闪长岩在高模量沥青混合料上面层中的应用研究

张 珂

（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

西安高新区唐遗址公园南延伸绿廊工程（一期）二标段，南起滨河北路，北至纬三十路，全长约5.4km，按“双向8快2慢”的主干路标准建设，设计速度60km/h。本项目机动车道路面采用沥青混凝土路面结构，总厚度18cm，具体为4cm厚高模量沥青混合料上面层（BBME-13）+6cm厚高模量沥青混合料中面层（EME-16）+8cm厚高模量沥青混合料下面层（EME-20）+1cm改性沥青稀浆封层（ES-3型）。

根据施工设计图的要求，该项目在交通量达到饱和状态时的道路设计年限为20年，属于高等级路面。为了达到设计年限等要求，建设单位提出沥青使用性能更好的高模量天然沥青，对石料也提出了很高的要求。通过料源调查，发现陕西省商洛市商州区杨斜镇郭湾村田沟口闪长岩矿的闪长岩材料储量较大，如果就地取材，可以大大缓解碎石材料供应。用闪长岩替代玄武岩和辉绿岩用于沥青混合料上面层，有利于解决碎石材料短缺的问题，降低工程造价。

1 闪长岩材料研究分析

1.1 岩性分析

通过查阅资料，闪长岩为典型的中性岩，整体呈暗灰色。其中主要成分为白色的斜长石和几种暗色物质（如深色的角闪石），后者总量一般为20%～35%，还含有少量的辉石、黑云母和石英等。典型的闪长岩结构多半为半自形粒状，斜长石晶体常呈板状，集合体成粒状，白色或灰白色。其化学成分介于酸性、基性岩之间，SiO2含量52%～65%，FeO、Fe2O3、MgO各约3%～5%，Al2O3约16%～17%，Na2O约3%，K2O约2%。根据石英含量和暗色矿物种类，闪长岩可分为云英闪长岩、石英闪长岩、花岗闪长岩[1]。

为了进一步确定陕西省商洛市商州区杨斜镇郭湾村田沟口石料场闪长岩矿的岩石类别和成分，在石场岩料源地取岩石送样到中国地质调查局西安地质调查中心进行岩性分析检测。检测结果表明，该岩石样品主要矿物成分为石英、斜长石、钾长石、黑云母等。斜长石多于钾长石，暗色矿物则以角闪石为主，其余为黑云母。伴生主要矿物为铜、铁等，属于花岗闪长岩。

岩石风化面呈灰绿色，新鲜面呈灰色，显微特征为细粒花岗结构，可见小颗粒的长柱状角闪石斑晶，块状构造。岩石由斜长石50%、钾长石15%、石英25%、角闪石5%、黑云母5%组成。斜长石呈灰白色，半自形板状，粒径0.2mm～2mm；钾长石，他形粒状，粒径0.2mm～2mm；石英，灰色，他形粒状，粒径0.2mm～2mm；角闪石，黑色，半自形柱状，粒径0.2mm～2mm；黑云母，黑色片状，粒径0.2mm～1mm，其中SiO2含量59.7%。

1.2 常规性能检测

按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40-2004）[2]中高等级路面表面层用粗集料的技术要求，粗集料应洁净、干燥、表面粗糙，具有足够的强度和磨耗性，较高的磨光值。

考虑到集料在进入拌和机前需经200℃以上的高温，有些石料可能因此发生质量上的变化。故将花岗闪长岩碎石加热后进行压碎值试验，结果为10.6%，与常温下并无明显差异。说明花岗闪长岩碎石在高温（190±2℃）条件下抵抗压碎的能力是稳定的。

综上所述，花岗闪长岩碎石的强度、耐磨耗性能和抗磨光性能等主要技术指标均能满足规范中上面层的技术要求。

2 高模量天然沥青材料研究

本项目采用的高模量沥青又称为高模量天然沥青，由西安众力沥青有限公司生产。这种沥青具有优异的路用性能：耐高温、耐老化、耐候、耐疲劳、耐水损，特别适用于重载交通、高温等极端气候环境，具有寿命长、透水性好等特点。

该公司生产的高模量沥青具有针入度低、软化点高、分子量大、性能稳定等特点，经试验检测，其各项指标均符合陕西省地方标准《天然沥青高模量混合料施工技术规范》（DB61/T 1332-2020）[3]的要求。

3 高模量沥青与集料的黏附性评价

黏附性是表征集料表面沥青膜抗剥落与抗破损的能力，是沥青混合料配合比设计中的关键因素。黏附性不足，易导致沥青路面松散、坑槽等一系列水损害。通过查阅相关资料，花岗闪长岩是花岗岩向闪长岩过渡的一种中性偏酸性岩石，沥青也偏酸性，根据沥青与集料的化学反应理论，碱性石料与沥青的黏附性最好，其次是中性石料，酸性石料最差。由于闪长岩在陕西地区作为上面层沥青路面集料应用和相关研究较少，所以有必要对闪长岩的黏附性指标进行分析，以评价其作为上面层集料的可行性。

