摘要：文章針對(duì)遵秦高速公路隧道花崗巖棄渣的資源化利用以及其在基層應(yīng)用的可行性等問(wèn)題，分析了隧道花崗巖棄渣碎石的級(jí)配組成、壓碎值、針片狀含量等物理性能，并通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)確定隧道花崗巖棄渣水泥穩(wěn)定基層（以下簡(jiǎn)稱“水泥穩(wěn)定棄渣”）的最大干密度和最佳含水率；通過(guò)測(cè)試強(qiáng)度、回彈模量、抗凍性能以及干、溫縮特性等路用性能，并與水泥穩(wěn)定片麻巖、石灰?guī)r進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化水泥穩(wěn)定棄渣的各項(xiàng)配合比。結(jié)果表明：隧道花崗巖棄渣碎石的級(jí)配良好，水泥穩(wěn)定棄渣的劈裂強(qiáng)度和7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.45 MPa和5.13 MPa，集料種類對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能影響較??；28 d試件凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失為97%～98%，具有良好的抗凍性；隧道花崗巖棄渣的溫縮性能優(yōu)于水泥穩(wěn)定片麻巖、石灰?guī)r；當(dāng)水泥穩(wěn)定棄渣最佳水泥用量為4%、最大干密度為2.334 g/cm3、最佳含水量為4.8%時(shí)，滿足基層材料的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：道路工程；隧道花崗巖棄渣；水泥穩(wěn)定碎石；路用性能；耐久性

中圖分類號(hào)：U416.214A300994

0 引言

隨著公路工程的大規(guī)模建設(shè)，隧道開(kāi)挖會(huì)產(chǎn)生大量的棄渣［1］。目前隧道棄渣多采用就地掩埋或設(shè)置棄土場(chǎng)堆放的方法進(jìn)行處置。這種簡(jiǎn)單的處理方式不僅占用土地，而且導(dǎo)致自然資源浪費(fèi)［2］。因此，將隧道花崗巖棄渣在高速公路中進(jìn)行高值化應(yīng)用［3］，既可以變廢為寶，充分發(fā)揮花崗巖的良好力學(xué)性能，又能夠降低成本，解決部分地區(qū)優(yōu)質(zhì)石料短缺的問(wèn)題。

花崗巖具有優(yōu)良的力學(xué)性能，且抗腐蝕能力強(qiáng)，常用于建筑材料?；谒喾€(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度和收縮特性［4-5］，文應(yīng)等［6］研究表明花崗巖機(jī)制砂在水泥穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用的可行性。李小龍［7］將花崗巖作為水泥穩(wěn)定碎石的主要集料，其力學(xué)性能提高顯著，抗裂性能大幅加強(qiáng)。目前，隧道棄渣在公路工程中的應(yīng)用取得了較好的發(fā)展。陳建行［8］依托汕湛高速公路，將隧道棄渣成功應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石基層，表明骨料的生產(chǎn)工藝是影響水泥穩(wěn)定碎石性能的關(guān)鍵指標(biāo)。李哲等［9］通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)研究表明，風(fēng)化花崗巖水泥穩(wěn)定基層的水泥摻量以4%～5%為宜，能夠滿足高等級(jí)公路底基層的強(qiáng)度要求。黃法禮等［10］研究了多種隧道棄渣的特性，分析了將其應(yīng)用在公路建設(shè)中可能存在的難點(diǎn)，如不同區(qū)域產(chǎn)生的隧道棄渣差異較大、開(kāi)挖方式的不同導(dǎo)致隧道棄渣集料形狀大小離散性過(guò)高。

