趙 勇，蔣金城，曹小沖，韓石磊，劉玉芹

（1.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司，昆明 650223；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，昆明 650599；3.云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，昆明 650223；4.昆明市建筑工程結(jié)構(gòu)安全和新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650223）

瀝青路面是我國(guó)高等級(jí)公路的主要路面形式，其中半剛性基層具有強(qiáng)度高、取材范圍廣、用料成本低等顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)瀝青路面的主要基層類(lèi)型[1]。在“強(qiáng)基薄面”理念引導(dǎo)下，我國(guó)瀝青路面半剛性基層主要采用水泥穩(wěn)定碎石（簡(jiǎn)稱(chēng)水穩(wěn)碎石）材料[2]。集料是水泥穩(wěn)定碎石的主要材料之一，對(duì)水穩(wěn)碎石施工和易性、密實(shí)性和強(qiáng)度等具有重要影響。當(dāng)前，水穩(wěn)碎石中主要采用石灰?guī)r集料。然而，隨著環(huán)境保護(hù)力度加大和石灰?guī)r集料資源日趨枯竭，鐵尾礦、火山巖、砂巖等非常規(guī)集料用于水泥穩(wěn)定碎石的工程需求日益提升，受到行業(yè)的極大關(guān)注[3]。

火山巖是火山噴發(fā)過(guò)程中巖漿在急驟冷卻后，由于壓力的急劇減小，內(nèi)部氣體迅速溢出膨脹而形成的一種有密集氣孔的玻璃質(zhì)熔巖[4-6]?；鹕綆r氣孔體積往往占巖石體積的50%以上，因孔隙多、質(zhì)量輕、能浮于水面又被稱(chēng)為浮石。目前，火山巖集料用于水穩(wěn)碎石中的研究和應(yīng)用相對(duì)較少，且其技術(shù)性能相比傳統(tǒng)石灰?guī)r、玄武巖等差異顯著[7-9]。其中，火山巖集料表面多孔的問(wèn)題必然導(dǎo)致其混合料體積和力學(xué)性能與基于傳統(tǒng)集料的水穩(wěn)碎石性能存在差異。因此，針對(duì)火山巖集料，將其資源化利用于水泥穩(wěn)定碎石的適用性、基于該集料的水泥穩(wěn)定碎石相比常規(guī)石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的技術(shù)性能變化特征等問(wèn)題亟待明確。

基于上述原因，本研究選取云南騰沖地區(qū)火山巖集料，基于現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定火山巖碎石。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析火山巖水泥穩(wěn)定碎石與傳統(tǒng)石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的體積（最佳含水率、最大干密度）和力學(xué)特性（無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度）。本研究的開(kāi)展，可為火山巖集料在水穩(wěn)碎石材料中的資源化利用奠定較好的試驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)火山巖集料在瀝青混合料等其他路用材料的使用具有一定借鑒意義。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥是水泥穩(wěn)定碎石的主要膠結(jié)材料，本研究采用P·C42.5 復(fù)合硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)性能見(jiàn)表1。

表1 P·C42.5 復(fù)合硅酸鹽水泥主要技術(shù)性能

1.1.2 集料

采用云南騰沖地區(qū)火山巖粗、細(xì)集料，并與公路水泥穩(wěn)定碎石常用的石灰?guī)r集料技術(shù)性能進(jìn)行比較。兩類(lèi)石料的粗、細(xì)集料技術(shù)性能分別見(jiàn)表2、表3。

表2 火山巖、石灰?guī)r粗集料技術(shù)性能

表3 火山巖、石灰?guī)r細(xì)集料技術(shù)性能

由表2 可知，相比于石灰?guī)r集料，火山巖粗集料的壓碎值、洛杉磯磨耗值和軟石含量參數(shù)值明顯偏大，前者壓碎值和5～10 mm 粒徑的洛杉磯磨耗值不滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范技術(shù)要求，說(shuō)明火山巖粗集料的強(qiáng)度和耐磨耗性能較低，不建議用于瀝青路面上面層使用。此外，由于火山巖集料表面呈多孔結(jié)構(gòu)，其表觀(guān)相對(duì)密度相比石灰?guī)r集料明顯較低，而吸水率顯著較大。

