石灰岩隧道洞渣集料技术评价及其在沥青混合料中的应用研究.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 115-0 7市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.8Aug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.115石灰岩隧道洞渣集料技术评价及其在沥青混合料中的应用研究杨祖涛1,2*,柳力,刘靖宇1(1.湖南省高速公路集团有限公司，湖南长沙410 0 2 2；2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410 0 14)摘要：为推广山区石灰岩隧道洞渣的应用，采用室内试验和实体工程验证相结合的方法，探究了石灰岩隧道洞渣在沥青混合料中的适用性，分析了石灰岩隧道洞渣集料的生产质量控制方法，验证了石灰岩隧道洞渣沥青混合料的应用效果。结果表明：石灰岩隧道洞渣可用作沥青路面中下面层粗集料；采用人工优选、集中堆放、颚式破碎机十反击式破碎机十反击式破碎机的三级破碎工艺、预置筛网和引风式除尘相结合的多步骤降尘工艺对石灰岩隧道洞渣集料的生产质量进行控制，经过这些方法处理后，成品集料较洁净、颗粒形状较好、质量可控；配制的AC-20C的6 0 动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂残留强度比和低温弯曲应变分别为7 152 次/mm、91.2%、8 7.9%和2 7 0 910，铺筑的试验路质量满足现行技术规范要求。该研究成果可为石灰岩隧道洞渣在沥青混合料中的推广利用提供技术支撑与工程参考。关键词：道路工程；石灰岩隧道洞渣；沥青混合料；集料技术评价；工程应用中图分类号：U416.217Research on Technical Evaluation and Application in Asphalt Mixture of2.School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410014,China)Abstract:In order to promote the application of limestone tunnel slag in mountainous areas,the applicability oflimestone tunnel slag in asphalt mixtures was explored by combination of indoor experiments and physical engineeringverification,the production quality control method was analyzed and the application effect of limestone tunnel slagasphalt mixtures was verified.The results indicate that limestone tunnel slag can be coarse aggregate for the lowerlayer of asphalt pavement;The production quality is controlled by a multi-step dust reduction process of manual se-lection,centralized stacking,jaw crusher+impact crusher+impact crusher,pre installed screen and induced draftdust removal.After these measures,the finished aggregate is relatively clean with good particle shape and controllablequality;The dynamic stability,residual stability,freeze-thaw spliting residual strength ratio and low-temperaturebending strain of the prepared AC-20C at 60 a r e 7 152 c y c l e s/mm,91.2%,8 7.9%,a n d 2 7 0 9x 10-r e s p e c t i v e l y.The quality of the paved test road meets the current technical specifications.This research can provide technicalsupport and engineering reference for the promotion and utilization of limestone tunnel slag in asphalt mixtures.Key words:road engineering;limestone tunnel slag;asphalt mixture;aggregates technology evaluation;engineeringapplications收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 3作者简介：杨祖涛，男，工程师，硕士，主要从事公路桥梁工程建设与管理工作。