綜上所述，結(jié)合遵秦高速公路建設(shè)實(shí)際，本研究首先測(cè)試分析花崗巖棄渣的物理性能，然后通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)與7 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定最大干密度、最佳含水量和最佳水泥用量，并通過(guò)間接抗拉試驗(yàn)、抗壓回彈模量試驗(yàn)、凍融試驗(yàn)、干縮和溫縮試驗(yàn)測(cè)定水泥穩(wěn)定棄渣碎石的路用性能，并與實(shí)際工程常見(jiàn)的水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石和片麻巖碎石的路用性能進(jìn)行對(duì)比，為遵秦高速公路建設(shè)資源化利用隧道棄渣，建設(shè)高品質(zhì)水泥穩(wěn)定基層提供技術(shù)支撐。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用河北產(chǎn)42.5R水泥，隧道花崗巖棄渣來(lái)源于遵秦高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)加工后的花崗巖棄渣呈現(xiàn)淺肉色、淺綠色、灰色不規(guī)則長(zhǎng)方體。

隧道花崗巖棄渣的物理性質(zhì)如表1所示，壓碎值、針片狀含量等物理性質(zhì)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求［11］，可用于高速公路基層建設(shè)。

1.2 集料級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）對(duì)隧道花崗巖棄渣進(jìn)行篩分，每檔料進(jìn)行多次篩分，然后取其平均值。試驗(yàn)篩除gt;31.5 mm的超粒徑顆粒。篩分試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)圖1所示，均滿足規(guī)范要求［12］。

隧道花崗巖棄渣的級(jí)配直接影響水泥穩(wěn)定基層的性能。骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)依靠粗集料形成骨架，細(xì)集料填充粗集料之間的空隙，水泥和細(xì)集料能夠裹附在粗集料表面，提高了混合料的整體穩(wěn)定性。本文主要采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配，0～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19∶19～26.5 mm各檔料所占整體集料質(zhì)量的百分比為35∶19∶34∶1 具體級(jí)配如圖2所示。

1.3 最大干密度和最佳含水量

通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水率和最大干密度，使其達(dá)到最大壓實(shí)度。按照集料公稱最大粒徑為26.5 mm，選擇重型擊實(shí)試驗(yàn)方法。水泥用量初步設(shè)定分別為3%，4%，5%，6%，含水量區(qū)間分別為4%，4.5%，5%，5.5%，6%。不同水泥摻量下隧道花崗巖棄渣水泥穩(wěn)定基層的含水率-干密度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出水泥穩(wěn)定基層存在一個(gè)最佳含水率，合理的含水率能使集料表面潤(rùn)濕更加均勻，便于最大程度的壓實(shí)。含水率過(guò)大容易使集料發(fā)生滑移，同時(shí)也會(huì)增加收縮產(chǎn)生裂縫。當(dāng)水泥摻量從3%增加至5%時(shí)，試件最大干密度變化較小；當(dāng)水泥摻量從5%增加至6%時(shí)，最大干密度有明顯增加。這主要是由于水泥填充了集料間的空隙，使試件更加密實(shí)。

1.4 最佳水泥用量的確定

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是表征水泥穩(wěn)定碎石抗壓能力的重要指標(biāo)。采用靜壓法成型無(wú)機(jī)結(jié)合料圓柱形試件，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度如表2所示。

由表2可以看出，隨著水泥摻量的增加，試件的最佳含水率和抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)水泥摻量gt;4%時(shí)，隧道棄渣水泥穩(wěn)定基層能滿足強(qiáng)度要求，而最佳含水率的增大會(huì)導(dǎo)致基層自收縮和干燥收縮率增加，降低路面的耐久性。綜上，采用水泥摻量為4%，各項(xiàng)性能如表2所示。該配合比在滿足規(guī)范要求的情況下，擁有良好的強(qiáng)度同時(shí)也能降低經(jīng)濟(jì)成本。

2 路用性能研究

2.1 力學(xué)性能

試件采用靜力法［13］成型，采用試件尺寸為150 mm×150 mm的圓柱體進(jìn)行劈裂、凍融和抗壓回彈模量試驗(yàn)；制作100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件用于干縮和溫縮試驗(yàn)。選取相同水泥摻量的水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石、片麻巖碎石做對(duì)照。不同集料的水泥穩(wěn)定碎石間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

