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黄祯敏，郭威，王斯倩，殷勤
（1.江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330103；
2.湖南湘江新区未来智能科技发展有限公司，湖南 长沙 410000）
筑路消耗大量碎石材料，且不同公路等级、不同路面结构层位对碎石材料的技术要求不同，就地取材在一定程度上受到了限制，增加了筑路运输成本，同时大吨位碎石材料长运距运输增加了尾气污染物排放。半刚性基层沥青路面是我国等级公路最主要的路面结构形式，而水泥稳定碎石是应用最广泛的半刚性基层材料。谭雨和[1]研究了水泥稳定凝灰岩洞渣的力学性能和路用性能，於德美等[2]研究了砂水泥稳定凝灰岩机制级配碎石性能，论证了凝灰岩集料在半刚性基层中的适用性。凝灰岩集料亦可用于沥青层次，有关研究表明[3-6]，凝灰岩沥青混合料的高低温性能、水稳定性能较常用岩性集料沥青混合料有所改善，且凝灰岩沥青胶浆的高温性能优于石灰岩沥青胶浆。目前，凝灰岩碎石在高等级公路基层中的应用研究较少，不同地区凝灰岩路用特性差异较大。本文以赣南某料场加工生产的流纹质凝灰岩集料为被稳定对象，对比评价两种岩性水稳碎石混合料的击实特性、强度、抗冻性和水稳定性，论证凝灰岩碎石在高等级公路基层中的适用性，供类似工程项目应用参考。
在流纹质晶屑熔结凝灰岩集料加工厂对新加工粗骨料5mm～10mm、10mm～20mm 和20mm～30mm 碎石进行抽样检测，检测结果见表1。
由表1 可知，凝灰岩碎石的压碎值、针片状颗粒含量满足各交通等级高速公路、一级公路基层路用要求；
单档10mm～20mm、20mm～30mm 碎石的0.075mm 以下粉尘含量、软弱颗粒含量满足各交通等级高速公路、一级公路基层路用要求，但单档5mm～10mm 碎石0.075mm以下粉尘含量、软弱颗粒含量只能满足重、中、轻交通高速公路、一级公路基层路用要求。因此，加工后的凝灰岩集料可满足重、中、轻交通等级公路基层路用要求，但并不适用于极重、特重交通。
表1 流纹质凝灰岩加工集料技术性能
3.1 原材料试验
3.1.1 水泥
凝灰岩水泥稳定碎石用水泥采用瑞金万年青水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要技术指标检测结果见表2。
表2 凝灰岩水泥稳定碎石用P·O42.5水泥质量
3.1.2 集料物理性能
被稳定材料的物理性能见表3。
表3 水泥稳定碎石用集料物理性能
可以看出，路用凝灰岩集料密度较石灰岩集料密度小，吸水率大于石灰岩集料。
3.2 混合料组成设计
根据被稳定材料0～3mm、3mm～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm和20mm～30mm集料级配，以《公路路面基层施工技术细则》（JTGT F20-2015）中C-B-3级配范围中值作为期望级配，利用规划求解方法[9]确定各档集料掺配比例，合成级配如图1所示。
图1 不同岩性水泥稳定碎石合成级配曲线
通过规划求解及工程应用经验，确定凝灰岩水泥稳定碎石用0～3mm、3mm～5mm、5mm～10mm、10mm～20mm 和20mm～30mm 集料的掺配比例为22：4：20：29：25。对于高速公路，推荐采用C-B-1 和C-B-2 级配范围进行混合料设计[7]，此时0.075mm 通过率为2%～5%，主要考虑0～3mm 石屑中0.075mm 通过率一般较大，严格控制合成矿料级配中0.075mm 通过率将限制0～3mm石屑使用范围，不利于项目成本控制；
