陳東豐，陳志國(guó)，姚冬冬

（吉林省交通科學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春130012）

0 引言

“加快推進(jìn)綠色循環(huán)低碳交通運(yùn)輸發(fā)展”是交通運(yùn)輸部提出的行業(yè)發(fā)展目標(biāo)。如何集成現(xiàn)有技術(shù)成果，做到因地制宜、就地取材，從而實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)的綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展，是當(dāng)前公路建設(shè)亟需解決的主要問題。我國(guó)火山灰、硅藻土、煤矸石等地產(chǎn)材料儲(chǔ)量豐富，開發(fā)潛力巨大，將硅藻土、火山灰、煤矸石、硼灰等地產(chǎn)材料合理的應(yīng)用于公路工程建設(shè)中，最大限度地發(fā)揮地產(chǎn)材料特性，因地制宜，就地取材，不但可縮短筑路材料運(yùn)距、降低油耗，還能增強(qiáng)路基路面的使用性能和耐久性，減少公路養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約循環(huán)利用。

本文在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，介紹了火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰等地產(chǎn)筑路材料在公路工程中應(yīng)用的主要性能和技術(shù)指標(biāo)，對(duì)地產(chǎn)材料在國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

1 火山灰材料

火山灰是火山噴發(fā)時(shí)隨同熔巖一起噴發(fā)的大量熔巖碎屑和粉塵沉積在地表面或水中形成松散或輕度膠結(jié)的物質(zhì)，具有一定的活性。我國(guó)火山灰資源十分豐富，儲(chǔ)量可達(dá)幾十億立方米以上，因地制宜把火山灰材料用于公路建設(shè)中，充分利用火山灰材料的隔溫性、活性，來填筑抗凍路基、修筑基層、作填料型改性劑改性瀝青混凝土，具有十分重要的意義。

1.1 火山灰作為路基填料的試驗(yàn)研究

在寒冷的氣候條件下，由于路基土凍結(jié)變形而引起的路面開裂已成為凍土區(qū)路面破壞的主要形式之一，嚴(yán)重地影響了路面結(jié)構(gòu)的使用性能和耐久性。因此，為了減少和防止公路路基路面凍脹破壞，凍土區(qū)路基應(yīng)采取抗凍措施，而應(yīng)用隔溫性能良好的筑路材料就是其中一種行之有效的措施。

對(duì)火山灰的熱物性系數(shù)試驗(yàn)表明，火山灰材料熱物性系數(shù)僅為黏土的40%～60%（見表1），說明火山灰材料具有良好的隔溫性能。

表1 火山灰熱物系數(shù)

為了研究采用火山灰作為路基填料對(duì)路基抗凍性的影響，在吉林省長(zhǎng)白山橫山林場(chǎng)保護(hù)站即長(zhǎng)白山南坡旅游公路K4+900斷面，以路中心為界，道路左、右兩幅分別填筑火山灰和黏土，距路基頂面2.6m 起，每隔0.2m 埋設(shè)一個(gè)溫度傳感器。溫度傳感器埋好之后，另一端的溫度探測(cè)頭分別置于火山灰側(cè)與黏土側(cè)，放入預(yù)先準(zhǔn)備好的箱子里，并進(jìn)行了平均4d 一次的跟蹤觀測(cè)，描繪出火山灰與黏土的溫度變化曲線（見圖1、圖2）。

圖1 火山灰溫深圖

圖2 黏土溫深圖

從圖1、圖2 可以看出，不同深度的溫度傳感器在冬季不同時(shí)間的溫度變化趨勢(shì)一致，火山灰路基的最大凍深為1.2m，黏土路基的最大凍深為1.8m。即火山灰路基凍深明顯小于黏土路基凍深，兩者相差0.6m，說明火山灰材料具有良好的隔溫性。

