥青胶浆相比，凝灰岩矿粉沥青胶浆的针入度变小，动态剪切流变试验得到的车辙因子G*/sin δ变大，低温弯曲试验得到的蠕变斜率在不同粉胶比下对比结果不一致。
对于沥青表面层混合料适宜采用何种岩性的集料，国内外已经开展了除凝灰岩以外的其他集料沥青混合料的性能研究。德国、日本和美国沥青路面表面层集料应用最多的分别是辉绿岩、砂岩和花岗岩。孔令云[6]等的对比试验发现，石灰岩与温拌沥青粘附功比花岗岩与温拌沥青的黏附功小，但石灰岩混合料劈裂强度较大。吴大鸿等[7] 对比了贵州硅质碳酸盐和石灰岩、玄武岩、辉绿岩的性能，认为硅质碳酸盐可以用于沥青路面抗滑表层。王淑英[8]等利用钢渣做粗集料，石灰岩做细集料，试验证明了钢渣沥青混合料有良好的高温稳定性和低温抗裂性。张辉[9]试验对比了安徽省多个石灰岩和玄武岩料场的集料性能，认为优质料源匮乏时可以利用符合规范要求的石灰岩集料。秦禄生的试验[10]发现，针片状含量对于集料性能影响显著,含泥量对于沥青混合料的各项路用性能都有明显影响，建议对高速公路沥青面层用粗集料针片状含量按10%控制，含泥量技术指标建议采用0.15%控制。
在传统优质集料匮乏和远距离运输费用高昂情况下，按照“就地取材”的原则尽量利用公路建设工程当地盛产的石料作为沥青混合料的集料应该具有可行性。本文将针对浙江地区盛产的凝灰岩开展一系列室内试验，研究凝灰岩沥青混合料的路用性能。
本文试验用集料采用了浙江温州产凝灰岩及凝灰岩矿粉、山东商丘产玄武岩、邯郸武安出产的石灰岩和石灰岩矿粉。依据《公路工程集料试验规程》进行的集料试验结果如下：
表1 粗集料试验结果
Tab.1 Test result of coarse aggregate
检测项目技术要求粗集料试验结果凝灰岩玄武岩石灰岩集料压碎值/%≤26(28)12.95 9.1 13.15洛杉矶磨耗损失/%≤28(30)17.2510.421.15坚固性/%≤127.122.787.28针片状颗粒含量/%9.5～13.2mm13.2～16mm16～19mm19mm以上≤12 7.4410.019.63.810.013.62.611.911.21.6411.96.6磨光值/BPN≥4260.8——与SBS改性沥青黏附性/级≥5(4)54～55与70#沥青黏附性/级≥5(4)4～545
注：表1中“技术要求”列“()”内的数字表示用于表面层时的要求，“()”外的数字表示用于其他层位时的要求。
表2 凝灰岩细集料试验结果
Tab.2 Test result of fine tuff aggregate
检验项目粒径范围/mm技术要求凝灰岩试验结果表观相对密度1.18～2.360.6～1.180.3～0.60.15～0.30.075～0.15≥2.502.6832.6762.7082.6852.67含泥量0.075～2.36 ≤3% 4.90%坚固性0.3～2.36≥12%11.80%
表3 石灰岩细集料试验结果
Tab.3 Test result of fine limestone aggregate
检测项目 技术要求试验结果表观相对密度≥2.52.636棱角性/s≥3038.1坚固性/%≥1213亚甲蓝值/(g·kg-1)≤251.5
表4 矿粉性能试验结果
Tab.4 Test result of mineral filler
检验项目技术要求石灰岩矿粉凝灰岩矿粉表观密度/(t·m-3)≥2.50 2.692 2.673亲水系数<10.790.72粒度范围><0.6mm100100 100=""><0.15mm90～100 99.89100=""><0.075mm75～10099.71>
从集料试验结果来看，试验所用凝灰岩的集料压碎值、洛杉矶磨耗损失、坚固性、密度与石灰岩大致相当，但其前3项指标不如玄武岩；但其针片状颗粒含量很少，磨光值也表现优异；不过凝灰岩与沥青黏附性有待加强，还需要深入研究，这也可能是浙江地区没有大规模将其应用于沥青路面表面层的原因之一。
