吴敏 丛林
(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804)
摘要 结合贵州惠罗高速公路的实际情况，对辉绿岩和玄武岩的物理化学性质、配合比设计，以及沥青混合料的路用性能进行了对比分析。结果表明，贵州省罗甸县的辉绿岩完全满足现行规范要求；辉绿岩混合料的高温稳定性和抗滑性能比玄武岩混合料好，水稳定性相当。在玄武岩集料缺乏的地区，使用辉绿岩代替玄武岩可以带来较好的经济效益。
关键词 辉绿岩 路用性能 汉堡车辙试验 经济性分析
银川至龙邦高速公路贵州境惠水至罗甸（黔桂界）段（简称惠罗线）是《贵州省高速公路网规划》中“四纵”中的崇溪河至罗甸高速公路的南段，是贵州省高速公路主骨架的重要组成部分。惠罗高速沿线十分缺乏抗滑表层常用的玄武岩集料，根据前期调研，罗甸县罗悃镇平艾村有辉绿岩分布，储量可以满足惠罗高速公路上面层使用要求。将该地区出产辉绿岩替代玄武岩用于沥青路面抗滑表层，不仅可解决玄武岩资源缺乏问题，又可以缩短运距、保证工期、降低工程造价。目前国内辉绿岩抗滑表层实际应用较少，贵州地区还没有大规模应用先例，因此有必要对该地区辉绿岩进行研究论证，确保工程质量。
1 辉绿岩的物理化学性质
罗甸辉绿岩属岩浆岩中的侵入岩，粒度较细，为细粒结构。罗甸辉绿岩主要由辉石和基性长石组成，含少量橄榄石、黑云母、石英、磷灰石、磁铁矿、钛铁矿等。基性斜长石常蚀变为钠长石、黝帘石、绿帘石和高岭石；辉石常蚀变为绿泥石、角闪石和碳酸盐类矿物，因绿泥石的颜色而整体常呈灰绿色。罗甸辉绿岩主要在罗甸一望谟沿线一带，其储量约在5亿m3左右，罗甸辉绿岩料场所在地辉绿岩储量约300万m3，储量大、品质高。
罗甸辉绿岩结构为块状结构、辉绿结构、自形晶体结。岩石主要由斜长石和辉石组成，其中斜长石占全岩的70%～80%，辉石占10%～20%，不透明矿物含量占5%～10%。长石为细小长条状自形晶体，长一般为0. 03～0.2 mm，宽0.008～0. 03 mm。比较鲜，透明度高，无风化现象。其与平坝玄武岩的化学成分对比分析见表1。
按照《公路工程集料试验规程》进行了罗甸辉绿岩与平坝玄武岩基本性能试验，见表2。
由表2可见，罗甸辉绿岩具有抗压强度高、耐磨耗、坚硬的特点。辉绿岩压碎值为10%左右，可确保混合料在施工碾压过程中以及开放交通后具有良好的抵抗压碎的能力；与沥青的粘附性达到5级，无需掺人沥青抗剥剂即可具有良好的抵抗水剥离能力，可用作高速公路沥青表层粗集料；辉绿岩的针片状含量比玄武岩的大，这将影响沥青混合料的材料强度。因此，在石料生产过程中应保证破碎机稳定，实现均衡生产，以减少针片状含量。
2混合料级配设计
由于贵州地区常年多雨，水损害问题较为突出，因此采用GAC-13C级配。GAC-13C是一种改进型的AC-13C混合料，降低4.75 mm筛孔通过率，从而有利于提高高温稳定性和抗滑性能，提高公称最大粒径，从而提高混合料的均匀性，降低施工难度。这种混合料在广东省许多高速公路上成功应用，作为抗滑磨耗层，均匀性、高温稳定性、抗滑性能显著提高，有效控制了水损害和车辙的发生。GAC-13C级配要求见表3，采用70号基质沥青进行试验研究，辉绿岩和玄武岩GAC-13C混合料通过率见表4。
按照表4中的2种集料的级配和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20 - 2011中沥青混合料试件击实法(T0702 - 2011)的规定进行马歇尔试件制作，根据设计要求，可求得辉绿岩混合料的最佳油石比是5. 1%，玄武岩混合料的最佳油石比是4. 9%。其最佳油石比沥青马歇尔实验数据对比见表5。
最佳油石比下辉绿岩混合料的稳定度比玄武岩的大，且所有的指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40_2004[3]的要求，证明辉绿岩作为沥青路面抗滑表层的粗集料是完全可行的。
3沥青混合料路用性能研究
3.1 沥青混合料高温稳定性
由于惠罗高速属于夏热区，加上惠罗高速的重载交通量比较大，对路面抗车辙的要求较高。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20- 2011)（以下简称《试验规程》）的规定，对最佳油石比下的辉绿岩和玄武岩沥青混合料进行车辙试验，试验结果见表6。
由表6可见，辉绿岩沥青混合料的动稳定度稍微大于玄武岩混合料的动稳定度，辉绿岩混合料的高温稳定性比玄武岩混合料的高温稳定性好，两者均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004要求的不小于800次/mm。
3.2沥青混合料的水稳定性
