黃禎敏，郭威，王斯倩，殷勤

（1.江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330103；2.湖南湘江新區(qū)未來(lái)智能科技發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

筑路消耗大量碎石材料，且不同公路等級(jí)、不同路面結(jié)構(gòu)層位對(duì)碎石材料的技術(shù)要求不同，就地取材在一定程度上受到了限制，增加了筑路運(yùn)輸成本，同時(shí)大噸位碎石材料長(zhǎng)運(yùn)距運(yùn)輸增加了尾氣污染物排放。半剛性基層瀝青路面是我國(guó)等級(jí)公路最主要的路面結(jié)構(gòu)形式，而水泥穩(wěn)定碎石是應(yīng)用最廣泛的半剛性基層材料。譚雨和[1]研究了水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r洞渣的力學(xué)性能和路用性能，於德美等[2]研究了砂水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制級(jí)配碎石性能，論證了凝灰?guī)r集料在半剛性基層中的適用性。凝灰?guī)r集料亦可用于瀝青層次，有關(guān)研究表明[3-6]，凝灰?guī)r瀝青混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性能較常用巖性集料瀝青混合料有所改善，且凝灰?guī)r瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于石灰?guī)r瀝青膠漿。目前，凝灰?guī)r碎石在高等級(jí)公路基層中的應(yīng)用研究較少，不同地區(qū)凝灰?guī)r路用特性差異較大。本文以贛南某料場(chǎng)加工生產(chǎn)的流紋質(zhì)凝灰?guī)r集料為被穩(wěn)定對(duì)象，對(duì)比評(píng)價(jià)兩種巖性水穩(wěn)碎石混合料的擊實(shí)特性、強(qiáng)度、抗凍性和水穩(wěn)定性，論證凝灰?guī)r碎石在高等級(jí)公路基層中的適用性，供類(lèi)似工程項(xiàng)目應(yīng)用參考。

2 路用凝灰?guī)r特性

在流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r集料加工廠(chǎng)對(duì)新加工粗骨料5mm～10mm、10mm～20mm 和20mm～30mm 碎石進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 可知，凝灰?guī)r碎石的壓碎值、針片狀顆粒含量滿(mǎn)足各交通等級(jí)高速公路、一級(jí)公路基層路用要求；單檔10mm～20mm、20mm～30mm 碎石的0.075mm 以下粉塵含量、軟弱顆粒含量滿(mǎn)足各交通等級(jí)高速公路、一級(jí)公路基層路用要求，但單檔5mm～10mm 碎石0.075mm以下粉塵含量、軟弱顆粒含量只能滿(mǎn)足重、中、輕交通高速公路、一級(jí)公路基層路用要求。因此，加工后的凝灰?guī)r集料可滿(mǎn)足重、中、輕交通等級(jí)公路基層路用要求，但并不適用于極重、特重交通。

表1 流紋質(zhì)凝灰?guī)r加工集料技術(shù)性能

3 凝灰?guī)r水穩(wěn)碎石擊實(shí)特性

3.1 原材料試驗(yàn)

3.1.1 水泥

凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石用水泥采用瑞金萬(wàn)年青水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石用P·O42.5水泥質(zhì)量

3.1.2 集料物理性能

被穩(wěn)定材料的物理性能見(jiàn)表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石用集料物理性能

可以看出，路用凝灰?guī)r集料密度較石灰?guī)r集料密度小，吸水率大于石灰?guī)r集料。

3.2 混合料組成設(shè)計(jì)

根據(jù)被穩(wěn)定材料0～3mm、3mm～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm和20mm～30mm集料級(jí)配，以《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20-2015）中C-B-3級(jí)配范圍中值作為期望級(jí)配，利用規(guī)劃求解方法[9]確定各檔集料摻配比例，合成級(jí)配如圖1所示。

圖1 不同巖性水泥穩(wěn)定碎石合成級(jí)配曲線(xiàn)

通過(guò)規(guī)劃求解及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，確定凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石用0～3mm、3mm～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm 和20mm～30mm 集料的摻配比例為22：4：20：29：25。對(duì)于高速公路，推薦采用C-B-1 和C-B-2 級(jí)配范圍進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)[7]，此時(shí)0.075mm 通過(guò)率為2%～5%，主要考慮0～3mm 石屑中0.075mm 通過(guò)率一般較大，嚴(yán)格控制合成礦料級(jí)配中0.075mm 通過(guò)率將限制0～3mm石屑使用范圍，不利于項(xiàng)目成本控制；混合料合成礦料中0.075mm 通過(guò)率不宜超過(guò)5%，主要考慮水泥穩(wěn)定類(lèi)材料的抗裂性能，設(shè)計(jì)的凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石中0.075mm 篩孔通過(guò)率為3.0%。采用同樣的方法確定石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石礦料級(jí)配，作為凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石路用性能研究比較對(duì)象。