试验用沥青混合料考虑了不同胶结料以及不同层位常用的沥青混合料类型：上面层采用橡胶沥青和SBS改性沥青时的SM13,AC13；中面层采用橡胶沥青、SBS改性沥青和70#A级沥青时的AC20；下面层采用布敦岩沥青、70#A级沥青和50#沥青时的AC25；上基层采用30#和50#沥青时的ATB25。由于版面限制，这里不再列出各种沥青混合料的级配组成和油石比。30#,50#沥青采用中海油(青岛)重质油加工工程技术研究中心产品，70#沥青选用山东潍坊弘润石化公司产品，SBS改性沥青、橡胶沥青来自邢台宏信昌公路材料有限公司。
由于岩性比较特殊，本节先探讨用凝灰岩作为集料的沥青混合料的路用性能，包括低温性能、高温性能和水稳定性。本节所用矿粉均为石灰岩矿粉，除专门标明了岩性的沥青混合料以外，粗集料和细集料均采用凝灰岩。
按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》的方法开展低温弯曲试验、轮辙试验和冻融劈裂试验，得到试验结果见图1～图3。
图1 凝灰岩沥青混合料低温弯曲性能
Fig.1 Low-temperature bending performance of
tuff asphalt mixture
图2 凝灰岩沥青混合料水稳定性
Fig.2 Water stability of tuff asphalt mixture
图3 凝灰岩沥青混合料高温稳定性
Fig.3 High-temperature stability of tuff asphalt mixture
由图1～图3可以看出：
(1)按照我国规范关于沥青混合料路用性能设置的各项标准值，要将凝灰岩用于浙江地区高速公路，各类沥青混合料都能够满足抗车辙性能要求，绝大多数沥青混合料都能够满足水稳定性能要求(50#沥青ATB-25除外)，大多数沥青混合料都能够满足低温抗裂性能要求(30#和50#沥青混合料除外)。诸多文献[11-12]研究也表明，采用低标号沥青的沥青混合料普遍存在低温抗裂性能和水稳定性不足的问题；另外，从前文原材料性能指标对比也可以发现，试验所用凝灰岩与沥青的粘附性不是太好，也会影响低标号沥青混合料的性能。
(2)与同类型上面层沥青混合料(玄武岩)相比，采用凝灰岩作为粗细集料的SBS改性沥青AC-13和SMA-13的低温抗裂性能稍强一些，抗车辙性能大致相当，而经历冻融循环后的水稳定性具有比较优势。这与试验所用玄武岩集料性质不太好有关，表1中玄武岩粗集料的针片状含量比凝灰岩高出不少，其与沥青的黏附性也不好。
(3)与同类型中下面层和上基层沥青混合料(石灰岩)相比，采用凝灰岩作为粗细集料的SBS改性沥青AC-20C、岩沥青AC-25C和30#沥青ATB-25的低温性能要弱一些，经历冻融循环后的水稳定性要强一些(30#沥青ATB-25除外)，抗车辙性能也要强一些。这是因为凝灰岩石料的性质本身也略强于石灰岩，如密度、压碎值等，其针片状含量更是大大低于石灰岩集料。
由此可见，对本文试验所用原材料而言，在采用非低标号沥青的情况下，粗细集料均采用凝灰岩后沥青混合料的路用性能能够满足规范要求，有些性能甚至好于常用岩性石料(玄武岩或石灰岩)的沥青混合料，理论上是可以用于浙江地区高速公路沥青路面的。当然，满足路用性能要求不一定代表实际应用后路面不会出现病害，而且考虑到试验所用凝灰岩集料的针片状含量很小，工程上在大规模生产时如果达不到如此低的针片状含量，凝灰岩沥青混合料的路用性能可能会下降。下节将探讨如何合理使用凝灰岩以进一步改善沥青混合料的性能。
以上研究表明，凝灰岩沥青混合料的某些路用性能要弱于玄武岩沥青混合料和石灰岩沥青混合料，同时考虑到浙江地区凝灰岩的价格因素，本节将开展对比试验，分析凝灰岩、玄武岩、石灰岩作为粗集料、细集料和矿粉进行混掺组成的沥青混合料的力学性能，来探究凝灰岩在各层位沥青混合料的合理应用形式。
考虑到我国高速公路路面工程已经积累的经验，本节上面层沥青混合料的粗细集料只采用玄武岩和凝灰岩，矿粉只采用石灰岩和凝灰岩；中下面层和柔性基层沥青混合料的粗细集料只采用石灰岩和凝灰岩，矿粉也采用石灰岩和凝灰岩。为便于图形表示，将采用缩写，如“粗凝+细玄+石粉”表示粗集料采用凝灰岩，细集料采用玄武岩，矿粉采用石灰岩，其余类推。
