張立兵 朱月雷 李景春 陳衛(wèi)衛(wèi) 朱 賀 琚 琳 任啟芳 李金鵬 丁 益,3,4

（1 安徽省路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司；2 安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院）

（3 安徽省先進(jìn)建筑材料工程實(shí)驗(yàn)室；4 安徽省先進(jìn)建筑材料國(guó)際聯(lián)合研究中心）

0 引言

骨料是混凝土中必不可少的材料，通常在混凝土中占70%～80%，對(duì)混凝土起到支撐作用和填充作用，是混凝土的骨架[1]。骨料粒徑對(duì)于混凝土性能有很大的影響，如抗壓強(qiáng)度、耐高溫性、流變性和抗斷裂性能等，其中抗壓強(qiáng)度隨骨料粒徑的變化主要是由于骨料粒徑對(duì)孔隙特性和膠凝體厚度的影響[2]；同時(shí)，不同的集料粒徑分布就會(huì)產(chǎn)生不同的級(jí)配，所以級(jí)配對(duì)于混凝土的性能影響也是極其重要[3]。骨料的種類可分為人工骨料、天然骨料和再生骨料。其中常用的天然骨料有石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖等，其物理特性見表1，力學(xué)性質(zhì)見表2。玄武巖（見圖1）是由于火山噴發(fā)而冷卻凝固成的一種泡沫狀的巖石，主要化學(xué)成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO 等，其中SiO2約占40%～50%，其多孔氣狀的結(jié)構(gòu)也稱多孔玄武巖，不僅堅(jiān)固耐用，而且隔熱和隔音效果也好，所以其被廣泛應(yīng)用于建材行業(yè)，充作混凝土的骨料；此外，玄武巖由于具有較高的抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕性強(qiáng)，被廣泛用于公路和高速公路，也可用于機(jī)場(chǎng)的路面[4]。我國(guó)玄武巖分布比較廣泛，尤其安徽省滁州市玄武巖礦產(chǎn)資源比較豐富，距今發(fā)現(xiàn)的大約有1.68 億噸，可用的有3400 萬(wàn)噸。如今混凝土行業(yè)也在迅速的發(fā)展[5]，但是由于天然的優(yōu)質(zhì)骨料缺乏，為了生產(chǎn)更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的混凝土，大部分會(huì)選擇就地取材，因?yàn)樾鋷r在我國(guó)分布較為廣泛，所以其在我國(guó)建筑材料中是一種常見的骨料了，特別是在公路和房屋建筑中被廣泛的使用。

圖1 玄武巖

表1 玄武巖及其他常用巖石的物理特性

表2 玄武巖及其他巖石一般力學(xué)特性指標(biāo)

由于玄武巖分布比較廣泛，而且其強(qiáng)度滿足施工規(guī)范、加工比較簡(jiǎn)單、顆粒體型好等眾多優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用。對(duì)于多孔骨料用混凝土，因其對(duì)生態(tài)環(huán)境具有很好的作用，國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行研究[6]，玄武巖作為多孔骨料，它的透水性能強(qiáng)，而且孔隙連續(xù)密集，可大部分作為道路地面、使污水進(jìn)行凈化和吸聲材料等眾多行業(yè)領(lǐng)域中[7]。對(duì)于多孔的混凝土來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部所具有的細(xì)骨料比較少，大部分是粗骨料相互之間由水泥漿粘結(jié)而成，會(huì)具有分布均勻的孔隙，對(duì)于透水性能來(lái)說(shuō)具有很強(qiáng)的效果。因此，對(duì)多孔玄武巖的利用是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。世界上約15%的玄武巖產(chǎn)量已被用于不同的領(lǐng)域，如混凝土、瀝青混合料，本文綜述了近年來(lái)玄武巖骨料作為道路工程材料的研究進(jìn)展。

1 玄武巖的構(gòu)造及特性

玄武巖廣泛分布于全國(guó)各地，我國(guó)玄武巖主要以新生代玄武質(zhì)和二疊紀(jì)玄武質(zhì)為主,研究人員利用圖像處理技術(shù)，對(duì)我國(guó)中東地區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行了分析[8]，大部分的玄武巖有較多的孔隙，玄武巖中存在孔隙結(jié)構(gòu)和節(jié)理結(jié)構(gòu)，使玄武巖地基中的地下水流動(dòng)性更好。特別是在新生代玄武巖中，其孔隙的分布情況可以很好防止地下水的徑流和排泄，對(duì)于人類的排水的設(shè)置應(yīng)用有很大的好處。

