江陳龍，錢振東，賈彥卿

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，中國重慶401121;2.東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心，中國江蘇南京210096;3.錫林郭勒盟交通運輸局，中國內(nèi)蒙古錫林浩特026000)

近年來，交通基礎設施建設快速發(fā)展，截至2007年底，全國公路橋梁達57.00萬座、2 319.18萬延米;公路總里程達 3.583 7 ×106km［1］。這些工程的鋪筑需要大量砂石材料，而目前砂石材料主要通過開采山體和挖掘河道獲取，這給自然環(huán)境造成不可恢復性的破壞，如由于大量開采山體，造成生態(tài)破壞，大量山體裸露，植被難以恢復，甚至發(fā)生滑坡等災害。此外，凡是開山取石的地方，其周邊地區(qū)塵土飛揚，污染嚴重，農(nóng)田普遍被塵土覆蓋，直接危害農(nóng)作物的正常生長，嚴重影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。粉碎石料形成的粉塵彌漫在空氣中危害著附近居民的身體健康與生活質(zhì)量。因此，開發(fā)新的材料替代砂石料，減少對山體的開采，對于保護環(huán)境、提高生活質(zhì)量，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是很有利的，這也應是公路可持續(xù)發(fā)展的根本趨勢所在。

輕集料(陶粒、陶砂)作為“在錯誤時間放在錯誤地點的資源”的工藝制成品，逐步替代普通砂石料應用在公路行業(yè)，這與我國大力發(fā)展生態(tài)型循環(huán)經(jīng)濟的要求一致。目前，國內(nèi)有關輕集料應用道路工程的研究主要集中于輕集料水泥混凝土，關于輕集料瀝青混凝土也開展了試驗性的研究［2］;國外的研究除了輕集料水泥混凝土外主要集中在瀝青表面處治及維修，關于輕集料瀝青混凝土的研究處于起步階段［3-4］，但也取得了可喜成果［5-6］。輕集料替代普通集料能改善瀝青混凝土抗滑性能、抗車轍性能和水穩(wěn)定性，提高彈性模量，并能減輕瀝青混凝土的質(zhì)量［2，5-7］，這為路面和橋面鋪筑工程提供新的選擇。

我國幅員遼闊，資源豐富，具有發(fā)展各類輕集料的良好條件。因此，筆者從國內(nèi)外結(jié)構用輕集料、輕集料瀝青混凝土以及國內(nèi)外的相關規(guī)范等3方面概述目前最新研究成果，為我國輕集料瀝青混凝土研究與應用提供參考。

1 結(jié)構用輕集料

1908年，美國人史迪芬.海德首次發(fā)現(xiàn)頁巖的膨脹性，經(jīng)過研究于1918年獲得回轉(zhuǎn)窯燒制頁巖陶粒的專利［8-9］，這是輕集料的發(fā)端。

輕集料在國外較大規(guī)模的興起，開始廣泛工業(yè)性應用，是受第一次世界大戰(zhàn)的刺激。隨后，輕集料的應用逐漸從造船過渡到以橋梁為主的土木工程和以高層建筑為主的建筑工程兩大領域。20世紀90年代至今，國外陶粒的應用領域由傳統(tǒng)的土木工程，逐漸轉(zhuǎn)向制品;陶粒的原材料由傳統(tǒng)的黏土、頁巖轉(zhuǎn)向工業(yè)廢渣和淤泥;陶粒生產(chǎn)技術逐漸形成成熟的體系［10］。

目前，高性能輕集料發(fā)展與應用在國外各國得到相當高的重視，其強度、密度以及吸水率等技術指標都有很大改善。其中以美國的Aquadale高性能輕集料，挪威的Leca800輕集料，德國的Liapor8高性能輕集料以及日本Tachibani生產(chǎn)的黑云母流紋巖高性能輕集料為代表，其部分技術指標詳見表1。

表1 國外高性能陶粒部分技術指標Table 1 Several qualification of high-performance ceramic aggregate at abroad

此外，國外對混凝土結(jié)構用輕集料都有了相關的技術規(guī)范，如歐洲共同體 EN 13055-1、美國ASTM C 330以及日本JIS A 5002標準，現(xiàn)將美國和日本的標準分別匯總于表 2［11］和表 3［12］。

表2 結(jié)構混凝土用輕集料規(guī)范(美國ASTM C 330)Table 2 Standard specification for lightweight aggregates for structural concrete(ASTM C 330 USA)

表3 結(jié)構混凝土用輕集料規(guī)范(JIS A5002)Table 3 Standard specification for lightweight aggregates for structural concrete(JIS A5002)

我國輕集料的研究與應用經(jīng)歷了曲折性的變化，總體經(jīng)歷了3個階段［13-15］:20世紀50年代至70年代初試驗試制的初始階段;80年代的衰退階段;80年代末至90年代末的發(fā)展填充輕集料，結(jié)構輕集料研發(fā)與應用近乎停滯階段。進入21世紀，我國陶粒雖隨著工業(yè)的發(fā)展，逐步進入了發(fā)展相對穩(wěn)定的時期，陶粒的工業(yè)應用研究也有了新的發(fā)展，但是與一些國家相比，差距較大，尤其是高性能陶粒的發(fā)展與應用。我國高強粗陶粒(輕粗集料)的指標詳見表4。