本节试验共采用5种沥青混合料，即SBS改性沥青SMA-13、SBS改性沥青AC-13C、SBS改性沥青AC-20C、岩沥青AC-25C、30#沥青ATB-25。所开展的试验包括低温弯曲试验、冻融劈裂试验、轮辙试验，试验均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。试验结果见图4～图6。为便于分析，表5中列出了多种岩性集料混掺沥青混合料各项路用性能参数的排序，同一行各列中的排序数值是根据试验结果确定的。表5中“常用岩性石料”对上面层沥青混合料而言为玄武岩粗细集料+石灰岩矿粉，对中下面层和基层沥青混合料而言为石灰岩粗细集料+石灰岩矿粉。“粗集料凝灰岩”表示将“常用岩性石料”中的粗集料改用凝灰岩；“细集料凝灰岩”表示将“常用岩性石料”中的细集料改用凝灰岩；“矿粉凝灰岩”表示将“常用岩性石料”中的矿粉改用凝灰岩；“粗细集料凝灰岩”表示将“常用岩性石料”中的粗集料和细集料均改用凝灰岩。
图4 多种岩性集料混掺沥青混合料低温弯曲性能
Fig.4 Low-temperature bending performance of asphalt
mixture with various mineral aggregates
图5 多种岩性集料混掺沥青混合料水稳定性
Fig.5 Water stability of asphalt mixture with various
mineral aggregates
图6 多种岩性集料混掺沥青混合料高温稳定性
Fig.6 High-temperature stability of asphalt mixture with
various mineral aggregates
由图4～图6和表5可见：
(1)除30#沥青ATB-25的低温性能差以外，试验所用的各种集料混掺方式的各类沥青混合料的低温弯曲性能、冻融循环水稳定性和高温抗车辙性能都满足我国规范的相关要求，如果单从这点考虑，不同岩性集料混掺方式是可以用于高速公路沥青路面的。
表5 多种岩性集料混掺沥青混合料各项性能参数的排序
Tab.5 Sort order of performance indexes of asphalt
mixture with various mineral aggregates
性能混合料类型常用岩性石料粗集料凝灰岩细集料凝灰岩矿粉凝灰岩粗细集料凝灰岩低温性能SBS改性沥青SMA-1345231SBS改性沥青AC-13C23451SBS改性沥青AC-20C14325岩沥青AC-25C1423530#沥青ATB-2512534水稳定性SBS改性沥青SMA-1343251SBS改性沥青AC-13C53241SBS改性沥青AC-20C42153岩沥青AC-25C3452130#沥青ATB-2521534高温性能SBS改性沥青SMA-1345231SBS改性沥青AC-13C25314SBS改性沥青AC-20C41532岩沥青AC-25C5342130#沥青ATB-2532541
(2)对于上面层沥青混合料改性沥青SMA-13和改性沥青AC-13C而言，常用的“粗玄+细玄+石粉”沥青混合料的性能较差；而改用凝灰岩作为矿粉后，沥青混合料综合性能略有改善；仅细集料采用凝灰岩时，沥青混合料综合性能有一定改善；而将粗细集料均改用凝灰岩时，沥青混合料的综合性能最佳。这是因为本文试验所用玄武岩集料的颗粒形状较差(针片状含量高)、与沥青的黏附性也较差所致。
(3)对于中下面层沥青混合料改性沥青AC-20C和岩沥青AC-25C而言，常用的“粗石+细石+石粉”沥青混合料低温性能最佳，水稳定性中等，高温稳定性差；改用凝灰岩作为矿粉后，沥青混合料低温性能稍有下降，水稳定性大致相当，高温稳定性有所改善；而将粗细集料均改用凝灰岩后，沥青混合料低温性能大幅下降，但水稳定性、高温稳定性均有大幅改善。