1.2 火山灰穩(wěn)定類材料在路面基層中的應(yīng)用

通過對(duì)火山灰材料物理化學(xué)特性的試驗(yàn)研究顯示，火山灰材料中含有Si、Al、Fe、K、Na、Ca和Mg 等多種元素，與粉煤灰化學(xué)組成相接近，火山灰中活性組分可與石灰發(fā)生反應(yīng)，形成膠結(jié)物將集料膠結(jié)為整體，因此火山灰可作為結(jié)合料與石灰共同對(duì)集料進(jìn)行穩(wěn)定。此外，火山渣具有較高的壓碎值，可作為骨料應(yīng)用于路面半剛性基層中。

對(duì)不同類型火山灰材料路面基層混合料不同齡期強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見圖3，所試驗(yàn)的20組火山灰材料路面基層混合料中有16 組滿足高速公路和一級(jí)公路基層強(qiáng)度要求，180d 齡期強(qiáng)度在5.47～7.01MPa之間，其中石灰火山灰穩(wěn)定類基層強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大，效果較好。

圖3 火山灰材料路面基層強(qiáng)度

對(duì)不同組成比例的火山灰材料基層混合料抗壓回彈模量以及劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）火山灰路面基層抗壓回彈模量為870～1346MPa，低于傳統(tǒng)半剛性基層的抗壓回彈模量，但在適合瀝青路面的基層模量范圍內(nèi)；

（2）火山灰混合料劈裂強(qiáng)度在0.49～0.77MPa之間，可根據(jù)不同配比火山灰混合料的實(shí)際劈裂強(qiáng)度選擇其應(yīng)用的層位。

圖4、圖5 為火山灰路面基層材料的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由圖中數(shù)據(jù)可以看出，火山灰路面基層的干縮系數(shù)和溫縮系數(shù)均明顯小于二灰碎石和水泥穩(wěn)定砂礫的干、溫縮系數(shù)，干縮系數(shù)為傳統(tǒng)半剛性基層干縮系數(shù)的1/3～1/2，溫縮系數(shù)為傳統(tǒng)半剛性基層溫縮系數(shù)的1/4～1/2，說明火山灰路面基層具有良好的抗收縮性能。

圖4 火山灰基層混合料干縮系數(shù)

圖5 火山灰基層混合料溫縮系數(shù)

上述試驗(yàn)表明，火山灰穩(wěn)定類材料具有良好的力學(xué)性能及抗收縮性能，考慮各等級(jí)公路基層、底基層使用性能需求，可用于高速公路、一級(jí)公路的底基層以及二級(jí)和二級(jí)以下公路的基層、底基層，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出火山灰穩(wěn)定材料基層、底基層技術(shù)指標(biāo)要求（見表2）。

表2 火山灰穩(wěn)定材料基層、底基層技術(shù)指標(biāo)

1.3 火山灰填料型改性劑改善瀝青及瀝青混合料性能的研究

對(duì)火山灰材料物理性質(zhì)及化學(xué)組成的檢測(cè)結(jié)果顯示，火山灰粒度較細(xì)、比表面積較大（見表3），具有較為發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，具備了作為改性劑改善基質(zhì)瀝青性能的基本條件。鑒于此，以火山灰作為母體材料，通過摻加一定比例的外加劑，制備了火山灰填料型改性劑，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)火山灰填料型改性劑改善瀝青膠漿及瀝青混合料的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

表3 火山灰粒徑及比表面積

（1）火山灰填料型改性劑改善瀝青膠漿路用性能的研究

瀝青膠漿是瀝青混合料最重要的組成部分之一。瀝青膠漿的性能在相當(dāng)大程度上影響著瀝青混合料的路用性能。分別摻加礦粉和火山灰填料型改性劑的瀝青膠漿其高低溫特性的檢測(cè)數(shù)據(jù)見圖6。

由圖6可以看出，火山灰瀝青膠漿的車轍因子G*/sinδ明顯高于礦粉瀝青膠漿，說明火山灰膠漿的高溫特性比礦粉膠漿更好；而與單一改性相比，復(fù)合改性瀝青膠漿的高溫性能指標(biāo)以成倍的形式大幅度增長(zhǎng)，表明SBS顯著提高了膠漿的高溫穩(wěn)定性，且SBS對(duì)火山灰膠漿的提高幅度比礦粉膠漿大。

