胡江洋，毛 君，張 浩，折學森

1)長安大學公路學院，西安710000;2)中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安710000;3)中煤科工集團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、保護自然環(huán)境和降低工程造價等將具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益.

火山渣是火山灰的一種，火山灰按粒徑大小可以分為細灰、火山砂和火山渣，粒徑不大于0.6 mm的稱為細灰，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度，在施工過程中通過壓實度指標來控制施工質(zhì)量，路基回彈模量的設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，除了要求路基設計有正確合理的斷面尺寸外，還應具備足夠的整體穩(wěn)定性、足夠的強度和足夠的水穩(wěn)定性.路基填料應該均勻、密實，其最小承載比應符合表1的規(guī)定.

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

2 火山渣的物理化學性質(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)指標如表2.

表2 火山渣物理指標試驗結果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深度，減小路基凍脹值和路面基層的應變值，有效減薄路面墊層，可以有效提高路面的平整度［3］.

2.4 火山渣化學組成

組成火山渣的物質(zhì)主要有質(zhì)量分數(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準的影響［10，13］，采用重型標準擊實法和表面振動擊實法進行對比試驗.重型標準擊實法是用錘擊，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構，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，其結構完全符合《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，試驗結果如表3.

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

圖1為粗粒質(zhì)量分數(shù)與最大干密度的關系.由圖1可知，2種試驗方法的結果基本一致，火山渣擊實后的最大干密度隨著粗粒的質(zhì)量分數(shù)升高逐漸降低;當粗粒質(zhì)量分數(shù)在30%～60%時，最大干密度值減小的速率隨粗粒質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯增大;粗粒質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的增加而逐漸減小.不同粗顆粒質(zhì)量分數(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;其對應的孔隙率分別為22.8%和27.8%，隨著粗粒質(zhì)量分數(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.從上述試驗結果來看，粗粒質(zhì)量分數(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)量分數(shù)與最大干密度關系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，細粒質(zhì)量分數(shù)較少，即火山渣粒徑組成以大粒徑為主時，無法達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粒土來增強火山渣材料的內(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)量分數(shù)分別為0、30%、40%、50%、60%和70%摻配黏土制拌，進行加州承載比試驗，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，試驗結果如表4.

表4 火山渣黏土摻配細料標準壓實及CBR試驗結果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值結果，各配合比混合料均大于現(xiàn)行《公路路基設計規(guī)范》 (JTG D30—2015)［11］中對路床土最小強度CBR的要求.結合試驗結果，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，但當黏土摻配質(zhì)量分數(shù)達到60%時，最大干密度達到最大值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).

由以上試驗結果可見:① 在火山渣粗顆粒質(zhì)量分數(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，材料板結良好;② 當擊實次數(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構，整體作用下強度明顯增加，具體表現(xiàn)在當擊實次數(shù)30～90時，火山渣混合料不易被擊碎，CBR值明顯增大［4］，但當火山渣質(zhì)量分數(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構性均有下降趨勢.

圖2 黏土質(zhì)量分數(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)量分數(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)量分數(shù)與CBR值對應關系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摻量比例進行制樣，試驗加載前分別對試樣泡水4、5和6 d，進行CBR試驗(圖5).試驗結果表明，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關系，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-變形特性對路面結構的整體強度和剛度有很大影響.路面結構的破壞，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，采用抗變形能力強的材料作為路基填料是提高路面結構整體強度與穩(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%;壓實度應符合目標壓實度值±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)量分數(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度和抗變形能力.

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

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

6 結論

綜上研究可知:

1)火山渣材料具有孔隙率較大、干密度較小、水滲透能力強和水穩(wěn)定性強等特點，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，路基整體強度不高，水穩(wěn)性差，如作為路基填料，需摻配一定比例細粒土;

3)不同摻配比例的火山渣+黏土混合料CBR強度均滿足規(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關系，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)范對碎石類土技術要求.

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