表3 所示結(jié)果表明，相比石灰?guī)r，火山巖細(xì)集料的密度較低且堅(jiān)固性較差。此外，火山巖細(xì)集料棱角性相比石灰?guī)r細(xì)集料也相對(duì)較差。

1.2 水泥穩(wěn)定火山巖碎石配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》針對(duì)高等級(jí)公路推薦的水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍（C-B-1），設(shè)計(jì)級(jí)配如圖1 所示。為便于比較，不同集料類(lèi)型和水泥摻量條件下，水穩(wěn)碎石混合料統(tǒng)一采用該目標(biāo)級(jí)配進(jìn)行逐檔配料。

圖1 水泥穩(wěn)定碎石目標(biāo)級(jí)配

1.2.2 水泥用量

根據(jù)JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》及JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的要求設(shè)計(jì)4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%不同5個(gè)水泥摻量分別在含水量4.0%～7.0%（含水量間隔0.5%）下進(jìn)行擊實(shí)成型，進(jìn)而測(cè)得4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%不同水泥摻量條件下水泥穩(wěn)定火山巖碎石的最大干密度分別為1.984、1.996、2.001、2.006 和2.016 g/cm3，對(duì)應(yīng)最佳含水率分別為5.2%、5.2%、5.4%、5.5%和5.6%。

此外，根據(jù)前述試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)不同水泥摻量的水穩(wěn)碎石在最佳含水率條件下靜壓成型并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d、泡水1 d，養(yǎng)護(hù)條件為溫度20±2℃，濕度大于等于95%。然后，通過(guò)試驗(yàn)試驗(yàn)，測(cè)定各水泥穩(wěn)定碎石試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。綜合考慮設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)強(qiáng)度為4.5 MPa）以及經(jīng)濟(jì)性等因素，5.5%水泥摻量7d 無(wú)側(cè)向強(qiáng)度代表值5.0 MPa 大于等于設(shè)計(jì)值4.5 MPa。同時(shí)，5.5%水泥摻量滿(mǎn)足中、粗粒材料拌合的最小摻量（3%）要求，并符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度小于5.0 MPa 時(shí)的推薦摻量。因此，選取5.5%為火山石水泥穩(wěn)定碎石最佳水泥摻量。

1.3 試驗(yàn)方法

為明確水泥穩(wěn)定火山巖碎石最佳含水率和最佳干密度，同時(shí)為對(duì)比分析火山巖和石灰?guī)r兩種不同集料的水穩(wěn)碎石體積特性，本研究依據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定不同含水率和水泥摻量條件下水泥穩(wěn)定碎石的干密度。

同時(shí)，為對(duì)比分析水泥穩(wěn)定火山巖碎石力學(xué)特性，根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，采用靜壓法制備Φ150 mm×150 mm 圓柱體試件，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后測(cè)定其7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（T 0805—1994《無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》）。

2 水泥穩(wěn)定火山巖碎石體積特性

通過(guò)前述重型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得不同水泥摻量條件下，水泥穩(wěn)定火山巖碎石和水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的最佳含水率和最大干密度，結(jié)果分別如圖2、圖3 所示。

圖3 不同水泥摻量條件下水穩(wěn)碎石最大干密度

由圖2 可知，隨著水泥摻量的增大，水穩(wěn)碎石最佳含水率呈逐漸增大趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度整體上先小后大。究其原因，一方面水泥摻量增大則水化所需用水量增加，而另一方面水泥的摻入增大了水泥漿體的稠度，因此需提高用水量以改善水泥穩(wěn)定碎石的和易性。

此外，從圖2 結(jié)果可明顯看出，相比石灰?guī)r，水泥穩(wěn)定火山巖碎石在相同條件下的最佳含水率明顯較高。以水泥摻量5.5%為例，火山巖、石灰?guī)r兩類(lèi)石料的水穩(wěn)碎石最佳含水率分別為5.5%和5.1%，后者相比增大7.8%。造成此種差異可能的原因包括：①火山巖表面開(kāi)口孔隙較多，孔隙中吸收水分造成其拌和需水量增大；②相比石灰?guī)r，火山巖集料表面更粗糙，因而需要更大的用水量提高其流動(dòng)性。

