韓健 任黎明

摘要 為探究紅砂巖集料在公路水穩(wěn)基層中應(yīng)用的控制要點，以某新建公路段為例，首先從其各標(biāo)段路基開挖紅砂巖廢石料中，取材制備紅砂巖集料，并進(jìn)行物理性能、抗軟化、抗干縮等工程性能試驗；然后開展紅砂巖水穩(wěn)基層的配合比設(shè)計，并對其水穩(wěn)基層施工技術(shù)要點進(jìn)行分析探討。結(jié)果表明，粒徑9.5～26.5 mm的紅砂巖集料代替石灰?guī)r集料所制備出的水穩(wěn)基層無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度均較高，耐久性好，故紅砂巖粗集料完全可取代石灰?guī)r粗集料在公路水穩(wěn)基層中推廣應(yīng)用；而紅砂巖細(xì)集料相關(guān)工程性能仍有待進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞 公路；水穩(wěn)基層；紅砂巖；集料；施工

中圖分類號 U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0069-03

0 引言

水穩(wěn)碎石基層是公路工程中重要的承載結(jié)構(gòu)層，其結(jié)構(gòu)中砂石集料占比在95%及以上，通常以花崗巖、石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)集料為主。但因優(yōu)質(zhì)砂石資源分布的不平衡性及稀缺性，采購及運輸成本日漸增大。紅砂巖為長期風(fēng)化、沉積作用下形成的強度、水穩(wěn)性明顯不同且工程性能不良的沉積巖，在我國中東部及西南地區(qū)分布廣泛。若將其作為水穩(wěn)基層填料使用，既能消納公路廢石，省去棄石場建造環(huán)節(jié)，又能較好地替代外購石料，可以緩解優(yōu)質(zhì)石料供應(yīng)不足的局面。基于此，該文依托公路工程實際，對路基開挖過程中產(chǎn)生的紅砂巖廢石作為水穩(wěn)基層材料應(yīng)用的過程展開深入分析，以供參考。

1 工程概況

某公路全線長83.25 km，劃分成5個標(biāo)段，各標(biāo)段主線路基挖填方量均較大，路基填筑質(zhì)量要求高。結(jié)合地質(zhì)勘查結(jié)果，各標(biāo)段路基開挖過程中均會產(chǎn)生一定量的紅砂巖廢石，如果將廢石料棄置，再采購優(yōu)質(zhì)填筑材料，必將增大廢石料棄置費用及施工成本。為此，公路管理部門決定將開挖出的紅砂巖廢石加工處治后作為水穩(wěn)基層材料使用，以達(dá)到節(jié)省施工成本和保護(hù)環(huán)境的雙重目的。

2 紅砂巖集料制備及工程性能分析

2.1 紅砂巖集料制備

對該公路段沿線紅砂巖取樣，展開母巖崩解情況觀察，同時進(jìn)行母巖化學(xué)成分和單軸飽水抗壓強度的檢測，結(jié)果見表1所示。據(jù)此看出，1標(biāo)、2標(biāo)處紅砂巖母巖屬于優(yōu)質(zhì)砂巖，單軸抗壓強度高；3標(biāo)、4標(biāo)紅砂巖母巖輕微崩解；5標(biāo)紅砂巖母巖嚴(yán)重崩解風(fēng)化。

以單軸抗壓強度最高的2標(biāo)紅砂巖為對象，開展集料加工及工程性能研究。具體而言，通過石灰石集料破碎篩分工藝進(jìn)行紅砂巖集料加工。此類集料在加工過程中對破碎機具存在損傷，且制備出的集料粉含量高、粒型差。經(jīng)過不斷的調(diào)整，得出由顎式破碎機一級破碎，反擊式破碎機二級破碎的加工方式[1]，能夠制備出粒徑0～4.75 mm的細(xì)集料以及粒徑4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm的粗集料。