水泥穩(wěn)定隧道棄渣的劈裂強(qiáng)度為0.45 MPa，滿足規(guī)范［14］要求，同時(shí)不同集料制備的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度大致相同。表明在相同的配合比下，隧道棄渣花崗巖集料的指標(biāo)能夠滿足規(guī)范要求，可以應(yīng)用于高速公路的基層建設(shè)。

回彈模量用于評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定碎石剛度，一定程度上反映了水泥穩(wěn)定碎石的抗變形能力。如表4所示為不同集料的水泥穩(wěn)定基層抗壓回彈模量。從表4可以看出不同集料對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量影響較小，并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量不斷升高。在文獻(xiàn)［15］中探討了水泥穩(wěn)定碎石回彈模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，預(yù)估水泥穩(wěn)定隧道花崗巖棄渣90 d的抗壓回彈模量可以gt;1 300 MPa，滿足規(guī)范要求。

2.2 抗凍性能

材料的抗凍性一般通過(guò)一定次數(shù)凍融循環(huán)后強(qiáng)度的降低情況來(lái)表征。采用養(yǎng)護(hù)28 d的試件經(jīng)5次凍融循環(huán)后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與未凍試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比作為抗凍指標(biāo)，如式（1）所示。不同集料水泥穩(wěn)定碎石的凍融強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

BDR=（RDC／RC）×100（1）

式中：BDR——經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度損失（%）；

RDC——n次凍融循環(huán)后試件的抗壓強(qiáng)度（MPa）；

RC——未凍融試件的抗壓強(qiáng)度（MPa）。

從表5可看出，凍融循環(huán)后的試件抗壓強(qiáng)度有一定程度的降低，水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)的水經(jīng)過(guò)反復(fù)凍結(jié)、融化后使試件本身的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響試件的強(qiáng)度。不同集料的水泥穩(wěn)定碎石7 d凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度的損失為93%～94%；養(yǎng)護(hù)28 d的試件凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失為97%～98%。這表明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水泥不斷水化填充集料空隙，加強(qiáng)了集料與水泥的界面過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)，從而提高抗凍性。

2.3 干縮和溫縮特性

采用100 mm×100 mm×400 mm中梁試件進(jìn)行15 d干縮試驗(yàn)，試驗(yàn)每天讀取千分表一次，直到試驗(yàn)結(jié)束。每組配合比制備6個(gè)試件，其中3個(gè)用于干縮變形測(cè)試，另外3個(gè)用于測(cè)試質(zhì)量損失。

水泥穩(wěn)定花崗巖碎石干縮試驗(yàn)結(jié)果如表6和下頁(yè)表7所示。由表6可知，隨著齡期的延長(zhǎng)，隧道棄渣水泥穩(wěn)定基層的累計(jì)失水率逐漸增加，但失水速率逐漸降低。前期試件與養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度梯度大，濕度差導(dǎo)致水分喪失速率較快。水泥早期水化速率較快也會(huì)加快水分的減少。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試件內(nèi)部形成的濕度梯度逐漸增大，使試件內(nèi)部中心處的濕度開(kāi)始下降。干縮系數(shù)與干縮應(yīng)變有相似的增長(zhǎng)規(guī)律。水泥穩(wěn)定花崗巖碎石早期的干縮系數(shù)增長(zhǎng)較快，隨后趨于平緩，主要是由于水分蒸發(fā)過(guò)快和水泥水化綜合作用。

由表7可知，隧道花崗巖棄渣及片麻巖與石灰?guī)r的干縮結(jié)果相近，隧道花崗巖棄渣水泥穩(wěn)定基層的干縮性能較好，表明水泥穩(wěn)定基層的集料種類對(duì)干縮性能的影響較低。