引文格式：杨祖涛，柳力，刘靖宇.石灰岩隧道洞渣集料技术评价及其在沥青混合料中的应用研究.市政技术，2 0 2 3,41（8)：115-12 1.（YANGZ T,LIU L,LIU JY.Research on technical evaluation and application in asphalt mixture of limestone tunnel slag aggregates J.Journal ofmunicipal technology,2023,41(8):115-121.)文献标志码：ALimestone Tunnel Slag AggregatesYang Zutaol.*,Liu LP,Liu Jingyu(1.Hunan Expressway Group Co.,Ltd.,Changsha 410022,China;116近年来，随着高速公路向山区迅速发展，隧道修建的里程显著增长。然而，这也伴随着大量隧道洞渣的产生，但其利用率却较低2。为了处理过剩的隧道洞渣，需投入大量资金修建弃土场，且常常由于处理不当而引发一系列问题，包括占用耕地、污染环境以及破坏生态环境等,甚至可能引发地质灾害3-4。目前，国内外许多学者开展了隧道洞渣资源化利用的研究5-6,利用范围主要集中在路基填筑工程、边坡防护工程、混凝土工程、水泥稳定碎石基层7-10 1，并且形成了成套的利用技术1-13。然而，隧道洞渣在沥青混合料中的应用却极少，其原因主要是沥青混合料用集料质量要求较高，隧道洞渣作为非标准材料通常被视为劣质材料而被拒绝使用。关于隧道洞渣用作沥青混合料集料的评价方法以及成套的应用技术研究较少，这限制了优质隧道洞渣在沥青混合料集料领域的有效利用。因此，研究适合隧道洞渣用作沥青混合料集料的技术评价方法和加工技术是提高隧道洞渣有效利用率的关键。笔者针对山区高速公路隧道洞渣多、处理难和质量难以控制等工程实际问题，以某山区高速公路石灰岩隧道洞渣为研究对象，对其在沥青混合料中的适用性进行了技术评价，同时提出了石灰岩隧道洞渣集料生产质量控制方法，并对石灰岩隧道洞渣沥青混合料AC-20C进行了路用性能验证和应用效果检验，以期为隧道洞渣在沥青混合料中的应用提供参考。1石灰岩隧道洞渣在沥青混合料中的适用性研究为筛选出最有可能用作沥青混合料集料的隧道洞渣，采用现场快速评价、成分分析、表面微观特分析方法XRF分析外观描述岩石结构岩石薄片分析矿物成分及其含量方解石（95%），石英少量，碳质及铁质（2%），不透明矿物微量，后期方解石（3%）岩性分类粉-微晶石灰岩由表2 可知，隧道洞渣属于石灰岩，结构为块状构造，色泽一致，颜色单一，杂质少，对力学性质有利，但矿物成分以方解石为主（含量约95%），Si02、A l 2 0 3、Fe20,等硬质成分非常少,这导致其力学性质具有一Journal of Municipal Technology出渣点外观色泽与盐酸反应简易硬度测试（与硬质地面摩擦）1号隧道洞渣浅灰色剧烈起泡2号隧道洞渣浅灰色剧烈起泡由表1可知，1号和2 号隧道洞渣外观色泽为浅灰色，与盐酸反应剧烈,表明岩石为碱性的可能性较大；其中1号隧道洞渣硬度较好，可进行下一步研究，而2 号隧道洞渣硬度较差，因此不适用于沥青混合料集料的加工。1.2成分分析采用X射线荧光光谱（X-rayfluorescencespec-trometer,XRF）分析和岩石薄片分析确定隧道洞渣组成成分以分析其性质，分析结果见表2。表2 成分分析结果Tab.2 Composition analysis results分析结果主要氧化物成分及其含量：Ca0（54.32%），Si 0 2（0.11%），Fe 2 0 3（1.37%），A 12 0 3（0.0 5%），M g 0（0.0 2%）呈浅灰黑色，块状粉-微晶结构,块状构造第41卷性分析、集料技术指标分析的多角度分析方法评价其适用性。1.1现场快速评价根据地勘资料筛选出围岩级别为级的2 个出渣点（见图1），对其进行了快速评价，评价结果见表1。a)1号隧道洞渣图1隧道洞渣示意图Fig.1 Schematic diagram of the tunnel slag表1现场快速评价结果Tab.1 Quick site evaluation results成粉现象轻微，硬度较好成粉现象明显，硬度较差定局限性，且粉-微晶结构在破碎过程中易产生较多的粉尘，同时也不耐磨耗；Si02含量小于52%，为碱性石料，因此以方解石为主的石灰岩隧道洞渣的力学性质是制约其用作沥青混合料集料的关键因素。b)2号隧道洞渣第8 期1.3表面微观特性分析为分析石灰岩隧道洞渣的表面微观特性，采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)杨祖涛等：石灰岩隧道洞渣集料技术评价及其在沥青混合料中的应用研究117观测其在不同倍数下的表面微观形态,见图2。由图2 可知，在不同倍数下，石灰岩隧道洞渣的表面结构致密、无明显裂隙发育、材质单一，无不a)100 m图2 不同倍数下石灰岩隧道洞渣的表面微观形态Fig.2 Surface microscopy of limestone tunnel slag under different magnification of microscopes良力学性质特征；此外，表面凸起的颗粒较多且粗糙度均匀，这使得集料比表面积增大。