胡江洋，毛 君，張 浩，折學(xué)森

1)長安大學(xué)公路學(xué)院，西安710000;2)中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安710000;3)中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安710000

地球上火山分布十分廣泛，火山灰是火山噴發(fā)的產(chǎn)物，有火山分布的地方就有大量火山灰存在.從地質(zhì)年代上來講，第四系期間爆發(fā)的火山就有860多座［1］，火山噴發(fā)后周圍覆蓋著數(shù)以億計立方米的火山灰，如將其利用到地產(chǎn)材料不豐富地區(qū)作為筑路材料，對于減少普通路基填料的開采、節(jié)約資源、保護(hù)自然環(huán)境和降低工程造價等將具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

火山渣是火山灰的一種，火山灰按粒徑大小可以分為細(xì)灰、火山砂和火山渣，粒徑不大于0.6 mm的稱為細(xì)灰，粒徑在0.60～4.75 mm為火山砂，不小于4.75 mm為火山渣［1-6］.火山渣是一種火山噴發(fā)中經(jīng)過高溫燃燒噴出后冷卻形成的礦渣狀多孔輕質(zhì)材料，外觀特征類似于煤矸石，物質(zhì)組成包含孔隙、火山玻璃和礦物等成分［7-15］.孔隙是巖漿在高溫下形成的泡沫破裂和氣體逃逸形成，火山渣一般為黑色、深灰色、紅色和棕色等，自然狀態(tài)以粗粒狀堆積在火山口周圍，靠顆粒間嵌擠作用而形成不規(guī)則排列，整體性較差，比較容易開采［16-20］.本研究將中國援建埃塞俄比亞Hwassa地區(qū)的一條高等級公路作為工程實例，探討火山渣材料的路用性能.

1 道路路基填料基本要求

在路基穩(wěn)定設(shè)計體系中［10-11］，通過加州承載比(California bearing ratio，CBR)來控制路基填料的質(zhì)量，通過路基表面的回彈模量來控制路基的整體強(qiáng)度，在施工過程中通過壓實度指標(biāo)來控制施工質(zhì)量，路基回彈模量的設(shè)計值必須通過對填料的合理選擇和壓實度的有效控制來實現(xiàn).由于路基的重要作用，除了要求路基設(shè)計有正確合理的斷面尺寸外，還應(yīng)具備足夠的整體穩(wěn)定性、足夠的強(qiáng)度和足夠的水穩(wěn)定性.路基填料應(yīng)該均勻、密實，其最小承載比應(yīng)符合表1的規(guī)定.

表1 路基填料最小強(qiáng)度要求［10］Table1 Minimum strength requirements of subgrade filling［10］ %

2 火山渣的物理化學(xué)性質(zhì)

2.1 火山渣的物理性質(zhì)

火山渣作為一種火山噴發(fā)的產(chǎn)物，由于噴發(fā)時的高溫燃燒作用，內(nèi)部可燃物質(zhì)充分燃燒，剩下的火山噴發(fā)殘余物質(zhì)具有較高孔隙率、較小干密度、較高壓碎值、水滲透能力強(qiáng)和抗壓碎能力差等特點，是一種典型的輕質(zhì)材料［2-3］.Hwassa地區(qū)火山渣實測物理性質(zhì)指標(biāo)如表2.

表2 火山渣物理指標(biāo)試驗結(jié)果1)Table2 Physical indexes of volcanic slag

2.2 火山渣顆粒級配組成

天然火山渣主要以粗顆粒分布，粒徑變化較大，以大顆粒為主，細(xì)顆粒含量很少，級配較差.Hwassa地區(qū)的火山渣中，粒徑13.2～60.0 mm的顆粒占70%以上，不大于0.075 mm的顆粒僅占2%左右;其有效粒徑d10=1.5 mm，粒徑d30=16.8 mm，限制粒徑 d60=42.5 mm;不均勻系數(shù) Cu=28.3;曲率系數(shù)Cc=4.43，級配不均勻，缺失部分粒徑組成.

2.3 火山渣吸水性及抗凍性

高溫形成的火山渣吸水率低，材料本身孔隙較發(fā)育，具有較好的透水性，火山渣自身保水性較低.基于以上性質(zhì)，火山渣路基具有較好的抗凍性，有效減少路基的凍結(jié)深度，減小路基凍脹值和路面基層的應(yīng)變值，有效減薄路面墊層，可以有效提高路面的平整度［3］.