混合料合成矿料中0.075mm 通过率不宜超过5%，主要考虑水泥稳定类材料的抗裂性能，设计的凝灰岩水泥稳定碎石中0.075mm 筛孔通过率为3.0%。采用同样的方法确定石灰岩水泥稳定碎石矿料级配，作为凝灰岩水泥稳定碎石路用性能研究比较对象。
3.3 混合料击实特性
合成矿料中粒径大于19mm的颗粒含量超过10%，应采用丙法进行混合料击实试验[10]。根据凝灰岩水泥稳定碎石应用层位及工程经验，初选水泥剂量为3.5%、4.0%和4.5%，预定击实凝灰岩水泥稳定碎石混合料拌制用含水率依次为5%、6%、7%、8%、9%、10%；
石灰岩水泥稳定碎石混合料拌制用含水率依次为3%、4%、5%、6%、7%。按T 0804-1994 试验方法进行不同水泥剂量在不同预定含水率下的击实试验，击实曲线如图2所示。
图2 不同剂量水泥稳定不同岩性碎石击实曲线
由图2可知，凝灰岩水泥稳定碎石与石灰岩水泥稳定碎石的击实曲线变化趋势类似，总体呈先随含水率增加最大干密度快速增长，达到峰值后继续增加含水率最大干密度降低，但在最佳含水率之后最大干密度的降幅要小于最佳含水率之前最大干密度的增幅；
受不同岩性碎石密度、吸水率差异影响，表现出不同水泥剂量下水泥稳定不同岩性碎石混合料的最大干密度和最佳含水率存在显著差异，其中水泥稳定凝灰岩碎石的最佳含水率和最大干密度分别为水泥稳定石灰岩碎石的1.5 倍和0.9 倍。这是由于凝灰岩碎石的密度小，在被稳定材料吸水率、用水量相同的情况下，成型标准圆柱体试件含水率要大，凝灰岩碎石吸水率大，混合料拌制过程中部分水被自身吸水性大的材料吸入。
4.1 无侧限抗压强度
按T 0843-2009规定的方法制作Ф150mm×150mm标准圆柱体试件，水泥剂量分别采用3.5%、4%、4.5%，在温度20℃±2℃、湿度≥95%的标准养生室分别养生3d、7d、14d、28d、60d，在养生期的最后一天，将试件浸泡于20℃±2℃水中24h，测试不同水泥剂量、不同养护龄期水泥稳定不同岩性碎石无侧限抗压强度，测试结果如图3所示。
图3 不同水泥剂量水泥稳定碎石无侧限抗压强度随养生龄期的增长规律
由图3 可知，在不同水泥剂量下，凝灰岩水泥稳定碎石、石灰岩水泥稳定碎石无侧限抗压强度随着养生龄期增长均呈先快速增长后增长缓慢的规律，其中养生龄期小于7d 的无侧限抗压强度增长最快，7d 无侧限抗压强度可以达到28d 强度的70%以上；
相同养生龄期，增加水泥剂量，无侧限抗压强度增长显著，且随养生龄期增长，无侧限抗压强度对水泥剂量变化的增幅变大；
相同水泥剂量和养生龄期，石灰岩水泥稳定碎石的无侧限抗压强度大于水泥稳定凝灰岩碎石强度，代表强度差值在0.5MPa 以上；
以重交通高速公路基层为例，要求7d 龄期无侧限抗压强度标准值为4.0MPa～6.0MPa，凝灰岩水泥稳定碎石要求水泥剂量不小于4%，而3.5%水泥剂量石灰岩水泥稳定碎石无侧限抗压强度代表值大于标准值下限值4.0MPa。分析原因，凝灰岩碎石压碎值与石灰岩碎石压碎值相当，甚至高于石灰岩碎石，达到相同无侧限抗压强度凝灰岩水泥稳定碎石反而需要增加水泥剂量，说明水泥水化产物与熔结凝灰结构的凝灰岩碎石界面粘结强度相比石灰岩碎石较弱，增加0.5%水泥剂量的凝灰岩水泥稳定碎石无侧限抗压强度与石灰岩水泥稳定碎石相当。
4.2 劈裂强度
按T 0843-2009规定的方法制作Ф150mm×150mm标准圆柱体试件，水泥剂量分别采用3.5%、4%、4.5%，在温度20℃±2℃、湿度≥95%的标准养生室养生28d，在养生期的最后一天，将试件浸泡于20℃±2℃水中24h，测试不同水泥剂量28d 养护龄期水泥稳定不同岩性碎石劈裂强度，测试结果如图4所示。
图4 不同水泥剂量水泥稳定碎石28d劈裂强度