由于石灰岩属于碱性石料，理论上能吸附更多的沥青，从而增加集料表面沥青膜的厚度，进而增强沥青混合料骨料间的粘结，这对于沥青混合料的高温稳定性和水稳项目技术指标单轴饱水抗压强度/MPa力学性质压碎值/%洛杉矶磨耗值/%表观相对密度物理性质吸水率/%与盐酸反应化学性质碱值与基质沥青黏附等级由表3可知，石灰岩隧道洞渣的单轴饱水抗压强度为8 2.2 MPa,相对偏低,且压碎值、洛杉矶磨耗值仅满足中下面层集料的技术要求；表观相对密度和吸水率满足所有层次集料的技术要求；与盐酸反应和碱值试验结果均表明石灰岩隧道洞渣具有较强的碱性，且与沥青黏附性等级为5级，满足所有层次的技术要求。1.5石灰岩隧道洞渣在沥青混合料中的适用性分析综上多角度分析结果表明，石灰岩隧道洞渣具有材质单一、密度适中、吸水率小、表面粗糙以及与沥青黏附性好的特性，符合沥青混合料集料大部分技术要求。然而，石灰岩隧道洞渣含有大量软质方解石（含量约为95%），其力学性质指标较差，仅满足中下面层集料的技术要求，因此可考虑用作项目中下面层沥青混合料集料。但将石灰岩隧道洞渣用b)40 m定性均有利，但还须结合黏附性试验进一步验证。1.4集料技术指标分析为更好地评价石灰岩隧道洞渣的性质，分别检测其力学、物理、化学性质基本指标以及与沥青的黏附性，检测结果见表3。表3集料技术指标检测结果Tab.3 Test results of aggregate technical indicators检测值82.220.924.42.7082.7210.560.58剧烈起泡0.965级2石灰岩隧道洞渣集料生产质量控制2.1米料源质量控制为保证料源质量的稳定性，避免石灰岩隧道洞c)20 m技术要求60上面层2 0；中下面层2 4上面层18；中下面层2 8上面层2.6；中下面层2.5上面层1.0；中下面层2.0上面层5级；中下面层4级作项目中下面层沥青混合料集料还存在以下风险：其压碎值（2 0.9%）较接近中下面层集料压碎值技术要求（2 4%），若石灰岩隧道洞渣质量不稳定，加工的集料压碎值可能超出技术要求值，用于铺筑沥青混合料时，集料易被压实机械压碎，影响沥青混合料的质量；石灰岩隧道洞渣常混堆导致其质量不稳定、洁净程度低,加之软质方解石及粉-微晶结构在破碎过程中易产生较多的粉尘，降尘难度大。因此，石灰岩隧道洞渣用作项目中下面层沥青混合料集料还须解决料源质量稳定程度和洁净程度低的问题。试验方法T 02212005T03162005T 0317-2005T 03042005T 03042005T 0347-2000T 06161993118渣混堆的问题，笔者采取了以下步骤：首先在料源选择上，根据地勘资料筛选出围岩级别不大于II级（I V、V 级围岩）、饱和抗压强度大于7 0 MPa的里程进行开挖，将开挖出的石灰岩隧道洞渣单独堆放；其次在初选的石灰岩隧道洞渣中，采用人工配合机械的方式，优选出质地密实、坚硬、块状、洁净、无风化、杂质少的石灰岩隧道洞渣，并将其堆放至另外场地，而对于力学质量有疑问的石灰岩隧道洞渣，采用人工持铁锤用力敲击块石的方式检验其质量，以不发生碎裂为标准可判为合格，并对每台班优选出的石灰岩隧道洞渣进行验收；最后将优选出的石灰岩隧道洞渣加工成集料，且每生产50 0 t检测其压碎值，不合格不得人仓。2.2破碎工艺为制备出颗粒形状好、较洁净的集料，需根据石灰岩隧道洞渣的特点分析其加工要点。由于石灰岩隧道洞渣力学性质较差，硬度不及花岗岩等岩石，因此在进行破碎设备选型时尽量选择冲击式原理的破碎设备，如反击式破碎机。在破碎过程中,粗碎阶段一般选择颚式破碎机；而对粒形要求较高的集集料规格/针片状颗粒含量/%mm检测值51012.710209.610256.6由表4可知，3次抽检的平均压碎值为17.7%，无增大趋势（与2 0.9%相比），表明优选的石灰岩隧道洞渣力学指标可控，优选方法可行；集料颗粒形状接近立方体，表面较洁净，并且针片状颗粒含量和粉尘含量满足技术要求，表明所采用的三级破碎工艺和多步骤降尘工艺适用于项目石灰岩隧道洞渣集料的加工。3石灰岩隧道洞渣在沥青混合料中的应用为验证石灰岩隧道洞渣在沥青混合料中的应用效果，将石灰岩隧道洞渣集料、填料和SBS改性沥青作为原材料配制AC-20C，用于项目中面层铺筑，并开展了AC-20C配合比设计、路用性能验证和工程应用评价。Journal of Municipal Technology表4成品集料质量Tab.4Qualityof finished aggregates粉尘含量/%技术要求检测值200.6150.4150.4第41卷料，中碎阶段则采用反击式破碎机；中碎后较大粒径的碎石，继续采用反击式破碎机进行再加工。因此，石灰岩隧道洞渣破碎采用颚式破碎机十反击式破碎机十反击式破碎机的三级破碎工艺进行破碎。石灰岩隧道洞渣集料粉尘主要来自于两个方面，一方面是母材自身的洁净程度，另一方面是破碎时产生的粉尘。为了解决该问题，采用了多步骤降尘工艺。首先在颚式破碎机进料口前配置带有510 cm孔径筛网的振动喂料机进行喂料，其目的是预先筛除泥土、杂质以及质量不佳的小块石；其次在粗碎设备和中碎设备之间增加了带有10 mm孔径筛网的振动筛，可将包裹于集料表面的泥土和粉尘剥离、筛除；最后采用引风式除尘设备进行除尘，引风管安装在中碎设备、细碎设备、振动筛和皮带下料口处，通过引风系统将产生的粉尘去除。2.3成品集料质量按照上述控制要点进行石灰岩隧道洞渣集料的制备，参照JTGE42一2 0 0 5公路工程集料试验规程中规定的方法检测集料的压碎值、针片状颗粒含量和粉尘含量，结果见表4。