2.2 紅砂巖集料物理性能

根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）開展紅砂巖粗集料壓碎值、針片狀含量、吸水率等物理性能檢測；同時根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）及《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG E41—2005）測定紅砂巖細(xì)集料塑性指數(shù)及抗崩解性能[2]。檢測結(jié)果見表2和表3所示。根據(jù)檢測值看出，紅砂巖粗集料硬度、吸水率均隨粒徑的減小而降低；粒徑9.5～19 mm和19～26.5 mm粗集料的物理性能基本滿足規(guī)范。造成粒徑4.75～9.5 mm紅砂巖粗集料物理性能不良的原因在于破碎分選時粒型差、硬度低，針片狀含量高、破碎量大。紅砂巖粗集料經(jīng)歷5次循環(huán)崩解試驗后，抗崩解指數(shù)有所降低，但始終高于0.97，表明所選用的紅砂巖集料具有較好的抗崩解性能。

與此同時，對紅砂巖細(xì)集料和石灰石細(xì)集料物理性能開展比測。結(jié)果顯示，紅砂巖細(xì)集料粉含量達(dá)到19.1%，壓碎值為23.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范限值，無法發(fā)揮集料填充及支撐作用，不利于水穩(wěn)基層強度及抗裂性能的提升。為次，應(yīng)加強細(xì)集料中軟弱顆粒含量及粉含量控制，保證其物理力學(xué)性能。

2.3 紅砂巖集料工程性能

2.3.1 抗軟化性能

紅砂巖母巖中黏土礦物含量高，遇水快速軟化并膨脹崩解。采用相應(yīng)技術(shù)將其破碎成粗細(xì)集料后，按照集料試驗規(guī)程對其抗軟化性能開展檢測。

（1）粗集料抗軟化性能。根據(jù)粗集料分級篩余，計算其整體加權(quán)平均壓碎值[3]；并開展質(zhì)量損失率和壓碎值測定，結(jié)果見表4所示。據(jù)此看出，紅砂巖集料加權(quán)平均壓碎值比石灰?guī)r小，表明其粗集料整體具備較高硬度；粒徑4.75～9.5 mm粗集料壓碎值高達(dá)25.7%，硬度略低于石灰?guī)r，其余粒徑的集料硬度均比石灰?guī)r高。

（2）細(xì)集料抗軟化性能。依據(jù)其中分級篩余占比情況，開展加權(quán)平均壓碎值計算，粒徑2.36 mm以下的細(xì)集料浸水24 h后烘干，集料固結(jié)，無法開展測試。故使用粒徑在2.36～4.75 mm之間的紅砂巖細(xì)集料開展壓碎值試驗，結(jié)果見表5所示。據(jù)此看出，紅砂巖細(xì)集料壓碎值遠(yuǎn)超石灰?guī)r，整體硬度明顯偏低；其自身壓碎值隨粒徑增大而降低，意味著其破碎后的粒徑越小，硬度越低。

2.3.2 抗干縮性能

公路工程所在地開挖出的紅砂巖廢石料外觀溝壑縱橫，富含黏土礦物，吸水率較大。為避免其作為水穩(wěn)基層材料后發(fā)生開裂，必須對其開展抗干縮性能檢驗。選取破碎后粒徑在0～4.75 mm之間的紅砂巖集料，并根據(jù)《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）開展擊實試驗，測定其最大干密度與最佳含水率；同時按照表6級配要求成型試件，以消除累計干縮應(yīng)變所受級配的不利影響[4]。此后將試件放置于20℃±1℃且濕度位于60%±5%的環(huán)境。

所測得的紅砂巖粗細(xì)集料塑性指數(shù)為7.5和9.8，石灰?guī)r粗細(xì)集料塑性指數(shù)為4.9和5.2。累計干縮應(yīng)變和累計失水率測值見表7所示。根據(jù)測值看出，紅砂巖和石灰石粗細(xì)集料累計干縮應(yīng)變均隨齡期的延長而先增大，后趨于穩(wěn)定；前期紅砂巖集料累計干縮應(yīng)變小于石灰石，當(dāng)齡期超出10 d后紅砂巖集料累計干縮應(yīng)變也超過石灰石。紅砂巖粗細(xì)集料在30 d齡期時累計干縮應(yīng)變分別達(dá)到5.14×10?4和6.91×10?4；累計失水率則分別達(dá)到1.88%和2.00%。