3.3 混合料擊實(shí)特性

合成礦料中粒徑大于19mm的顆粒含量超過(guò)10%，應(yīng)采用丙法進(jìn)行混合料擊實(shí)試驗(yàn)[10]。根據(jù)凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)用層位及工程經(jīng)驗(yàn)，初選水泥劑量為3.5%、4.0%和4.5%，預(yù)定擊實(shí)凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石混合料拌制用含水率依次為5%、6%、7%、8%、9%、10%；石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石混合料拌制用含水率依次為3%、4%、5%、6%、7%。按T 0804-1994 試驗(yàn)方法進(jìn)行不同水泥劑量在不同預(yù)定含水率下的擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 不同劑量水泥穩(wěn)定不同巖性碎石擊實(shí)曲線(xiàn)

由圖2可知，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)曲線(xiàn)變化趨勢(shì)類(lèi)似，總體呈先隨含水率增加最大干密度快速增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后繼續(xù)增加含水率最大干密度降低，但在最佳含水率之后最大干密度的降幅要小于最佳含水率之前最大干密度的增幅；受不同巖性碎石密度、吸水率差異影響，表現(xiàn)出不同水泥劑量下水泥穩(wěn)定不同巖性碎石混合料的最大干密度和最佳含水率存在顯著差異，其中水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r碎石的最佳含水率和最大干密度分別為水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的1.5 倍和0.9 倍。這是由于凝灰?guī)r碎石的密度小，在被穩(wěn)定材料吸水率、用水量相同的情況下，成型標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件含水率要大，凝灰?guī)r碎石吸水率大，混合料拌制過(guò)程中部分水被自身吸水性大的材料吸入。

4 凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度

4.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

按T 0843-2009規(guī)定的方法制作Ф150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，水泥劑量分別采用3.5%、4%、4.5%，在溫度20℃±2℃、濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室分別養(yǎng)生3d、7d、14d、28d、60d，在養(yǎng)生期的最后一天，將試件浸泡于20℃±2℃水中24h，測(cè)試不同水泥劑量、不同養(yǎng)護(hù)齡期水泥穩(wěn)定不同巖性碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期的增長(zhǎng)規(guī)律

由圖3 可知，在不同水泥劑量下，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石、石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)生齡期增長(zhǎng)均呈先快速增長(zhǎng)后增長(zhǎng)緩慢的規(guī)律，其中養(yǎng)生齡期小于7d 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)最快，7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到28d 強(qiáng)度的70%以上；相同養(yǎng)生齡期，增加水泥劑量，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，且隨養(yǎng)生齡期增長(zhǎng)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)水泥劑量變化的增幅變大；相同水泥劑量和養(yǎng)生齡期，石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r碎石強(qiáng)度，代表強(qiáng)度差值在0.5MPa 以上；以重交通高速公路基層為例，要求7d 齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4.0MPa～6.0MPa，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石要求水泥劑量不小于4%，而3.5%水泥劑量石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值大于標(biāo)準(zhǔn)值下限值4.0MPa。分析原因，凝灰?guī)r碎石壓碎值與石灰?guī)r碎石壓碎值相當(dāng)，甚至高于石灰?guī)r碎石，達(dá)到相同無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石反而需要增加水泥劑量，說(shuō)明水泥水化產(chǎn)物與熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)的凝灰?guī)r碎石界面粘結(jié)強(qiáng)度相比石灰?guī)r碎石較弱，增加0.5%水泥劑量的凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石相當(dāng)。

4.2 劈裂強(qiáng)度

按T 0843-2009規(guī)定的方法制作Ф150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，水泥劑量分別采用3.5%、4%、4.5%，在溫度20℃±2℃、濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生28d，在養(yǎng)生期的最后一天，將試件浸泡于20℃±2℃水中24h，測(cè)試不同水泥劑量28d 養(yǎng)護(hù)齡期水泥穩(wěn)定不同巖性碎石劈裂強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石28d劈裂強(qiáng)度