压碎值/%技术要求检测值1第1次19.3;1第2 次13.6;第3次2 0.113.1AC-20C配合比设计SBS改性沥青、细集料和填料技术指标检测结果见表57,检测结果均满足技术要求。配合比采用马歇尔方法进行设计，矿料级配采用改进型沥青混合料级配，经多次适配、优化，矿料掺比及合成级配见表8。将合成的矿料在不同油石比下参照JTGE20一2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程14中规定的方法进行马歇尔试验，试验结果见表9。利用马歇尔试验结果，绘制出毛体积相对密度、目标空隙率、间隙率、饱和度、稳定度、流值与油石比的关系图,确定了0 ACi=4.40%、0 A Cmi m=4.19%、0 A Cmx=4.41%、0 A C z=4.30%，则最佳油石比为4.40%。AC-20C技术指标检测结果见表10。成品集料技术要求24第8 期表5SBS(I-D)改性沥青技术指标检测结果Tab.5 Test results of technical indicators of SBS(I-D)modified asphalt技术指标针人度(2 5,10 0 g,5 s)/0.1 mm针入度指数软化点/运动黏度(135)/(Pas)延度(5,5cm/min)/cm相对密度(2 5)闪点/溶解度/%弹性恢复(2 5)/%离析48 h软化点差/质量变化/%RTFOT后残留针人度比（2 5）/%残留延度(5)/cm掺比/材料规格/mm26.53610203051053527032矿粉合成级配设计推荐范围表9不同油石比下的马歇尔试验结果Tab.9 Results of Marshall test with different asphalt-aggregate ratios油石比/毛体积空隙率/间隙率/饱和度/稳定度/流值/%相对密度%3.32.3983.82.4144.32.4294.82.4365.32.430技术要求3.2AC-20C路用性能验证参照JTGE202011公路工程沥青及沥青混合料试验规程14中的方法，采用车辙试验、低温弯曲梁流变试验、冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验评价AC-20C的高温、低温和水稳定性，试验结果见表11。由表11可知，石灰岩隧道洞渣沥青混合料各项杨祖涛等：石灰岩隧道洞渣集料技术评价及其在沥青混合料中的应用研究检测值检测值技术要求51.640601.1084701.3328251.032259.499.24941.10.03781.523Tab.8 Design gradation of mineral aggregate191610099.210010010010010010010010010099.7100951007892658548722353164412321024718412表10AC-20C技术指标检测结果Tab.10 Test results of technical indicators of AC-20C技术指标油石比/%6.813.25.413.04.213.03.213.12.813.74613.065758.02050119表6 细集料技术指标检测结果Tab.6 Test results of technical indicators of fine aggregate技术指标表观相对密度毛体积相对密度砂当量/%亚甲蓝值/(g/kg)棱角性（流动时间）/s表7 填料技术指标检测结果230Tab.7 Test results of technical indicators of fillers99技术指标85表观密度1.5含水量/%1外观65亲水系数20塑性指数表8 矿料设计级配各筛孔（mm）通过率/%13.29.572.238.21001001001001001001001009077.8kN0.1 mm49.08.5458.48.7567.59.1475.48.7079.68.34技术要求2.6962.52.635721.533.9检测值2.7040.3无团粒结块0.53.54.752.363.81.098.811.710093.81001001001006537.6毛体积相对密度30理论最大相对密度33空隙率/%38间隙率/%3.9饱和度/%42稳定度/kN流值/0.1 mm路用性能指标均符合技术要求,并且有一定的富余，尤其是水稳定性指标富余程度较大，表明石灰岩隧道洞渣沥青混合料的水稳定性能较好。因此，石灰岩隧道洞渣集料可配制出路用性能优良的沥青混合料，进一步验证了隧道洞渣集料评价方法的可靠性和生产质量控制的合理性。652.530技术要求2.51无团粒结块15.2100920.36第8 期【4黄法礼，李化建，王振，等.隧道洞渣建筑材料资源化应用研究现状与存在问题分析J.中国铁路，2 0 19(8):14-18.（HUANGF L,LI H J,WANG Z,et al.Research results and challenges ofrecycling tunneling mucksJJ.China railway,2019(8):14-18.)5 RITTER S,EINSTEIN H H,GALLER R.Planning the handlingof tunnel excavation material-a process of decision making underuncertainty J.Tunnelling and underground space technology,2013,33:193-201.