玄武巖的孔隙排布組成了全部的玄武巖含水層的地下水儲(chǔ)存，運(yùn)輸和循環(huán)系統(tǒng)，賦予了玄武巖更好的滲透性能。玄武巖的分布與火山活動(dòng)有關(guān)。由于火山的形成，就會(huì)產(chǎn)生玄武巖，火山的內(nèi)部和外部地質(zhì)應(yīng)力共同作用于下部地層。在不同的地質(zhì)年限，易流動(dòng),加上氣體噴發(fā)的影響，氣孔結(jié)構(gòu)的形成是其主要的結(jié)構(gòu)特征。玄武巖構(gòu)造形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,會(huì)影響到巖漿的粘度、均勻性、凝結(jié)溫度、冷卻速率的變化、火山噴發(fā)的類型和強(qiáng)度以及當(dāng)時(shí)的古地理環(huán)境等各種各樣的因素。據(jù)目前研究，玄武巖構(gòu)造主要有以下幾種類型：塊狀構(gòu)造、孔隙(柱狀)構(gòu)造結(jié)構(gòu)、繩結(jié)構(gòu)、柱接頭結(jié)構(gòu)、杏仁結(jié)構(gòu)、枕結(jié)構(gòu)[9]。玄武巖氣孔構(gòu)造是由于玄武巖巖漿從地面噴發(fā)后，壓力急劇下降,氣體迅速冷卻，氣體從玄武巖中冒出，形成近乎橢圓形和圓形大小的氣孔時(shí)，稱為氣孔結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾鋷r本身的壓力隨著溫度的降低，熔巖中的揮發(fā)性組分聚集形成稱為原生孔隙的孔隙；當(dāng)本體孔在有外力的時(shí)候，會(huì)變?yōu)榇紊锥碵10]。原生孔洞的生成兩個(gè)關(guān)鍵的原因是：一是火山噴發(fā)產(chǎn)生的基本熔巖流，從火山口流出，壓力和溫度急劇下降，導(dǎo)致內(nèi)部揮發(fā)性成分不斷聚集，形成各種不同的儀表孔；另一種是巖漿在冷卻時(shí)結(jié)晶，其顆粒大小和形狀都是如此，在不同狀態(tài)的晶體框架中也可以形成不同尺寸的孔隙[11]。根據(jù)孔的直徑，可分為三種類型微孔、孔洞和洞穴。微孔形狀幾乎為圓形、橢圓形，少數(shù)出現(xiàn)不規(guī)則。洞是光滑的，一般填充不滿。隨著地質(zhì)年代的變化，氣孔不斷發(fā)育，直徑0.05～1.00mm。在其中部和底部有微小的氣孔，它們以個(gè)體分散的形式均勻分布，這些微小的氣孔是相互相通的。程榮對(duì)玄武巖的氣孔做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)了玄武巖氣孔的含量及大小分布情況[12]。玄武巖的氣孔構(gòu)造和含量決定了其本身的性質(zhì)，使其具有強(qiáng)度高，滲透性能好等性能，可以用于路面材料。

2 玄武巖骨料的道路工程應(yīng)用

2.1玄武巖骨料用混凝土

在19世紀(jì)末，國(guó)外開始使用混凝土路面，在20世紀(jì)初混凝土路面技術(shù)開始引入我國(guó)，剛開始被用于公路，然后逐漸用于機(jī)場(chǎng)跑道等其他路面。透水混凝土路面被研究的最為廣泛，其路面大多選用多孔骨料制備，玄武巖也是混凝土骨料的一種，我國(guó)的玄武巖比較豐富，所以許多學(xué)者對(duì)其有深入的研究，在我國(guó)南部海南省的玄武巖分布也是比較多的，為了對(duì)其充分利用，馬清清和陳平[13]把天然開采的玄武巖碎石，磨細(xì)成粉狀的玄武巖粉，加入混凝土中。這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要研究了摻入的玄武巖對(duì)混凝土的用水量，還有其強(qiáng)的和氯離子滲透效果的作用，實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論是把占比30%玄武巖粉摻入混凝土中可使其強(qiáng)度滿足C45 混凝土的合格標(biāo)準(zhǔn)，而且對(duì)于氯離子的抗?jié)B透的效果有很明顯的提升。