由圖4 可知，增加水泥劑量，水泥穩(wěn)定碎石28d 劈裂強(qiáng)度提高；同一水泥劑量，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石28d劈裂強(qiáng)度比石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石小，增加水泥劑量，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的28d 劈裂強(qiáng)度差值縮??；凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石增加0.5%水泥劑量，其28d劈裂強(qiáng)度大于相差0.5%水泥劑量的石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度。水泥劑量在4%及以上時(shí)，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值在4.0MPa以上，此時(shí)28d劈裂強(qiáng)度為水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的90%以上。

5 凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石路用性能

5.1 抗凍性

凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石、石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d后，不同巖性水泥穩(wěn)定碎石材料各分兩組，將第一組試件飽水24h，然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。先放入-18℃的冰柜中持續(xù)冰凍16h，然后取出飽水8h，作為一個(gè)凍融循環(huán)，反復(fù)進(jìn)行5次；第二組試件作為對(duì)比組，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d 后，然后連續(xù)泡水6d。第一組試件經(jīng)受5 次凍融循環(huán)作用后，同時(shí)取出兩組試件，依次進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將經(jīng)受凍融循環(huán)作用試件的抗壓強(qiáng)度與未經(jīng)受凍融循環(huán)作用試件抗壓強(qiáng)度的比值為抗凍系數(shù)，抗凍系數(shù)越大則混合料抗凍性能越好。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石28d抗凍系數(shù)

由圖5可知，水泥劑量為3.5%、4%、4.5%時(shí)，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石抗凍系數(shù)均小于石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石，且隨水泥劑量增加，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的抗凍系數(shù)差值縮小。主要是因?yàn)槟規(guī)r碎石飽水后吸水率大，受凍后在試件內(nèi)部產(chǎn)生更大的膨脹力，反復(fù)凍融后，試件內(nèi)部受力損傷相對(duì)更大，表現(xiàn)出更低的抗凍系數(shù)，但隨著水泥劑量增加，裹覆凝灰?guī)r碎石的水化產(chǎn)物增加，一方面增強(qiáng)界面粘結(jié)力，另一方面可以減少水分吸收，表現(xiàn)出凍融循環(huán)后試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降幅減小，即抗凍系數(shù)增大。

5.2 水穩(wěn)定性

為研究公路基層材料強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的衰減規(guī)律，將水泥劑量為4%的凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石、石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石圓柱體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28d 后，分別浸泡1d、7d、14d、21d、28d，然后測(cè)試各試件在不同浸泡時(shí)間下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對(duì)比組為各級(jí)配相同齡期不泡水條件下測(cè)試的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并以試驗(yàn)組試件的抗壓強(qiáng)度與對(duì)比組試件抗壓強(qiáng)度的比值為水穩(wěn)定性系數(shù)，水穩(wěn)定性系數(shù)越大，反映材料強(qiáng)度受水浸泡影響越小。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同浸泡時(shí)間水泥穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)定性系數(shù)

由圖6可知，浸泡28天內(nèi)，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)定性系數(shù)在93%以上，石灰?guī)r大于95%，差值在2.5%以?xún)?nèi)；延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，水穩(wěn)定性系數(shù)降低，其中凝灰?guī)r材料呈先較大幅度衰減，后趨向穩(wěn)定的變化規(guī)律；浸泡7d 內(nèi)，凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的水穩(wěn)定性系數(shù)表現(xiàn)出對(duì)延長(zhǎng)浸泡時(shí)間敏感，衰減幅度明顯大于石灰?guī)r材料。主要是因?yàn)槟規(guī)r碎石吸水率較大，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試件內(nèi)部短期吸水量較大，表現(xiàn)出水穩(wěn)系數(shù)衰減速度快。

6 結(jié)語(yǔ)

①5mm～10mm、10mm～20mm 和20mm～30mm 單檔粗集料的壓碎值、針片狀顆粒含量及由該三檔粗集料摻配而成的混合礦料0.075mm以下粉塵含量、軟弱顆粒含量可以滿(mǎn)足各交通等級(jí)高速公路、一級(jí)公路基層路用要求。

②凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石或石灰?guī)r碎石擊實(shí)曲線(xiàn)的變化規(guī)律相似，均呈先隨含水率增加最大干密度快速增長(zhǎng)，達(dá)到峰值后繼續(xù)增加含水率最大干密度降低，且在最佳含水率之后最大干密度的降幅要小于最佳含水率之前最大干密度的增幅。

③凝灰?guī)r碎石適用于重及以下交通高速公路、一級(jí)公路基層，同一應(yīng)用層位，與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石相比，一般凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石需增加0.5%水泥劑量，此時(shí)設(shè)計(jì)的凝灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度、抗凍系數(shù)和水穩(wěn)定性系數(shù)與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石差異較小。