不同碎石類型的水泥穩(wěn)定基層溫縮試驗(yàn)結(jié)果如表8和表9所示。由表8～9可知，碎石種類對(duì)水泥穩(wěn)定基層的溫縮性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，但影響很小。隧道花崗巖棄渣水泥穩(wěn)定基層的平均溫縮系數(shù)低于片麻巖、石灰?guī)r水泥穩(wěn)定基層，溫縮性能優(yōu)于兩種以上碎石。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)過(guò)破碎后的隧道花崗巖棄渣的壓碎值、針片狀含量、吸水率等物理性質(zhì)滿足基層材料的技術(shù)要求。

（2）水泥穩(wěn)定隧道棄渣最佳水泥用量為4%、最大干密度為2.334 g/cm3、最佳含水量為4.8%，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.13 MPa時(shí)，滿足水泥穩(wěn)定碎石的技術(shù)要求。

（3）水泥穩(wěn)定隧道棄渣的劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性等路用性能均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，表明集料的物理力學(xué)性能在滿足規(guī)范要求的情況下，集料的種類對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能影響較小。

（4）水泥穩(wěn)定隧道棄渣的干縮系數(shù)穩(wěn)定保持在60～80×10-6，15 d平均干縮系數(shù)為73.19×10-6，平均溫縮系數(shù)為8.38×10-6·℃- 相比石灰?guī)r碎石和片麻巖碎石的水泥穩(wěn)定基層，水泥穩(wěn)定隧道棄渣的抗溫縮性能更強(qiáng)。

（5）水泥穩(wěn)定隧道花崗巖棄渣各項(xiàng)路用性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］李文霞，謝曉杰，王永貴.隧道棄渣在公路路基施工中的應(yīng)用研究［J］.公路工程，2019，44（6）：177-182.

［2］李 果.隧道施工對(duì)鄰近交通結(jié)構(gòu)物的影響研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

［3］ROSSANA B.，F(xiàn)ABRIZIO B.，PIERPAOLO O.，et al.Main Aspects of Tunnel Muck Recycling［J］.American Journal of Environmental Sciences，201 7（4）：338-347.

［4］SHALABI F I，MAZHER J，KHAN K，et al.Cement-stabilized Waste Sand as Sustainable Construction Materials for Foundations and Highway Roads［J］.Materials，2019，12（4）：600.

［5］MARTINEZ-ECHEVARRIA M J，LOPEZ-ALONSO M，GARACH L，et al.Crushing Treatment on Recycled Aggregates to Improve Their Mechanical behaviour for Use in Unbound Road Layers［J］.Construction and Building Materials，2020（263）：120517.

［6］文 應(yīng)，李玉標(biāo)，羅文杰，等.花崗巖機(jī)制砂在水泥混凝土中的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)研究，2020，5（19）：120-121.

［7］李小龍.柔性基層用花崗巖瀝青混合料的制備和性能研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［8］陳建行.隧道棄渣在水泥穩(wěn)定碎石基層中的路用性能研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2020.

［9］李 哲，謝永利.水泥穩(wěn)定花崗巖風(fēng)化料強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.公路，2008（8）：206-209.

［10］黃法禮，李化建，王 振，等.隧道洞渣建筑材料資源化應(yīng)用研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題分析［J］.中國(guó)鐵路，2019（8）：14-18.

［11］JTG E42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［12］JTG/TF20-2015，公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則［S］.

［13］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［S］.

［14］JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［15］MOHAMMADINIA A，ARULRAJAH A，DISFANI M M，et al.Small-Strain Behavior of Cement-Stabilized Recycled Concrete Aggregate in Pavement Base Layers［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2019，31（5）：04 019 044.

收稿日期：2023-10-12

基金項(xiàng)目：河北省遵秦高速科技示范工程項(xiàng)目“隧道開(kāi)挖花崗巖棄渣在高速路建設(shè)中的應(yīng)用技術(shù)研究”（編號(hào)：RP2021003700）

作者簡(jiǎn)介：蔣永祥（1973—），博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事道路材料研究工作。