2.4 火山渣化學(xué)組成

組成火山渣的物質(zhì)主要有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～60%的SiO2、15% ～30%的Al2O3+Fe2O3及15%的CaO+MgO+R2O(R2O為雜質(zhì)).

3 不同粗顆粒含量火山渣擊實試驗分析

為比較分析不同試驗方法對擊實標(biāo)準(zhǔn)的影響［10，13］，采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實法和表面振動擊實法進(jìn)行對比試驗.重型標(biāo)準(zhǔn)擊實法是用錘擊，使試驗材料的密度增大，目的是在實驗室內(nèi)利用擊實儀，測定試驗材料在擊實功作用下達(dá)到最大密度時的含水率(最優(yōu)含水率)和干密度(最大干密度).表面振動擊實法是通過試驗儀器對材料施加振動沖擊力，使材料處于振動狀態(tài)，材料顆粒之間由靜摩擦轉(zhuǎn)為動摩擦狀態(tài)，顆粒之間相對位置發(fā)生變化，相互填充，一定程度上形成了骨架密實型嵌擠結(jié)構(gòu)，材料易被壓實.

試驗所用儀器是在中國廣泛使用的大型擊實儀，其結(jié)構(gòu)完全符合《公路土工試驗規(guī)程》(JTJ051—93)［12］中擊實、承載比實驗和回彈模量試驗對擊實試樣制作的要求.

為便于分析，本研究以粒徑不大于4.75 mm的顆粒為細(xì)粒料，4.75～31.50 mm的顆粒為粗粒料，大于31.50 mm的顆粒為超粒料［4］.開采方式和成分組成對火山渣的粒徑影響很大，試驗結(jié)果如表3.

表3 天然火山渣振動擊實結(jié)果Table3 The results of vibration compaction for natural cinder

圖1為粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大干密度的關(guān)系.由圖1可知，2種試驗方法的結(jié)果基本一致，火山渣擊實后的最大干密度隨著粗粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高逐漸降低;當(dāng)粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～60%時，最大干密度值減小的速率隨粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而明顯增大;粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過60%時，最大干密度值減小的趨勢逐漸變緩［4］;可以說粗粒料對最大干密度值存在較大影響，總的趨勢是最大干密度隨著粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減小.不同粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的火山渣最大干密度及剩余孔隙率不是定值.試驗中最大干密度分別為1.398和1.356 g/cm3;其對應(yīng)的孔隙率分別為22.8%和27.8%，隨著粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，火山渣壓實后具有最大干密度偏小、孔隙率增大的特點.火山渣顆粒內(nèi)部孔隙比較大，雖然擊實以后部分孔隙被細(xì)顆粒火山灰填充，部分較大粒徑的火山渣被擠碎，但擊實后的火山渣內(nèi)部仍有很大的孔隙.從上述試驗結(jié)果來看，粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，火山渣的級配越差，最大干密度偏小，剩余孔隙率偏大，與顆粒相互填充時級配不良不易被壓實的理論一致［21-22］.

圖1 粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與最大干密度關(guān)系Fig.1 Relationship between coarse particle content and maximum dry density

由于火山渣材料分選性差、粒徑大小不一，導(dǎo)致?lián)魧嵲囼灪?，材料?nèi)部孔隙大、級配較差，影響最大干密度值.根據(jù)顆粒相互填充、擠密的特征，若火山渣級配不良，細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，即火山渣粒徑組成以大粒徑為主時，無法達(dá)到孔隙率最小的壓實效果.為提高火山渣填筑路基的整體性和壓實度［2］，可在火山渣中摻配一定比例的細(xì)粒土來增強(qiáng)火山渣材料的內(nèi)摩擦角和黏聚力，保證路基的壓實度、孔隙率和穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范要求［23-24］.

4 擊實火山渣混合料的加州承載比試驗

將火山渣料按照黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、30%、40%、50%、60%和70%摻配黏土制拌，進(jìn)行加州承載比試驗，試驗時按照路基施工的最佳含水率和壓實度要求，在試筒內(nèi)以擊實方式制備試件，試驗結(jié)果如表4.