(4)对于上基层沥青混合料30#沥青ATB-25而言，常用的“粗石+细石+石粉” 沥青混合料低温性能最佳，水稳定性接近最佳，高温稳定性中等；改用凝灰岩作为矿粉或细集料时，沥青混合料各项路用性能均下降；仅将粗集料改为凝灰岩时，沥青混合料低温性能略有下降，高温稳定性和水稳定性有较大改善；同时将粗细集料改用凝灰岩时，沥青混合料的高温性能最佳，但低温性能和水稳定性接近最差。这与两种石料与沥青的黏附性有一定关系。
(1)对试验用凝灰岩石料而言，凝灰岩沥青混合料(非低标号沥青)的路用性能能够满足我国规范的技术要求。
(2)对试验用凝灰岩石料和玄武岩石料而言，将上面层两种沥青混合料改性沥青SMA- 13和改性沥青AC-13常用的玄武岩粗细料或石灰岩矿粉换成凝灰岩后，沥青混合料的性能将会得到改善，而将粗细集料同时换作凝灰岩时，则可以取得更好的路用性能。
(3)对试验用凝灰岩石料而言，将两种中下面层沥青混合料改性沥青AC-20C和岩沥青AC-25C常用的石灰岩石料中的矿粉改用凝灰岩后，沥青混合料的综合路用性能将会有所改善。
(4)石灰岩集料30#沥青ATB-25的低温性能达不到规范要求，即使将粗集料、细集料、矿粉单独或部分换作凝灰岩也难以满足要求；如果不强求低温性能，将粗集料换作凝灰岩后可以维持沥青混合料的低温性能基本不降低，而高温性能和水稳定性可以同时得到改善。
虽然本文的试验研究表明凝灰岩石料可以用于沥青路面，但是还需要更深入地研究凝灰岩与沥青的黏附性，以及凝灰岩沥青混合料作为表面层的其他路用性能，如抗滑性能、强度特性和疲劳性能等。
参考文献：
References:
[1] GOUAL I, GOUAL M S, TAIBI S, et al.Improving the Properties of a Natural Tuff Used in Saharan Road Engineering by Adding Limestone Sand[J].European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2012,16(6):744-763.
[2] GOUAL I, GOUAL M S, TAIBI S, et al.Behaviour of Unsaturated Tuff-Calcareous Sand Mixture on Drying-Wetting and Triaxial Paths[J].Geomechanics and Engineering,2011,3(4):267-284.
[3] 孙忠宁,王少君,李刚,等,采用凝灰岩作为路面垫层材料的试验研究[J].中外公路,2009,29(3):352-356.
SUN Zhong-ning, WANG Shao-jun, LI Gang, et al.Laboratory Study on Tuff Used in Pavement Bed Course[J].Journal of China & Foreign Highway,2009,29(3):352-356.
[4] 张善, 于新.高速公路上面层石料适用性研究[J].现代交通技术,2007,4(4);1-3.
ZHANG Shan, YU Xin.Research on the Applicability of Expressway Top Surface Course Stone[J].Modern Transportation Technology, 2007,4(4):1-3.
[5] 谢博,杨涛,关宏信,等.凝灰岩矿粉与石灰岩矿粉沥青胶浆性能的对比[J].交通科学与工程,2015,31(2): 10-14.
XIE Bo, YANG Tao, GUAN Hong-xin, et al.Performance Comparison of the Tuff Mineral and the Limestone Mineral[J].Journal of Transport Science and Engineering,2015,31(2):10-14.