圖6 火山灰填料型改性劑和SBS復(fù)合改性與單一改性瀝青膠漿高低溫性能對(duì)比

火山灰膠漿的蠕變勁度比礦粉膠漿明顯增大。分析認(rèn)為火山灰粗糙的表面構(gòu)造和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)使其具有很大的比表面能，從而吸收瀝青中的輕質(zhì)油分，導(dǎo)致火山灰膠漿的稠度增加，勁度隨之增大；火山灰膠漿的蠕變速率與礦粉膠漿基本相當(dāng)，表明低溫下火山灰膠漿應(yīng)力松弛能力和礦粉膠漿相當(dāng)。

（2）火山灰填料型改性劑改善瀝青混合料抗車轍性能的研究

火山灰瀝青膠漿的路用性能最終通過瀝青混合料的使用性能來體現(xiàn)。為了研究火山灰改性混合料的性能，同時(shí)驗(yàn)證火山灰膠漿的改性效果，對(duì)火山灰瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，與礦粉混合料相比，火山灰復(fù)合改性混合料高溫抗車轍性能顯著提高。

（3）火山灰填料型改性劑改善瀝青混合料低溫性能的研究

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)火山灰填料型改性劑對(duì)瀝青混合料低溫性能的改善效果，采用低溫凍斷試驗(yàn)方法對(duì)火山灰填料型改性劑改性瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

由圖7中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，摻加火山灰填料型改性劑的瀝青混合料，其凍斷溫度低于礦粉瀝青混合料，由此可知，火山灰填料型改性劑有助于改善瀝青混合料的低溫性能。

結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推薦中、重凍區(qū)公路在特重及重等級(jí)交通條件下上面層采用火山灰與5%SBS復(fù)合改性SMA瀝青混合料，中面層采用火山灰與5%SBS復(fù)合改性AC型瀝青混合料，混合料的路用性能指標(biāo)宜滿足表4中的性能指標(biāo)要求。

圖7 火山灰填料型改性劑復(fù)合改性瀝青混合料凍斷性能試驗(yàn)圖

表4 火山灰填料型改性劑改性瀝青混合料路用性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 硅藻土改性瀝青混合料

硅藻土是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，是由一種單細(xì)胞的水生藻類遺骸和軟泥固結(jié)而成的沉積巖。硅藻土無味無毒，具有體輕、質(zhì)軟、多孔、耐酸、比表面積大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性和吸收力強(qiáng)等特性，作為填料型改性劑能夠較好地改善瀝青混合料的路用性能。

2.1 硅藻土特性的研究

硅藻土作為瀝青混合料填料型改性劑，具有以下特性：

（1）硅藻精土粒徑在1～40μm 之間，有利于硅藻土與瀝青均勻混合，且具有較好的分散作用；

（2）硅藻土含有30%～40%孤立的、自由分散的亞微非聚結(jié)顆粒，一旦混入瀝青中，這種非聚結(jié)顆粒便互相排斥，不凝結(jié)，使得硅藻顆粒能夠較好地分散于瀝青中；

（3）硅藻土比表面積較大，每克硅藻精土大約有28m2以上的表面積，有利于增大與瀝青間的作用面積，從而增加了結(jié)構(gòu)瀝青的比率，提高瀝青膠漿抵抗高溫流動(dòng)變形和水分子侵入的能力；

（4）硅藻殼壁最低莫氏硬度為4.5～5.5，加入瀝青后莫氏硬度可達(dá)到5.6～6.0[2-3]，這一特性使得硅藻土在瀝青混合料中起到支撐骨架作用，進(jìn)而改善了瀝青混合料的力學(xué)性能；

（5）硅藻土細(xì)孔內(nèi)表面有OH基團(tuán)分布，這使得硅藻土具有較強(qiáng)的表面活性和吸附能力，能夠?qū)r青吸附在硅藻微粒殼的表面，形成機(jī)械鎖力，使混合料的黏度增大、吸附性增強(qiáng)，再黏結(jié)集料，構(gòu)成高強(qiáng)度的瀝青路面，這是改善路面性能最關(guān)鍵的因素。