表4 火山渣黏土摻配細(xì)料標(biāo)準(zhǔn)壓實及CBR試驗結(jié)果Table4 Test results of standard compaction and CBR for cinder blending fine materials

表4是火山渣、黏土按照不同比例組合后的最大干密度、最佳含水率及CBR值結(jié)果，各配合比混合料均大于現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》 (JTG D30—2015)［11］中對路床土最小強(qiáng)度CBR的要求.結(jié)合試驗結(jié)果，就最大干密度而言，混合料最大干密度有隨著黏土摻加比例的增大而增大的趨勢，但當(dāng)黏土摻配質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時，最大干密度達(dá)到最大值1.853;混合料最佳含水率也隨著黏土比例增加而增大(圖2、圖3和圖4).

由以上試驗結(jié)果可見:① 在火山渣粗顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、30%、40%、50%、60%和70%時，其最小CBR是12.5，CBR值滿足現(xiàn)行規(guī)范對路基填筑材料的要求，材料板結(jié)良好;② 當(dāng)擊實次數(shù)不大于98時，隨著擊實功的增加，CBR值明顯增大，這是因為火山渣混合料內(nèi)部形成一定程度的骨架結(jié)構(gòu)，整體作用下強(qiáng)度明顯增加，具體表現(xiàn)在當(dāng)擊實次數(shù)30～90時，火山渣混合料不易被擊碎，CBR值明顯增大［4］，但當(dāng)火山渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%時，盡管混合料的CBR值繼續(xù)增大，但混合料易被擊碎，混合料的整體性與結(jié)構(gòu)性均有下降趨勢.

圖2 黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時火山渣混合料的最大干密度變化Fig.2 The maximum dry densities under different cinder mixture blending proportions

圖3 黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時火山渣混合料的最佳含水率變化Fig.3 The optimum moisture contents of cinder mixture at different blending proportions

圖4 不同擊實功作用下黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CBR值對應(yīng)關(guān)系Fig.4 Blending ratios and CBRs under different compaction work

為了模擬火山渣混合料在使用過程中的最不利狀態(tài)，測試火山渣路基的水穩(wěn)定性，將火山渣填料按照m(火山渣)∶m(黏土)=40∶60摻量比例進(jìn)行制樣，試驗加載前分別對試樣泡水4、5和6 d，進(jìn)行CBR試驗(圖5).試驗結(jié)果表明，泡水試樣CBR值隨擊實功的增加而增大，兩者呈近似線性正相關(guān)關(guān)系，表明只要擊實功滿足要求，火山渣+黏土作為路基填料具有較好的水穩(wěn)定性.

圖5 不同浸飽水條件下?lián)魧嵈螖?shù)與CBR關(guān)系Fig.5 Relationship of number of compaction and CBR under different filling water conditions

5 擊實火山渣混合料的回填模量試驗

路基的荷載-變形特性對路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度有很大影響.路面結(jié)構(gòu)的破壞，除路面自身的原因外，路基變形過大是引起路面病害的主要原因.基于此，采用抗變形能力強(qiáng)的材料作為路基填料是提高路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性的重要措施.

采用規(guī)范推薦的動三軸試驗儀制備不同擊實次數(shù)的試件［25］，對火山渣混合料按照m(火山渣)∶m(黏土)=40 ∶60 摻合比例進(jìn)行回彈模量測定［4，26］.試件采用振動壓實成型，含水率符合最佳含水率值±0.5%;壓實度應(yīng)符合目標(biāo)壓實度值±1.0%.

擊實次數(shù)與最大干密度和回彈模量［27］的關(guān)系分別見圖6和圖7.從圖6和圖7可見:①隨著擊實次數(shù)的增加，火山渣的最大干密度不斷增大，回彈模量也不斷增大;②擊實次數(shù)小于98時，隨著擊實功的增加，回彈模量增長迅速，當(dāng)擊實次數(shù)大于98時，回彈模量增長較為緩慢，趨于穩(wěn)定，接近最大值;③ 火山渣回彈模量區(qū)間45.3～92.3 MPa，與碎石土(碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞60%)回彈模量49.5～101.3 MPa基本一致，表明采用火山渣+黏土作為填料的路基具有較高強(qiáng)度和抗變形能力.