由图4 可知，增加水泥剂量，水泥稳定碎石28d 劈裂强度提高；
同一水泥剂量，凝灰岩水泥稳定碎石28d劈裂强度比石灰岩水泥稳定碎石小，增加水泥剂量，凝灰岩水泥稳定碎石与石灰岩水泥稳定碎石的28d 劈裂强度差值缩小；
凝灰岩水泥稳定碎石增加0.5%水泥剂量，其28d劈裂强度大于相差0.5%水泥剂量的石灰岩水泥稳定碎石劈裂强度。水泥剂量在4%及以上时，凝灰岩水泥稳定碎石7d 无侧限抗压强度代表值在4.0MPa以上，此时28d劈裂强度为水泥稳定石灰岩碎石的90%以上。
5.1 抗冻性
凝灰岩水泥稳定碎石、石灰岩水泥稳定碎石圆柱体试件标准养生28d后，不同岩性水泥稳定碎石材料各分两组，将第一组试件饱水24h，然后进行冻融循环试验。先放入-18℃的冰柜中持续冰冻16h，然后取出饱水8h，作为一个冻融循环，反复进行5次；
第二组试件作为对比组，标准养生28d 后，然后连续泡水6d。第一组试件经受5 次冻融循环作用后，同时取出两组试件，依次进行无侧限抗压强度试验。将经受冻融循环作用试件的抗压强度与未经受冻融循环作用试件抗压强度的比值为抗冻系数，抗冻系数越大则混合料抗冻性能越好。测试结果如图5所示。
图5 不同水泥剂量水泥稳定碎石28d抗冻系数
由图5可知，水泥剂量为3.5%、4%、4.5%时，凝灰岩水泥稳定碎石抗冻系数均小于石灰岩水泥稳定碎石，且随水泥剂量增加，凝灰岩水泥稳定碎石与石灰岩水泥稳定碎石的抗冻系数差值缩小。主要是因为凝灰岩碎石饱水后吸水率大，受冻后在试件内部产生更大的膨胀力，反复冻融后，试件内部受力损伤相对更大，表现出更低的抗冻系数，但随着水泥剂量增加，裹覆凝灰岩碎石的水化产物增加，一方面增强界面粘结力，另一方面可以减少水分吸收，表现出冻融循环后试件无侧限抗压强度降幅减小，即抗冻系数增大。
5.2 水稳定性
为研究公路基层材料强度随饱水时间的衰减规律，将水泥剂量为4%的凝灰岩水泥稳定碎石、石灰岩水泥稳定碎石圆柱体试件标准养生28d 后，分别浸泡1d、7d、14d、21d、28d，然后测试各试件在不同浸泡时间下的无侧限抗压强度，对比组为各级配相同龄期不泡水条件下测试的无侧限抗压强度，并以试验组试件的抗压强度与对比组试件抗压强度的比值为水稳定性系数，水稳定性系数越大，反映材料强度受水浸泡影响越小。测试结果如图6所示。
图6 不同浸泡时间水泥稳定碎石的水稳定性系数
由图6可知，浸泡28天内，凝灰岩水泥稳定碎石的水稳定性系数在93%以上，石灰岩大于95%，差值在2.5%以内；
延长浸泡时间，水稳定性系数降低，其中凝灰岩材料呈先较大幅度衰减，后趋向稳定的变化规律；
浸泡7d 内，凝灰岩水泥稳定碎石的水稳定性系数表现出对延长浸泡时间敏感，衰减幅度明显大于石灰岩材料。主要是因为凝灰岩碎石吸水率较大，随着浸泡时间的延长，试件内部短期吸水量较大，表现出水稳系数衰减速度快。
①5mm～10mm、10mm～20mm 和20mm～30mm 单档粗集料的压碎值、针片状颗粒含量及由该三档粗集料掺配而成的混合矿料0.075mm以下粉尘含量、软弱颗粒含量可以满足各交通等级高速公路、一级公路基层路用要求。
②凝灰岩水泥稳定碎石或石灰岩碎石击实曲线的变化规律相似，均呈先随含水率增加最大干密度快速增长，达到峰值后继续增加含水率最大干密度降低，且在最佳含水率之后最大干密度的降幅要小于最佳含水率之前最大干密度的增幅。
③凝灰岩碎石适用于重及以下交通高速公路、一级公路基层，同一应用层位，与石灰岩水泥稳定碎石相比，一般凝灰岩水泥稳定碎石需增加0.5%水泥剂量，此时设计的凝灰岩水泥稳定碎石劈裂强度、抗冻系数和水稳定性系数与石灰岩水泥稳定碎石差异较小。
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