李強(qiáng)等人[14]把玄武巖用作水膠比為0.38 的混凝土中做骨料，研究玄武巖混凝土的砂率、水膠比和骨料及鋼纖維對(duì)其抗壓強(qiáng)度、耐久性和工作性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于石灰?guī)r和玄武巖分別摻入混凝土中，使混凝土的流動(dòng)性變大，混凝土用玄武巖的使自身的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都比摻入石灰?guī)r的混凝土的效果要好，它們都符合混凝土的拌合的要求。兩種不同的混凝土的氯離子滲透效果一樣，研究的配合比相同的玄武巖混凝土和石灰?guī)r混凝土的耐久性效果也大致一樣。李光偉[1]把玄武巖加入混凝土中，對(duì)其基本型性能也做了研究，主要對(duì)其的抗裂性[15]能進(jìn)行深入研究，而且進(jìn)行了探討。

Hanifi Binici 和Yavuz Yardim 等 人[16]研究 了 不同尺寸玄武巖混凝土的耐久性和力學(xué)性能。本研究的創(chuàng)新之處在于玄武巖粉替代水泥。分別加入不同比例的玄武巖粉和砂，部分替代水泥和細(xì)骨料。水泥和砂的置換比例從5%～40%不等。通過(guò)不同齡期混凝土的強(qiáng)度和耐久性試驗(yàn)，研究了玄武巖替代對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度、耐磨性、吸水率、凍融強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。研究表明，水泥和砂部分替代不同形式的玄武巖，可顯著改善混凝土的上述方面。

P.P.Li 和Q.L.Yu[17]采用顆粒堆積理論，考慮最佳粉料配比，設(shè)計(jì)了最大粒徑為16mm 的玄武巖粗骨料超高性能混凝土。研究了高性能混凝土的流動(dòng)性、收縮、漿料強(qiáng)度以及抗拉劈裂強(qiáng)度。對(duì)玄武巖粗骨料的粒徑及其粉含量變化的影響進(jìn)行了研究。此外，還對(duì)摻合料的作用、骨料與鋼纖維的相互作用進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果表明：微硅粉的最佳配比為微硅粉的5%和石灰石粉的20%(以總粉的質(zhì)量計(jì))。玄武巖粗骨料對(duì)UHPC（高性能混凝土）機(jī)械強(qiáng)度的降低作用有限。玄武巖骨料最大粒徑為8mm 和16mm 時(shí)，UHPC 的最佳粉料摻量分別為800kg/m3和700㎏/m3。此外，改進(jìn)的Andersen模型的分布模量q 為0.19 被推薦用于粗集料UHPC 的設(shè)計(jì)。不含鋼纖維和含2vol%鋼纖維的UHPC的最佳粉量相同，含粗骨料的UHPC的纖維量較長(zhǎng)。

雷濤[18]采用硅灰復(fù)合技術(shù)對(duì)粉末玄武巖混凝土進(jìn)行了改性，研究玄武巖石粉細(xì)度、摻量對(duì)混凝土性能的影響，當(dāng)玄武巖的比表面積大于600m2/㎏的情況下，其能改善混凝土的性能；摻入5%硅灰和20%玄武巖石粉混合在一起，制作的混凝土的密實(shí)度可以滿足要求。綜上所述，路面用玄武巖混凝土的技術(shù)正在逐漸改善，但仍需要繼續(xù)深入的研究。MagdalenaDobiszewska 等人[19]研究了使用廢玄武巖粉替代細(xì)骨料來(lái)提高混凝土性能。試驗(yàn)研究了玄武巖粉摻入混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度，以及玄武巖粉摻入混凝土對(duì)界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，玄武巖粉替代砂土的加入，提高了混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度。這主要是由于玄武巖粉的填充效應(yīng)。摻入玄武巖粉的混凝土界面比未摻入玄武巖粉的混凝土界面致密、強(qiáng)度大。玄武巖粉末的XRD 衍射圖（見圖2）和掃描電鏡(SEM)圖像（見圖3）。玄武巖粉末顆粒表面粗糙，呈棱角狀。XRD 衍射結(jié)果表明，礦物組成以富含鈣長(zhǎng)石顆粒的斜長(zhǎng)石為主，同時(shí)還有輝石、角閃石及少量伊利石存在，可能是斜長(zhǎng)石風(fēng)化作用的結(jié)果。綜上所述，玄武巖骨料用混凝土已經(jīng)在道路領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，加入一定量的玄武巖骨料，替代其他骨料用于混凝土中，增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能和耐久性能等。