2.2 硅藻土改性瀝青混合料路用性能的研究

（1）直接摻入硅藻土的瀝青混合料路用性能

選用分別加入5%、6%、7%硅藻土改性劑的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，加以對(duì)比分析。試驗(yàn)使用集料與級(jí)配不變，測(cè)得摻入不同比例硅藻土的瀝青混合料路用性能見表5。

由表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，摻入硅藻土后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均比基質(zhì)的大，且隨著硅藻土用量的增加而增大，混合料低溫性能也有所改善。但當(dāng)硅藻土摻量為7%時(shí)，其低溫性能則有所下降。混合料水穩(wěn)定性在硅藻土摻量為6%時(shí)最佳。

表5 硅藻土改性瀝青混合料路用性能指標(biāo)

（2）硅藻土等量替代礦粉后的瀝青混合料路用性能

在直接摻入硅藻土的瀝青混合料路用性能的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用硅藻土等量替代礦粉的形式再次進(jìn)行了瀝青混合料路用性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 硅藻土改性瀝青混合料路用性能指標(biāo)

由表6中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用硅藻土等量替代礦粉后，對(duì)瀝青混合料高溫性能的改善效果優(yōu)于直接摻入硅藻土的瀝青混合料，低溫性能也有所提高，因此推薦采用硅藻土等量替代礦粉的形式改善瀝青混合料性能。

3 煤矸石材料

煤矸石是在成煤過程中與煤共同沉積的有機(jī)化合物和無機(jī)化合物混合在一起的巖石，是在煤礦建設(shè)和煤炭采掘、洗選加工過程中產(chǎn)生的數(shù)量較大的礦山固態(tài)排棄物，同時(shí)又是一種重要的再生資源。根據(jù)其工程特性，可以用于公路路基及路面基層建設(shè)。煤矸石路基及路面基層具有優(yōu)良的路用性能，能夠大量消耗煤矸石材料，減少對(duì)土地資源的占用，降低公路建設(shè)成本，具有資源利用、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有利于推廣應(yīng)用。調(diào)查顯示，2010 年我國(guó)粉煤灰和煤矸石產(chǎn)生量約10.7億t，預(yù)計(jì)到2015 年產(chǎn)生量將繼續(xù)增加，有望達(dá)到13 億t。將煤矸石合理地應(yīng)用于公路建設(shè)中不僅可減少石料等資源的消耗，避免資源浪費(fèi)，且可減少?gòu)U棄物堆放對(duì)環(huán)境造成的污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.1 煤矸石作為路基填料路用性能的研究

表7是對(duì)吉林省灣溝煤將矸石作為路基填料時(shí)CBR 的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看出，煤矸石材料CBR 值較大，填筑路基的承載力完全能夠滿足各等級(jí)公路對(duì)材料強(qiáng)度的要求。煤矸石路基的CBR 值隨著粗顆料比例和填料粒徑的增大而增大。路基填料的強(qiáng)度主要取決于兩個(gè)方面：內(nèi)摩擦角和黏聚力。液塑限試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種煤矸石的塑性指數(shù)都比較小，屬于砂性或粉性材料，黏聚力小，路基的強(qiáng)度主要由顆粒間的內(nèi)摩擦力決定。同其他碎石料一樣，大粒徑的煤矸石通常具有較為顯著的面和棱角，因此在碾壓后能夠較好地相互嵌擠鎖結(jié)而具有較大的內(nèi)摩擦角，強(qiáng)度也隨之提高?？闯鰹硿厦喉肥膶?dǎo)熱系數(shù)小于黏土和砂的導(dǎo)熱系數(shù)，而道清煤矸石的導(dǎo)熱系數(shù)比黏土和砂的導(dǎo)熱系數(shù)稍大，表明已燃煤矸石的隔溫性能要優(yōu)于普通的砂土材料，而未燃煤矸石的隔溫性能則比砂土要差一些。這說明在寒冷季凍區(qū)，已燃煤矸石可以用作路基隔溫層材料，進(jìn)而減小路基的最大凍深，改善道路的凍脹翻漿等病害情況。