3 紅砂巖水穩(wěn)基層配合比設(shè)計

考慮粒徑在0～4.75 mm之間的紅砂巖細(xì)集料強度低、抗干縮性能不良，故水穩(wěn)基層混合料以選用砂巖為粗集料，以石灰?guī)r為細(xì)集料。此外，粒徑在4.75～9.5 mm之間的紅砂巖粗集料壓碎值及針片狀含量均較高，為分析其粗集料摻量，擬定出兩種配合比。配合比1以紅砂巖為粗集料，以塑性指數(shù)較高的石灰?guī)r石屑為細(xì)集料；配合比2以相應(yīng)粒徑石灰?guī)r為粗集料，以塑性指數(shù)較低的石灰?guī)r機制砂為細(xì)集料。級配情況見表8所示。

對以上兩種配合比試件開展擊實試驗，根據(jù)擊實結(jié)果及無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果，配合比1和配合比2試件的最佳含水率分別為5.3%和4.6%，7 d無側(cè)限抗壓強度依次為3.3 MPa和4.0 MPa，完全達(dá)到一級公路及特重公路的強度要求。考慮配合比2具有更高的強度富余系數(shù)，故該公路紅砂巖水穩(wěn)基層推薦采用這種方案[5]。

4 紅砂巖水穩(wěn)基層施工要點

4.1 材料處理

將開挖出的紅砂巖填料置于室外堆場，經(jīng)過陽光及空氣等自然力的作用以及人工灑水后風(fēng)化崩解，持續(xù)作用8～15 d，以消除其材料活性。待紅砂巖塊表面形成大量裂縫，搬動時巖塊隨即碎裂成巖堆，即達(dá)到較好的崩解狀態(tài)。

4.2 路基填筑

在施工開始前，配置1臺激振力為260 kN的40 t輪式振動壓路機和1臺激振力為400 kN及以上的60 t拖式振動壓路機。通過推土機推平紅砂巖填料，再由覆帶碾壓后使用耙齒耙壓3遍，以將大粒徑紅砂巖碾碎。此后通過監(jiān)理工程師檢查紅砂巖的粒徑及耙壓效果。

為保證路基填筑效果，必須充分利用紅砂巖易崩解活性特征，使其充分暴露，消除其活性。此外，紅砂巖顆粒粒徑必須位于25 mm以下，因為大粒徑紅砂巖受到自然力及荷載作用后必然會造成所在路基沉陷和路面破壞；同時也不利于路堤水穩(wěn)性的提升。

4.3 碾壓

紅砂巖水穩(wěn)基層填筑施工中，壓實機械的選用是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由250 kW推土機耙壓3遍后，再通過40 t以上的光輪壓路機和60 t以上的振動羊角碾碾壓4～6遍。碾壓層厚度應(yīng)控制在40 cm及以下，以保證壓實均勻。

結(jié)合試驗結(jié)果，對于含水量最佳且壓實至最大干密度的紅砂巖材料，浸水后的強度和密度降幅才為最低，水穩(wěn)性也最好。為此，該公路水穩(wěn)基層施工期間紅砂巖含水量應(yīng)不超出8%～12%范圍。

5 結(jié)論

綜上所述，紅砂巖石料黏土礦物含量高，抗軟化、抗干縮性能比石灰?guī)r石料差，通過顎式破碎機一級破碎、反擊式破碎機二級破碎方式加工后可得到規(guī)格及粒型均較好的紅砂巖集料。用粒徑9.5～26.5 mm的紅砂巖集料完全替代石灰石集料而制備出的水穩(wěn)基層試件7 d無側(cè)限抗壓強度，僅比石灰石集料制備的水穩(wěn)基層強度低3.9 MPa，耐久性相對較好，符合一級公路和特重公路基層強度。工后跟蹤檢測結(jié)果表明，紅砂巖集料水穩(wěn)基層強度及抗開裂性能較好，可為路面提供較好支承，在紅砂巖石料分布廣泛地區(qū)的公路建設(shè)中值得推廣應(yīng)用。

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