贵州属于常年多雨的潮湿区，已建成的高速公路路面水损害问题非常严重。按照《试验规程》的规定，对最佳油石比下的辉绿岩和玄武岩沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，用残留稳定度和冻融劈裂强度比来评价其水稳定性。试验结果见表7。
由表7可见，2种混合料的冻融劈裂强度比相当，但辉绿岩混合料的残留稳定度远大于玄武岩混合料的残留稳定度，且2种混合料的水稳定性均满足规范要求。
由于浸水马歇尔试验的实验过程中的荷载为静载，无法模拟水分对沥青膜产生的反复吸压和机械冲刷作用，所以浸水马歇尔试验不能很好地评价沥青混合料的水稳定性，冻融劈裂试验也存在类似的缺陷，不过劈裂过程可以评价混合料的抗拉强度，比浸水马歇尔试验更合理一点。这里浸水马歇尔试验和冻融劈裂结果相差较大，无法确定哪种混合料的水稳定性更好。汉堡车辙试验可以更合理地评价沥青混合料的水稳定性。
汉堡车辙试验仪器采用的是意大利CON-TROLS公司生产的Wet&Dry Double Wheel Tracker Machine，图1为汉堡车辙试验试验车辙深度和钢轮行走次数关系曲线图。曲线分为3段，即前期一小段的压密曲线、中间的蠕变曲线、最终的剥落曲线，用直线拟合蠕变曲线和剥落曲线，这2条直线的交点的横坐标为剥落点大小，是出现水损坏时，钢轮行走的次数。剥落点是汉堡车辙试验中反应试件水稳性的关键指标。
汉堡车辙仪可以进行不同温度的干式和浸水、板式和圆柱试件的试验，是沥青路面车辙成因分析和沥青混合料高温性能评价的有效工具，但其试验条件和评价指标仍存在争议。美国科罗拉多州的有关研究认为，应根据沥青的PG分级分别选用40，45，50，55℃的试验温度，判断标准均要求作用20 000次的最大车辙深度不大于10mm；而德克萨斯州的试验温度均50。C，但要求达到12.5 mm车辙深度时的最小次数不同。国内尚未推广使用汉堡车辙试验来评价沥青混合料的水稳定性和高温稳定性，在试验条件上研究也比较少。
当短时间不能有效区分鉴别不同沥青混合料时，可以延长试验时间进行鉴别。考虑到此次研究是为了优化沥青混合料的水稳定性，只需要比较不同混合料水稳定性的差异，并不一定要确定一个试验条件和指标，甚至可以在多种条件下，选取多种指标来评价其水稳定性。
试验采用ASSHTO T324规定的平均空隙率7%成型辉绿岩和玄武岩车辙板，在钢轮下碾压，选择剥落点和达到20 mm车辙深度时钢轮往返碾压的次数作为评价指标，得到试验结果见表8，实验结果对比见图2。
由表8可见，辉绿岩混合料的剥落点为3 180次，玄武岩混合料的剥落点为3 230次，略高于辉绿岩；而达到20 mm车辙时的往返次数辉绿岩混合料为4 160次，玄武岩混合料为4 100次略高于辉绿岩，综合比较可认为两者抗水损害性能差异不大。
3.3 沥青混合料抗滑性能
惠罗高速隧道较多，隧道内抗滑要求较高，因此有必要进行抗滑性能试验研究。按照《试验规程》的规定，对最佳油石比下的辉绿岩和玄武岩沥青混合料分别成型车辙板，用手工铺砂法测车辙板的构造深度。用摆式仪测车辙板的摆值。用构造深度和摩擦系数评价沥青混合料的抗滑性能。试验结果见表9。
由表9可见，2种混合料的构造深度相当，这是由于构造深度主要由混合料的级配决定，2种混合料的级配相同，均为GAC-13C，因此初始构造深度相差不会很大。而摩擦系数主要由粗集料的磨光值决定，辉绿岩的磨光值为48，比玄武岩的42大，辉绿岩集料的表面更粗糙，摆式仪受到的阻力更大，得到的摆值就更大，因此辉绿岩混合料的摩擦系数比玄武岩混合料的大。综合比较，辉绿岩混合料的抗滑性能更好。
4经济性分析
惠罗高速所需沥青表层粗集料约10万m3，罗甸辉绿岩与平坝玄武岩材料若以运输单价1元/(t-km)，辉绿岩平均密度均取1.55 t/m3、玄武岩取平均密度取1. 57 t／m3，分别以平均运距计算，其材料运输费用见表9。
由表9可见，惠罗高速沥青表层粗集料选用罗甸辉绿岩料场所供粗集料运费为1 085万元，而选用平坝玄武岩其运费则为2 041万元，选用罗甸辉绿岩运费会减少956万元，具有明显经济优势。
从运输周期来看，选用平坝玄武岩料场的运输周期是罗甸辉绿岩料场运输周期的2倍。选用罗甸辉绿岩料场粗集料作为沥青表层路面粗集料与选用平坝玄武岩料场粗集料相比较，工程造价明显减少，是理想的高速公路沥青表层粗集料。
5 结论
(1)辉绿岩的物理化学性质均满足规范对高速公路沥青混合料粗集料的要求，作为高速公路沥青混合料表层粗集料是可行的，辉绿岩在马歇尔试验中的各项指标均与玄武岩相差不大，且辉绿岩混合料与玄武岩混合料的水稳定性差别也不大，辉绿岩混合料的高温稳定性和抗滑性能更好。
(2)对于缺乏玄武岩而辉绿岩储藏丰富的地区，完全可以用辉绿岩替代玄武岩作为沥青路面抗滑表层，可以降低工程成本，给当地创造巨大的经济利益。
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