表7 吉林省灣溝煤矸石CBR試驗(yàn)結(jié)果

表8 煤矸石導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 煤矸石應(yīng)用于路面基層的試驗(yàn)研究

表9為采用煤矸石的半剛性基層混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表中數(shù)據(jù)可以看出，無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定煤矸石混合料的強(qiáng)度滿足各等級(jí)公路基層強(qiáng)度要求，而采用不同產(chǎn)地煤矸石，其混合料強(qiáng)度也有所不同，因此應(yīng)用時(shí)宜首先進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。

表9 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定煤矸石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 硼灰

硼灰是工業(yè)上利用硼鎂礦生產(chǎn)硼砂后排出的廢渣，每生產(chǎn)1t 硼砂約排出3～4t 硼灰，調(diào)查顯示吉林省硼灰年產(chǎn)量為10.22萬t。硼灰呈堿性，其堿液可溶到水中，使周圍農(nóng)田堿化，作物減產(chǎn)，嚴(yán)重者可使農(nóng)作物絕產(chǎn)，并且對(duì)周圍的飲用水產(chǎn)生污染。將硼灰用于道路建設(shè)中，可以變廢為寶、保護(hù)環(huán)境、節(jié)省能源和筑路材料，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，對(duì)硼灰路用性能進(jìn)行研究意義重大。

圖8為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定硼灰材料不同齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果顯示兩種比例硼灰混合料的7d抗壓強(qiáng)度值滿足規(guī)范要求。

圖8 硼灰混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表10所示為對(duì)養(yǎng)生28d的硼灰試件進(jìn)行5次凍融循環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，兩種配比混合料經(jīng)5次凍融循環(huán)后的殘留強(qiáng)度比滿足規(guī)范要求。

表10 養(yǎng)生28d的硼灰試件經(jīng)5次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度

5 地產(chǎn)材料在吉林省公路工程中的應(yīng)用

根據(jù)地產(chǎn)材料特性，將其合理地應(yīng)用于公路工程中不但可以確保公路使用性能，延長(zhǎng)公路使用壽命，還能充分利用資源，節(jié)約工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。國(guó)內(nèi)多個(gè)省份開展了相關(guān)研究，并將地產(chǎn)材料應(yīng)用于公路工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中。調(diào)查顯示，火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰和生態(tài)砌塊等地產(chǎn)材料僅在吉林省公路工程中便已應(yīng)用近200km，其中火山灰材料在北崗至泉陽公路、砬子河至安撫界三級(jí)公路、長(zhǎng)白山南坡旅游二級(jí)公路的路基、路面基層以及長(zhǎng)余高速公路瀝青面層中得以應(yīng)用，應(yīng)用里程近110km。硅藻土應(yīng)用里程近125km，其中在高速公路上推廣硅藻土瀝青混合料路面7.69km，在一級(jí)公路推廣了8.1km，在二級(jí)公路上推廣了109.6km。煤矸石在吉林省九臺(tái)、白山地區(qū)以及雙陽地區(qū)公路路基、路面基層建設(shè)中得以應(yīng)用，硼灰在通化至新開嶺高速公路大川互通式立體交叉的被交路修筑了試驗(yàn)路。

在2013 年開展的“長(zhǎng)白山區(qū)鶴大高速公路資源節(jié)約循環(huán)利用科技示范工程”中，將火山灰、硅藻土、煤矸石等地產(chǎn)材料在鶴大高速公路建設(shè)中進(jìn)行規(guī)?；茝V應(yīng)用。

6 結(jié)語

吉林省依托豐富的地產(chǎn)材料資源，近十年來在交通運(yùn)輸部、省交通運(yùn)輸廳的大力支持下，先后對(duì)火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰等地產(chǎn)材料開展了系統(tǒng)的研究，取得了大量成熟的研究成果。截止目前，上述地產(chǎn)材料在吉林省公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)工程中推廣應(yīng)用近300km，地產(chǎn)材料的合理應(yīng)用確保了公路建設(shè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約和循環(huán)利用。

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