[6] 孔令云, 徐燕, 成志强.石灰岩和花岗岩温拌沥青混合料劈裂强度对比[J].公路交通科技,2015, 32(5):31-35.
KONG Ling-yun, XU Yan, CHENG Zhi-qiang.Comparative Study on Splitting Strengths between WMA with Limestone and WMA with Granite[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2015, 32(5):31-35.
[7] 吴大鸿.硅质碳酸盐岩在沥青路面抗滑表层中的应用研究与展望[J].贵州科学,2007,25(5):14-17.
WU Da-hong.Application Research and Prospects of Siliceous Carbonate Rock in Anti-skid Surfacing of Asphalt Pavement [J].Guizhou Science,2007,25(5):14-17.
[8] 王淑英.柳州钢渣AC-16粗集料的试验研究[J].西部交通科技,2010,93(9):63-65,103.
WANG Shu-ying.Research of AC-16 Thick Steel Slag Material Taken Place at Liuzhou[J].Western China Communications Science & Technology, 2010,93(9):63-65,103.
[9] 艾长发, 徐田兵, 陈炯,等.改善花岗岩沥青混合料性能措施试验研究 [J].公路交通科技,2008,25(7):21-26.
AI Chang-fa, XU Tian-bing, CHEN Jiong,et al.Research on Measures for Improving Granite Asphalt Mixture Performance [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2008,25(7):21-26.
[10]秦禄生.沥青面层用粗集料针片状颗粒和含泥量技术指标研究[J].公路交通科技,2009,26(3):17-21.
QIN Lu-sheng.Study on Quality Criteria of Flat and Elongated Particles and Clay Content in Coarse Aggregate for Asphalt Surface Course[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2009,26(3):17-21.
[11]邹桂莲,徐剑,胡金龙.基于沥青胶浆试验研究低标号沥青混合料设计原则[J].公路交通科技,2014, 31(10):21-25,44.
ZOU Gui-lian, XU Jian, HU Jin-long.Design Principle of Low Grade Asphalt Mixture Based Asphalt Mortar Test[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2014, 31(10):21-25,44.
[12]李爽，崔志勇，李连友.30#沥青在石安高速改、扩建的应用[J].交通科学与工程, 2015,31(1):39-43,48.
LI Shuang, CUI Zhi-yong, LI Lian-you.The Application of 30# Hard Asphalt in Shi-an Expressway[J].Journal of Transportation Science and Engineering, 2015,31(1):39-43,48.
YANG Tao1,2, ZHENG Jian-long1, XIE Bo1,3, GUAN Hong-xin1
(1. Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410004,China;2. Zhejiang Wenzhou Shenyang-Haikou Expressway Co., Ltd., Wenzhou Zhejiang 325038,China;3. Power China Zhongnan Engineering Co., Ltd., Changsha Hunan 410014,China)
Abstract： In order to investigate a favorite way to apply tuff mineral as asphalt mixture’s aggregate for expressway asphalt pavement, the laboratory tests are carried out.In the tests, the physical and mechanical characteristics of tuff aggregate, limestone aggregate and basalt aggregate are compared, the high-temperature performance, low-temperature performance and water stability of asphalt mixtures under the conditions of different mixture types, different asphalts, and different mineral aggregate combinations are also compared.The test results indicate that (1) the road performance of tuff asphalt mixture meet Chinese Specifications’ requirements except for low-grade asphalt mixtures when tuff aggregate’s shape is regular and clean; (2) comparing with common lithologic aggregate asphalt mixture, the comprehensive road performance of asphalt mixture composed with tuff and other aggregate is improved.
Key words： road engineering; tuff asphalt mixture; laboratory test; stability performance; mixing
文献标识码： A
文章编号： 1002-0268(2016)03-0001-06
中图分类号：U416.217
doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.001
作者简介：杨涛(1977-)，男，湖南汉寿人，高级工程师，在读博士.(15620937@qq.com)
收稿日期：2015-08-27
联系客服