表4 我國高強輕粗集料部分技術指標Table 4 Several qualification of high-strength lightweight coarse aggregate in China

2 國外輕集料瀝青混凝土

在國外，輕集料應用于瀝青路面鋪筑工程，經(jīng)歷了由輕集料瀝青碎石封層研究與工程應用到輕集料瀝青混合料研究的兩主要發(fā)展階段。

2.1 輕集料瀝青碎石封層

輕集料瀝青碎石封層主要從性能、瀝青與輕集料的黏附性和工程實踐3方面進行研究，發(fā)展得比較成熟，這也為輕集料替代普通集料應用于瀝青混合料的研究打下堅實基礎。早在20世紀五六十年代，Gallaway，等［16］就開始輕集料應用于瀝青碎石封層鋪面工程的研究，得出輕集料能提供比天然石料更優(yōu)越的抗滑性能的結(jié)論，并于1962年由美國德克薩斯州公路局在Abilene區(qū)首次鋪筑輕集料瀝青碎石封層試驗段［17］。隨后，德克薩斯州交通運輸研究所對輕集料進行了系統(tǒng)綜合性研究［18］，研究表明，在凍融條件和加速凍融試驗下，輕集料沒有明顯的退化現(xiàn)象，由于輕集料與瀝青間的良好黏附性，能很好地減少飛石擊碎擋風玻璃的機率，改善路面的抗滑性能，并可以作為統(tǒng)一級配材料使用。文獻［17，19］對瀝青與輕集料黏附性以及瀝青陶粒碎石封層的性能進行了研究，由于附著在天然石料上的灰塵和石料的特性影響，以及輕集料的非活性、表面不易沉灰等特性，使得瀝青與輕集料間的黏附性能較天然石料強，而且抗滑性高。

美國“膨脹頁巖、黏土、板巖(ESCS)公司”對人造輕集料用于碎石封層的研究也表明［6，20］，其與瀝青的優(yōu)越黏附性改善了路面性能比用傳統(tǒng)集料更安全、更經(jīng)濟;輕集料不會隨著使用時間和磨耗作用而被“磨光”［21-22］，因為其內(nèi)部的多孔性，表面文理被磨光的同時又有新的粗糙文理出現(xiàn)。這些結(jié)論以及輕集料應用于瀝青碎石封層的成功性最終被NCHRP Synthesis 342文件［23］所證實，該文獻也對各國輕集料瀝青碎石封層的使用情況進行了統(tǒng)計，美國有29%的道路部門使用，而澳大利亞、新西蘭、英國和南非有43%。

2.2 輕集料瀝青混凝土

然而，國外很多研究報告針對當時的情況闡述了輕集料用于路面工程的不足，如吸水率較高、強度較低和成本較高等，這也是造成國外輕集料熱拌瀝青混凝土的研究和應用相對碎石封層較少的原因。但隨著高性能輕集料的發(fā)展，上述的不足逐漸得到改善，如表1中日本Tachibani生產(chǎn)的高性能輕集料，吸水率低、強度高，而且其比重可降為普通集料的25%［8］。這為輕集料瀝青混凝土的發(fā)展提供了廣闊的空間，國外研究者也紛紛開始對其展開了研究，主要集中在輕集料的摻加比例、混合料的性能以及輕集料與瀝青間的黏附性等方面。

Hooper，等［5］就粉煤灰和塑料輕集料的摻加比例對熱拌瀝青混合料的體積比重、最大理論密度、彈性模量、車轍試驗以及間接拉伸強度的影響進行了理論研究，得出摻加輕集料能提高瀝青混凝土的剛度，改善車轍性能、減小吸水率，并且隨著摻加比率的增加，混合料的比重在不斷減小，最終推薦摻加輕集料的質(zhì)量百分比為15%。

文獻［24］對城市固體廢棄物焚燒底灰輕集料進行了研究，研究結(jié)果表明，可以配制出最大替代量為75%(占集料的質(zhì)量百分比)的滿足規(guī)范要求的輕集料瀝青混凝土，并給出了輕集料的退化過程。此外，瀝青混凝土的密度隨著輕集料替代量的增加而減?。?，24］，并且同一路面鋪筑同樣長度，輕集料瀝青混凝土較傳統(tǒng)瀝青混凝土節(jié)約近30%的集料(以體積計算)［3］。然而，國外相關研究也有其不足之處。如Hooper等人沒有對混合料的低溫性能與疲勞性能進行分析，也沒有進一步分析摻加20%的輕集料瀝青混凝土;文獻［21］沒有對混合料的疲勞性能進行研究。