圖6 擊實次數(shù)與最大干密度關(guān)系Fig.6 The relationship between compaction times and maximum

圖7 擊實次數(shù)與回彈模量關(guān)系Fig.7 The relationship between compaction times and modulus of resilience

6 結(jié)論

綜上研究可知:

1)火山渣材料具有孔隙率較大、干密度較小、水滲透能力強(qiáng)和水穩(wěn)定性強(qiáng)等特點，從材料物理性質(zhì)來講是一種較優(yōu)的路基填料;

2)由于火山渣分選性差、粒徑大小不一等特點，火山渣直接作為路基填料不易壓實，孔隙率較高，作為路堤填料使用，路基整體強(qiáng)度不高，水穩(wěn)性差，如作為路基填料，需摻配一定比例細(xì)粒土;

3)不同摻配比例的火山渣+黏土混合料CBR強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，混合料的加州承載比與擊實功呈近似線性正相關(guān)關(guān)系，飽水狀態(tài)下，火山渣混合料具有較高的水穩(wěn)定性;

4)隨著擊實次數(shù)的增加，火山渣的最大干密度不斷增大，回彈模量也不斷增大，火山渣混合料與碎石土混合料的回填模量區(qū)間基本一致，施工要求可以參考規(guī)范對碎石類土技術(shù)要求.

/References:

［1］Chen Zhiguo，Wang Zheren，Zhao Changhong.The ash pavement base road use performance study and mechanism analysis［J］.Highway Traffic Science and Technology，2008，25(8):15-20.(in Chinese)陳志國，王哲人，趙長虹.火山灰路面基層路用性能研究及機(jī)理分析 ［J］.公路交通科技，2008，25(8):15-20.

［2］Yang Fuzhen，Huang Qingyou，Zhang Jiandong.The application of the cinder in subgrade engineering ［J］.Inner Mongolia Highway and Transportation，2006，4(4):24-28.(in Chinese)楊福珍，黃清友，張建棟.火山渣在路基工程中的應(yīng)用 ［J］.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2006，4(4):24-28.

［3］Zhao Changhong.Volcanic ash material application in road engineering research［D］.Changchun:Jilin University，2008.(in Chinese)趙長虹.火山灰材料在道路工程中的應(yīng)用研究 ［D］.長春:吉林大學(xué)，2008.

［4］Ye Wanjun，Yang Gengshe，Tan Yanle.Experimental study on the coal gangue is the compaction characteristics［J］.The Chinese and Foreign Road，2009，29(4):182-184.(in Chinese)葉萬軍，楊更社，譚彥樂.煤矸石料擊實特性試驗研究 ［J］.中外公路，2009，29(4):182-184.

［5］Jiang Mingjing，Zheng Min，Wang Chuang，et al.Different grain size distribution of experimental study on the mechanical properties of some ash ［J］.Rock and Soil Mechanics，2009(S2):58-61.(in Chinese)蔣明鏡，鄭 敏，王 闖，等.不同顆粒級配的某火山灰的力學(xué)性質(zhì)試驗研究 ［J］.巖土力學(xué)，2009(S2):58-61.

［6］Zhang Zhong，Li Chunhong.Natural volcanic ash admixtures application in hydropower projects［J］.Yunnan Hydropower，2009，25(1):67-71.(in Chinese)張 眾，李春洪.天然火山灰摻合料在水電工程中的應(yīng)用 ［J］.云南水利發(fā)電，2009，25(1):67-71.

［7］Liu Songyu，Tong Liyuan，Qiu Yu，et al.Gangue particle breaking and its impact on the engineering mechanical properties research［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(5):505-510.(in Chinese)劉松玉，童立元，邱 鈺，等.煤矸石顆粒破碎及其對工程力學(xué)特性影響研究 ［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27(5):505-510.

［8］Liu Chunrong，Song Hongwei，Dong Bin.Coal gangue used in subgrade filling study［J］.Journal of China University of Mining，2001，30(3):294-297.(in Chinese)劉春榮，宋宏偉，董 斌.煤矸石用于路基填筑的探討［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30(3):294-297.

［9］Li Lihan，Zhang Nanlu.Road building materials［M］.Shanghai:Tongji University Press，1999.(in Chinese)李立寒，張南鷺.道路建筑材料［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1999.

［10］Yu Wenhua，Wu Junfu，Ding Zeqiang.Experimental study on the application of coal gangue in highway engineering［J］.Journal of Anhui Construction Industry Institute，2005，13(1):48-51.(in Chinese)余文華，吳軍福，丁澤強(qiáng).煤矸石在公路工程中的應(yīng)用試驗研究［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，13(1):48-51.

［11］JTGD30—2015 Highway roadbed design specification［S］.Beijing:People's Traffic Press，2015.(in Chinese)JTGD30—2015公路路基設(shè)計規(guī)范 ［S］.北京:人民交通出版社，2015.