【6 黄少雄，陈记，刘明，等.高速公路隧道洞渣综合利用管理研究J.公路交通科技（应用技术版）,2 0 19，15（12）：30 6-30 9.(HUANG S X,CHEN J,LIU M,et al.Comprehensive utilizationmanagement study of highway tunnel slagJJ.Journal of highwayand transportation research and development(applied 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concrete from tunnel slagD.Wuhan:Wuhan Univer-sity of Technology,2012.)12 谭雨和.凝灰岩洞渣在骨架密实型水泥稳定碎石基层中的应用研究D.重庆：重庆交通大学,2 0 19.（TANYH.Studyontheapplication of tuff cave dense cement stabilized macadam baseD.Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2019.13李化建，黄法礼，王振，等.铁路绿色隧道工程材料技术研究进展J.隧道建设（中英文),2 0 2 1,41(11):1992-2 0 0 0.（LIHJ,HUANG F L,WANG Z,et al.Review of material technologyused in green railway tunnel engineeringJ.Tunnel construction(Chinese and English),2021,41(11):1992-2000.)14中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程：JTGE202011S.北京：人民交通出版社，2 0 11:2 2 4-301.(Ministry of Transport of the Peoples Republic of China.Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures forhighway engineering:JTG E202011 S J.Beijing:China Com-munications Press,2011:224-301.)15中华人民共和国交通运输部.公路路基路面现场测试规程：JTG34502019S.北京：人民交通出版社，2 0 19：14-133.(Ministry of Transport of the Peoples Republic of China.Fieldtest methods of highways subgrade and pavement:JTG 34502019S.Beijing:China Communications Press,2019:14-133.其他作者：柳力，男，副教授，博士，主要研究方向为路面结构与材料。刘靖宇，男，工程师，博士，主要从事公路桥梁工程建设与管理工作。ternational Conference on Signal Processing IEEE,Hongkong:Communications and Computing(ICSPCC),2016:1-4.9 ZHANF,WANX,CHENGY,et al.Methods for multi-type sensorallocations along a freeway corridorJ.IEEE intelligent trans-portation systems magazine,2018,10(2):134-149.10SUN W W,SHEN L,SHAO H,et al.Dynamic location models ofmobile sensors for travel time estimation on a freewayJ.Inter-national journal of applied mathematics and computer science,2021,31(2):271-287.11 CHEN H,DOUGHERTY M,KIRBY H.An investigation of de-tector spacing and forecasting performance using neural networksCJ/Mobility for Everyone.4th World Congress on IntelligentTransport Systems.Washington:Transport Research Laboratory,1997:2083.其他作者：陈艳艳，女，教授，博士，主要从事智能交通和路网优化方面的研究工作。陈宁，男，回族，讲师，博士，主要从事交通基础设施和交通运行状态智能监测研究工作。张翔，男，硕士，主要从事智能交通方面的研究工作。121concrete using recycled tunnel excavation materialJ.Structural