首先选取有代表性的玄武岩、辉绿岩、石灰岩、花岗闪长岩、花岗岩等集料和高模量天然沥青样品，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）[4]中水煮法的规定进行黏附性试验。在微沸状态下的水中浸煮3min后，各集料的沥青膜完全保存，剥离面积百分率为0%。黏附性评价均为5级。这是由于高模量天然沥青黏度比较大，油膜较厚，水在3min内无法突破沥青膜，浸煮时基本不会剥落。因此水煮法对评价集料与高模量天然沥青的黏附性几乎是失效的。

为了进一步分析花岗闪长岩与高模量天然沥青的黏附性，本次研究在水煮法的基础上做了如下改进：（1）以沸煮状态的水替代原方法中的微沸状态的水，加强了水对沥青膜的冲击作用，加快剥落，缩短试验时间；（2）不再以剥落面积来评价黏附性，而是以沥青膜完全剥落的时间作为评价沥青与集料黏附性的指标。

该方法称为沸煮法，其优点是试验过程加剧了水对集料与沥青的影响，试验条件更加严苛，以沥青膜完全从集料表面剥落的时间作为评价黏附性的指标，沥青完全剥离的现象明显且易判断，相比水煮法更加客观、准确且操作简单，可以更好地区分不同岩性的集料与沥青黏附性的强弱[5]。本次研究按照沸煮法，选取2种沥青（高模量天然沥青HMB-W和基质沥青AH-70#）和5种不同的集料（分别为玄武岩、辉绿岩、石灰岩、花岗闪长岩、花岗岩）进行黏附性评价。

从试验结果可知：（1）基质沥青与集料的黏附时间从大到小依次为石灰岩、辉绿岩、玄武岩、花岗闪长岩、花岗岩；（2）除花岗岩以外，高模量天然沥青与石灰岩、辉绿岩、玄武岩、花岗闪长岩的黏附时间均达到1200s以上。

综上所述，高模量天然沥青与集料的黏附性要优于基质沥青，花岗闪长岩与高模量天然沥青的黏附性可以与常用的玄武岩、辉绿岩等集料达到同样的水平。事实上，黏附性仅仅作为初选集料品种的参考性指标。即使像花岗岩这样酸性岩石的黏附性评价等级较低时，只要掺加抗剥落剂就能使黏附性提高到需要的效果。目前主要的抗剥落剂为消石灰和水泥。当掺加消石灰或水泥后，需要重新设计配合比，将设计的最佳沥青用量增加0.2%～0.4%左右。

4 闪长岩集料配制BBME-13高模量天然沥青混合料

西安高新区唐遗址公园南延伸绿廊项目道路工程上面层采用BBME-13高模量天然沥青混合料，沥青采用西安众力沥青有限公司生产的HMB-W型高模量天然沥青。粗集料采用陕西省商洛市商州区杨斜镇郭湾村田沟口石料场生产的花岗闪长岩碎石，混合料矿料级配组成如表1所示。

表1 BBME-13高模量沥青混合料矿料合成级配设计

根据设计图纸和《天然沥青高模量混合料施工技术规范》中的要求，通过试验，确定油石比范围控制在6.0%~6.4%，最佳油石比为6.2%。

综上所述，BBME-13高模量天然沥青混合料生产配合比为11mm~16mm碎石∶6mm~11mm碎石∶3mm~6mm碎石∶0~3mm石屑∶矿粉=24%∶22%∶16%∶34%∶4%，最佳油石比为6.2%。

5 闪长岩集料配制高模量天然沥青混合料的路用性能研究

BBME-13高模量天然沥青混合料路用性能检验试验结果如表2所示。

经试验验证，利用花岗闪长岩集料设计组成的BBME-13高模量天然沥青混合料性，其能均能符合设计图纸和规范的技术要求。由此可见，陕西商洛地区发现的花岗闪长岩在高模量天然沥青的加持下，性能得到了很好地发挥，其作为高模量沥青路面上面层集料完全可行。经测算，本项目全部使用花岗闪长岩比全部使用玄武岩或辉绿岩节约费用约140余万元，经济效益显著。闪长岩集料各项技术和经济指标不低于玄武岩和辉绿岩，符合国家可持续发展、绿色施工的行业需求，具有良好的推广应用价值。

表2 BBME-13高模量天然沥青混合料路用性能试验结果

6 结束语

本文通过室内和现场试验，深入分析了花岗闪长岩集料的岩石组成和物理特性，结合已有研究成果和工程经验，在沸煮法的基础上对闪长岩集料和其他岩性集料的黏附性进行比较。研究探索出一套针对闪长岩作为4cm厚BBME-13高模量天然沥青混凝土上面层集料合理的配合比，并对其路用性能和耐久性等指标进行检测分析，验证了花岗闪长岩集料用于沥青混合料上面层的可行性。本文结论不仅直接为西安高新区唐遗址公园南延伸绿廊工程施工提供技术支持，亦为后续类似条件下闪长岩作为高模量天然沥青混合料上面层集料提供参考借鉴，还为高等级公路沥青路面工程石料的选用提供了技术依据。