［12］JTJ051—93 The road test procedures［S］.Beijing:People's Traffic Press，1993.(in Chinese)JTJ051—93公路土工試驗規(guī)程 ［S］.北京:人民交通出版社，1993.

［13］JTJ054—94 Highway engineering stone test procedures［S］.Beijing:People's Traffic Press，1994.(in Chinese)JTJ054—94公路工程石料試驗規(guī)程 ［S］.北京:人民交通出版社，1994.

［14］Zhang Hongliang，Hou Jianghua.Coal gangue in the railway roadbed settlement calculation and analysis［J］.Railway Construction，2007，21(7):63-65.(in Chinese)張宏亮，侯江華.煤矸石在鐵路路基應(yīng)用中的沉降計算分析 ［J］.鐵道建筑，2007，21(7):63-65.

［15］Tu Qiang，Zhang Xiufeng，Liu Pengliang，et al.Different particle size grading gangue medium compression deformation experiment research ［J］.Coal Engineering，2009，16(11):68-70.(in Chinese)涂 強(qiáng)，張修峰，劉鵬亮，等.不同粒徑級配煤矸石散體壓縮變形試驗研究 ［J］.煤炭工程，2009，16(11):68-70.

［16］Zhang Qingfeng.Consolidation gangue foundation physical simulation experiments ［J］. Railway Construction，2010，12(2):52-54.(in Chinese)張清峰.強(qiáng)夯加固煤矸石地基物理模擬試驗研究［J］.鐵道建筑，2010，12(2):52-54.

［17］Liu Songyu，Qiu Yu，Tong Liyuan，et al.The strength of the coal gangue characteristics experimental study ［J］.Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1):199-205.(in Chinese)劉松玉，邱 鈺，童立元，等.煤矸石的強(qiáng)度特征試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(1):199-205.

［18］Jiang Zhenquan.Coal gangue consolidation pressure tightness and the study on the relationship between the grading defects［J］.Journal of China University of Mining，1999，28(3):212-216.(in Chinese)姜振泉.煤矸石固結(jié)壓密性與顆粒級配缺陷關(guān)系研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，28(3):212-216.

［19］Jiang Zhenquan.Coal gangue crushing compaction mechanism research ［J］.Journal ofChina University of Mining，2001，30(2):139-142.(in Chinese)姜振泉.煤矸石的破碎壓密作用機(jī)制研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，30(2):139-142.

［20］Geng Min，Wang Liquan，Bo Liming.Coal gangue in the application of the reinforced retaining wall［J］.Highway，1996，12(8):40-43.(in Chinese)耿 敏，王立權(quán)，薄立明.煤矸石在加筋擋土墻中的應(yīng)用 ［J］.公路，1996，12(8):40-43.

［21］Sha Qinglin.Road compaction and compaction standards［M］.Beijing:People's Traffic Press，1998.(in Chinese)沙慶林.公路壓實與壓實標(biāo)準(zhǔn) ［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［22］Miao Kefang.Gangue foundation engineering characteristics of experimental study［J］.Journal of Heilongjiang Institute of Science and Technology，2003，10(2):14-16.(in Chinese)苗可芳.煤矸石地基工程特性的試驗研究［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2003，10(2):14-16.

［23］Qiu Yu，Miao Linchang，Liu Songyu.The application research of coal gangue in road construction and examples［J］.Highway Traffic Science and Technology，2002，22(4):34-37.(in Chinese)邱 鈺，繆林昌，劉松玉.煤矸石在道路建設(shè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及實例 ［J］.公路交通科技，2002，22(4):34-37.

［24］De Mello V F B.Reflection on decision of practical significance to embankment dams［J］.Geotechnique，1977，27(3):281-355.

［25］Yang Yinhua.Soil compaction and quality control［M］.Beijing:Water Conservancy and Hydropower Press，1992.(in Chinese)楊蔭華.土石料壓實和質(zhì)量控制 ［M］.北京:水利水電出版社，1992.

［26］Sha Qinglin.Semi rigid base asphalt pavement in highgrade highway［M］.Beijing:China Communications Press，1998.沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面 ［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［27］Wang Hongchang，Huang Xiaoming，F(xiàn)u Zhi.Experimental study on the performance of semi-rigid base course materials［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2005，22(11):45-49.(in Chinese)王宏暢，黃曉明，傅 智.半剛性基層材料路用性能的試驗研究［J］.公路交通科技，2005，22(11):45-49.