圖2 玄武巖粉末的XRD衍射圖

圖3 玄武巖粉末的掃描電子顯微鏡圖像，左邊是×4000，右邊是×10000

2.2玄武巖骨料用瀝青混合料

瀝青混合料中集料是占比最大的，它對(duì)其級(jí)配影響很大，集料主要是由砂石組成，在我國(guó)砂石在工程領(lǐng)域的用量上大約有100 億噸左右，目前趨勢(shì)還在增大。瀝青混合料用路面是如今被普遍的采用方法，它可為了使路面平整而且無(wú)接縫，汽車行駛更加舒適，并具有耐磨性，易于維護(hù)和維修。瀝青混合料的骨架主要由骨料組成，粗骨料骨架結(jié)構(gòu)是通過(guò)相互嵌接擠壓形成，細(xì)骨料填充也可同時(shí)框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)水泥骨料形成致密的整體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成骨架致密的結(jié)構(gòu)[20]。不同等級(jí)的骨料之間的相互作用，相互聯(lián)系，對(duì)混凝土骨架的形成有很大的影響，從而決定了混合料的性能，玄武巖因其強(qiáng)度大，耐磨性好，目前也在廣泛的被用于瀝青混合料，它可做粗集料，也可被制作成機(jī)制砂做細(xì)集料。

由于這些不同質(zhì)量和數(shù)量的材料混合形成不同的結(jié)構(gòu)，并具有不同的力學(xué)性質(zhì)[21]，玄武巖集料的級(jí)配對(duì)瀝青混凝土有很大的影響，良好的級(jí)配可以很好的改善混凝土的機(jī)械性能，對(duì)道路性能影響也有很大的好處[22]。因?yàn)榧?jí)配會(huì)影響工程中瀝青混凝土路面的密實(shí)度，平整度，防滑性能等控制指標(biāo)。對(duì)于把握好瀝青混合料的集料的級(jí)配，可以使道路路面會(huì)有更好的壓實(shí)度，不同的集料級(jí)配，對(duì)于馬歇爾的穩(wěn)定度和流值和其他參數(shù)也會(huì)有不同的影響，也會(huì)對(duì)瀝青混合料的力學(xué)參數(shù)和其他參數(shù)指標(biāo)也會(huì)有很大的影響，集料的數(shù)量如果不一樣的話，那么瀝青混凝土中瀝青的用量也是不一樣的，雖然瀝青用量占比很小，如果其中細(xì)集料的用量比較多的話，那么會(huì)需要更多的瀝青含量才能達(dá)到更好效果，使結(jié)構(gòu)達(dá)到致密、密實(shí)。如果粉膠比過(guò)于大的時(shí)候，瀝青砂漿就會(huì)出現(xiàn)，它是瀝青和集料相互作用的表面上的結(jié)構(gòu)瀝青而產(chǎn)生的，會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度和粘聚力[23]。選擇最佳的級(jí)配是提高瀝青混合料力學(xué)性能的最有效方法，確定最佳油石比也是以實(shí)現(xiàn)混合料的最佳性能。