2.3 道路用輕集料規(guī)范

國外雖然已有關于輕集料(陶粒)瀝青混凝土的規(guī)范和標準，如美國的ASTM 標準［25-27］、歐洲的EN 標準［28］和日本的 JIS 標準［29］，但標準中的試驗方法很多是沿用傳統(tǒng)的方法，并沒有進行穩(wěn)定性評價。如歐洲BS EN 13055-2:2004標準里的輕集料抗磨耗性能的試驗是沿用普通集料的試驗方法，并且沒有對其適用性進行評價?，F(xiàn)將美國ASTM和日本 JIS 的相關標準匯總于表 5［25-27］和表 6［29］。

表5 瀝青混合料用輕粗集料規(guī)范Table 5 Standard specification for coarse aggregate for bituminous paving mixtures

表6 道路用碎石規(guī)范Table 6 Crushed stone for road construction

3 國內(nèi)輕集料瀝青混凝土

我國研究者主要是對輕集料水泥混凝土的理論與應用進行研究，并制定了相關的規(guī)范與標準［30-32］。但由于國內(nèi)輕集料發(fā)展緩慢，尤其是高性能輕集料，使得國內(nèi)陶粒瀝青混凝土及瀝青路面的相關研究與應用偏少。目前，國內(nèi)研究者主要從輕集料類型選用、輕集料摻加比例、輕集料與瀝青的黏附性以及輕集料瀝青混合料性能等方面進行試驗研究。

于淑敏，等［33］以硅藻土陶砂替代礦粉作為填料，對輕集料瀝青路面混合料的結(jié)合強度與穩(wěn)定性進行研究，研究表明，用硅藻土陶砂不僅可以替代優(yōu)質(zhì)礦粉，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，如抗拉強度高、與瀝青的黏附性強以及水穩(wěn)定性好等。

文獻［2，34］對高強度破碎型頁巖陶粒代替AC-20I中花崗巖石料進行了試驗研究，配制出密度較小的瀝青陶?；炷?，并鋪筑試驗段進行研究。研究表明破碎型陶粒較圓球形的更適宜于道路瀝青混凝土用粗集料，與普通花崗巖石料瀝青混凝土比較，瀝青陶?；炷粮黜椥阅芘c前者無明顯差異，但密度減小20%左右，并且耐磨性較好。對試驗段使用16個月后和3年后進行觀測，瀝青層狀況良好，無明顯車轍，有少量細小裂紋，個別陶粒表面瀝青膜已經(jīng)脫落，但路面總體狀況良好，路用性能較佳。

此外，臺灣學者成功研究開發(fā)出用水庫淤泥生產(chǎn)輕集料，并對其工程應用進行了研究，建立了淤泥輕質(zhì)骨料應用技術資料庫。文獻［7］即是臺灣學者對水庫淤泥輕集料用于多孔排水性路面的試驗研究，提出體積替代率為15%(占集料的總體積)的輕集料瀝青混凝土是最適合的，與傳統(tǒng)的碎石瀝青混合料相比，輕集料能改善瀝青混凝土的抗滑性能、耐久性能、抗車轍性能、抗剝落性能以及水敏感性，并從微觀結(jié)構初步分析了瀝青與輕集料間的黏附性。與文獻［5］類似，作者沒有對其低溫性能進行研究，對體積替代率大于15%的輕集料瀝青混凝土也沒進行具體分析。

4 結(jié)語

目前，輕集料在鋪面工程的應用主要集中于水泥混凝土鋪面工程，這主要是由于較普通砂石材料輕集料的吸油率高。但是國內(nèi)外研究表明輕集料的摻加，能改善瀝青混合料的性能，如強度增加、彈性模量提高以及密度減小等。強度和模量的增加，可以適當減薄路面的厚度;等質(zhì)量的混合料，密度的降低將增加鋪面的長度。通過理論和試驗研究，這些都可以有效地消除輕集料吸油率高的缺點。這也從理論上說明輕集料瀝青混合料用于鋪面工程是可行的。

但是，依據(jù)現(xiàn)階段我國輕集料及輕集料瀝青混合料的研究現(xiàn)狀，應從以下幾方面展開進一步研究。

1)輕集料摻加量。國內(nèi)外雖有關于輕集料摻量的研究，但多是停留在小范圍，另外對大摻量的瀝青混合料未作經(jīng)濟性分析。因此，需要大范圍的研究輕集料的摻量，并對每一摻量混合料的使用性和經(jīng)濟性進行分析。

2)輕集料瀝青混合料性能試驗?？v觀前述的文獻，可以看出輕集料瀝青混凝土的研究在國內(nèi)外尚屬起步階段，對其性能的研究不夠全面，尤其是國內(nèi)的相關研究十分少。

3)輕集料瀝青混凝土路面實際工程跟蹤調(diào)研。在不同交通量路段鋪筑試驗段，對其進行跟蹤調(diào)查研究，研究混合料路面性能的變化規(guī)律，總結(jié)實際工程經(jīng)驗，進一步指導理論研究工作。

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