水泥穩(wěn)定火山巖碎石體積及力學(xué)性能研究

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)重點試驗室，昆明 650223；4.昆明市建筑工程結(jié)構(gòu)安全和新技術(shù)重點實驗室，昆明 650223）

瀝青路面是我國高等級公路的主要路面形式，其中半剛性基層具有強度高、取材范圍廣、用料成本低等顯著的技術(shù)優(yōu)勢，是我國瀝青路面的主要基層類型[1]。在“強基薄面”理念引導(dǎo)下，我國瀝青路面半剛性基層主要采用水泥穩(wěn)定碎石（簡稱水穩(wěn)碎石）材料[2]。集料是水泥穩(wěn)定碎石的主要材料之一，對水穩(wěn)碎石施工和易性、密實性和強度等具有重要影響。當前，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)計水泥穩(wěn)定火山巖碎石。在此基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗對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（無側(cè)限抗壓強度）。本研究的開展，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基礎(chǔ)，對進一步實現(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)性能進行比較。兩類石料的粗、細集料技術(shù)性能分別見表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足現(xiàn)有規(guī)范技術(shù)要求，說明火山巖粗集料的強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)，其表觀相對密度相比石灰?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，火山巖細集料的密度較低且堅固性較差。此外，火山巖細集料棱角性相比石灰?guī)r細集料也相對較差。

1.2 水泥穩(wěn)定火山巖碎石配合比設(shè)計

1.2.1 級配設(shè)計

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

圖1 水泥穩(wěn)定碎石目標級配

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)細則》及JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》的要求設(shè)計4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%不同5個水泥摻量分別在含水量4.0%～7.0%（含水量間隔0.5%）下進行擊實成型，進而測得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)前述試驗規(guī)程，對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行養(yǎng)護。養(yǎng)護采用標準養(yǎng)護6 d、泡水1 d，養(yǎng)護條件為溫度20±2℃，濕度大于等于95%。然后，通過試驗試驗，測定各水泥穩(wěn)定碎石試樣的無側(cè)限抗壓強度。綜合考慮設(shè)計要求（設(shè)計強度為4.5 MPa）以及經(jīng)濟性等因素，5.5%水泥摻量7d 無側(cè)向強度代表值5.0 MPa 大于等于設(shè)計值4.5 MPa。同時，5.5%水泥摻量滿足中、粗粒材料拌合的最小摻量（3%）要求，并符合設(shè)計強度小于5.0 MPa 時的推薦摻量。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，同時為對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《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，采用重型擊實試驗測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，為對比分析水泥穩(wěn)定火山巖碎石力學(xué)特性，根據(jù)JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，采用靜壓法制備Φ150 mm×150 mm 圓柱體試件，并進行標準養(yǎng)生后測定其7 d 無側(cè)限抗壓強度（T 0805—1994《無機結(jié)合料穩(wěn)定材料無側(cè)限抗壓強度試驗方法》）。

2 水泥穩(wěn)定火山巖碎石體積特性

通過前述重型擊實試驗，測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，增長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性。

由圖3 可知，隨著水泥摻量的增大，兩類石料對應(yīng)水穩(wěn)碎石的最大干密度均呈線性增大趨勢。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性關(guān)系（圖4）。其主要原因是，火山巖集料密度相對較小，因而其混合料密度也相對較低。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、成型過程中，水泥砂漿無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

通過前述無側(cè)限抗壓強度試驗，測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無側(cè)限抗壓強度，并計算其強度代表值，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 水穩(wěn)碎石7d 無側(cè)限抗壓強度比較

由圖5 可知，隨著水泥摻量增大，兩類水穩(wěn)碎石的強度代表值均呈線性增大趨勢。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，火山巖集料表面開口空隙較多，其吸附水泥能力較強，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聚現(xiàn)象較為嚴重、水化不充分，進而導(dǎo)致水泥漿體粘結(jié)能力較弱、水泥穩(wěn)定碎石強度偏低。不僅如此，由圖5 所示擬合線型變化趨勢可知，相比石灰?guī)r，火山巖集料水穩(wěn)碎石的7 d無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加的增長幅度明顯較緩。當水泥摻量為5.5%時，石灰?guī)r、火山巖水穩(wěn)碎石的強度代表值分別為6.5 MPa 和5.0 MPa，后者降低幅度約為25%。為滿足4.5 MPa 強度設(shè)計要求，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

本研究通過重型擊實試驗和7 d 無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗對比了火山巖、石灰?guī)r兩類集料體系下，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較小、強度和抗磨耗性能較低而吸水率相對較大。

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。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 無側(cè)限抗壓強度呈線性增大趨勢。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度明顯較低，且水泥摻量越大則二者差距越顯著。為滿足4.5 MPa 強度設(shè)計要求，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。