胡洋[24]根據(jù)多孔玄武巖骨料的特性，設(shè)計(jì)了瀝青混合料的最佳配比，用于公路的面層，劉彥良也根據(jù)瀝青混合料的基本參數(shù)，用多孔玄武巖做骨料，去設(shè)計(jì)瀝青混合料最佳配比[25]。隨著科技的發(fā)展，研究人員采用了X 射線計(jì)算機(jī)層析技術(shù)對(duì)瀝青混合料級(jí)配對(duì)其性能進(jìn)行研究，用X射線CT圖像和數(shù)字圖像處理方法去測(cè)定瀝青混合料級(jí)配[26]，用貝利級(jí)配法設(shè)計(jì)鋼渣集料瀝青混合料[27]，除了用設(shè)計(jì)級(jí)配的方法提高瀝青混合料的性能，還可以填充外加劑對(duì)級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，研究人員添加聚合物去優(yōu)化級(jí)配，用SBS 聚合物改性瀝青開級(jí)摩擦層(OGFC)混合料[28]，把鐵素體填充于開級(jí)配摩擦層瀝青混合料中，去優(yōu)化混合料的級(jí)配，接著又有鐵氧體]填充在混合料中，優(yōu)化級(jí)配，因此要優(yōu)化級(jí)配,然后優(yōu)化混凝土性能。Erol Iskender[29]用LCPC 車輪跟蹤試驗(yàn)，研究粗細(xì)SMA 混合料的玄武巖和玄武巖石灰?guī)r骨料組合的車轍情況。對(duì)不同最大骨料粒徑和級(jí)配變化情況下LCPC車輪跟蹤試驗(yàn)的敏感性進(jìn)行了研究。認(rèn)為在含玄武巖的SMA中，石灰石骨料可作為填料和細(xì)粒級(jí)配，在SMA混合料級(jí)配中摻入石灰石骨料，SMA 混合料的車轍抗力相對(duì)降低。

詹學(xué)成[30]把多孔玄武巖摻入瀝青混合料中，發(fā)現(xiàn)了多孔玄武巖在相同油石比的情況下，級(jí)配下空隙率較高，主要是因?yàn)榧峡斩吹拇嬖跁?huì)吸收瀝青，減少了自由瀝青，使得瀝青與礦粉的混合物難以封閉粗集料之間的空隙。在表干法中，水容易進(jìn)入空隙并吸附其中，造成空隙率大。另外相同油石比多孔玄武巖穩(wěn)定度較小，流值較大。研究多孔玄武巖骨料對(duì)瀝青混凝土性能的影響雖然取得了一些成就，但仍然存在很多不足，但是還有一些未知點(diǎn)，例如多孔玄武巖骨料級(jí)配不能影響瀝青混凝土?xí)r的最大變化范圍，骨料級(jí)配的變化會(huì)影響瀝青混合料的哪些性能因素的變化。掌握玄武巖骨料級(jí)配對(duì)瀝青混合料主要性能及其影響因素，可以優(yōu)化級(jí)配，以實(shí)現(xiàn)瀝青混合料的最佳性能。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著我國(guó)的道路建設(shè)迅速發(fā)展，所需要的原材料越來(lái)越多，玄武巖作為一種高強(qiáng)度、抗氧化、耐酸堿、防火阻燃等高性能的原材料，它可以作為道路工程方面和其他眾多方面使用。因此，我們要更加的發(fā)掘玄武巖更多的潛在的價(jià)值，去充分的利用它，為我國(guó)道路的發(fā)展做好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)具有重要的意義。本文綜述了玄武巖骨料用于混凝土、瀝青混合料中的耐久性和力學(xué)性能等其他性能。主要結(jié)論如下：

⑴把不同種類玄武巖骨料用于混凝土中，可使混凝土的抗壓強(qiáng)度、隔音、隔熱、輕質(zhì)高強(qiáng)等性能的效果提升，對(duì)水泥混凝土路面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提升。

⑵玄武巖骨料用于瀝青混合料中，會(huì)使路面變得更耐磨、透水性好、行車舒適等，可為瀝青混合料路面提高更優(yōu)質(zhì)的性能。

⑶未來(lái)應(yīng)繼續(xù)探索對(duì)玄武巖的性能的研究，使它的性能變得更加優(yōu)質(zhì)，為更好的滿足道路各方面研究做好技術(shù)儲(chǔ)備。

⑷由于玄武巖骨料用于路面基層方面的研究比較缺乏，研究人員要加強(qiáng)對(duì)玄武巖骨料用于路面基層的探索，這樣可以降低工程成本，且有更高的利用價(jià)值。