由圖3 可知，隨著水泥摻量的增大，兩類(lèi)石料對(duì)應(yīng)水穩(wěn)碎石的最大干密度均呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)。水泥穩(wěn)定碎石主要由粗集料構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)和填充于其空隙中的水泥砂漿構(gòu)成，水泥含量的增大，可促使骨架間空隙填充更加充分，因而混合料最大干密度逐漸增大。

相比石灰?guī)r基水泥穩(wěn)定碎石，火山巖基水泥穩(wěn)定碎石在相同條件下的最大干密度明顯較小，整體上后者降低幅度約為16.5%，且二者之間存在較好的線(xiàn)性關(guān)系（圖4）。其主要原因是，火山巖集料密度相對(duì)較小，因而其混合料密度也相對(duì)較低。此外，火山巖粗集料表面孔隙較多且大小分布不均，混合料拌和、成型過(guò)程中，水泥砂漿無(wú)法充分填充粗集料表面孔隙，是造成其整體密度偏低的另一重要原因。

圖4 不同集料水穩(wěn)碎石最大干密度相關(guān)性

3 水泥穩(wěn)定火山巖碎石力學(xué)特性

通過(guò)前述無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得不同水泥摻量條件下，水泥穩(wěn)定火山巖碎石和水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算其強(qiáng)度代表值，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 水穩(wěn)碎石7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度比較

由圖5 可知，隨著水泥摻量增大，兩類(lèi)水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度代表值均呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)。相比石灰?guī)r水穩(wěn)碎石，火山巖水穩(wěn)碎石在相同條件下的強(qiáng)度明顯較低，且水泥摻量越大則二者差距越顯著。其主要原因是，火山巖集料表面開(kāi)口空隙較多，其吸附水泥能力較強(qiáng)，使得混合料中有效水泥含量減少，而集料表面孔隙中水泥顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重、水化不充分，進(jìn)而導(dǎo)致水泥漿體粘結(jié)能力較弱、水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度偏低。不僅如此，由圖5 所示擬合線(xiàn)型變化趨勢(shì)可知，相比石灰?guī)r，火山巖集料水穩(wěn)碎石的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加的增長(zhǎng)幅度明顯較緩。當(dāng)水泥摻量為5.5%時(shí)，石灰?guī)r、火山巖水穩(wěn)碎石的強(qiáng)度代表值分別為6.5 MPa 和5.0 MPa，后者降低幅度約為25%。為滿(mǎn)足4.5 MPa 強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，火山巖水穩(wěn)碎石需在石灰?guī)r水穩(wěn)碎石基礎(chǔ)上增加1%水泥用量。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)和7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)比了火山巖、石灰?guī)r兩類(lèi)集料體系下，水泥穩(wěn)定碎石的體積和力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

1）相比石灰?guī)r集料，火山巖集料密度相對(duì)較小、強(qiáng)度和抗磨耗性能較低而吸水率相對(duì)較大。

2）隨著水泥摻量增加，水泥穩(wěn)定火山巖碎石最佳含水率和最大干密度呈增大趨勢(shì)。相比石灰?guī)r，水泥穩(wěn)定火山巖碎石在相同條件下的最佳含水率相對(duì)較高，而最大干密度整體降低約16.5%。

3）隨著水泥摻量增加，水泥穩(wěn)定火山巖碎石7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)。相比石灰?guī)r水穩(wěn)碎石，火山巖水穩(wěn)碎石在相同條件下的強(qiáng)度明顯較低，且水泥摻量越大則二者差距越顯著。為滿(mǎn)足4.5 MPa 強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，火山巖水穩(wěn)碎石（最低水泥摻量5.5%）需在石灰?guī)r水穩(wěn)碎石（最低水泥摻量4.5%）基礎(chǔ)上增加1%水泥用量。