水泥穩定火山巖碎石體積及力學性能研究

趙 勇，蔣金城，曹小沖，韓石磊，劉玉芹

（1.云南省建筑科學研究院有限公司，昆明 650223；2.云南省建設投資控股集團有限公司，昆明 650599；3.云南省建筑結構與新材料企業重點試驗室，昆明 650223；4.昆明市建筑工程結構安全和新技術重點實驗室，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優勢，是我國瀝青路面的主要基層類型[1]。在“強基薄面”理念引導下，我國瀝青路面半剛性基層主要采用水泥穩定碎石（簡稱水穩碎石）材料[2]。集料是水泥穩定碎石的主要材料之一，對水穩碎石施工和易性、密實性和強度等具有重要影響。當前，水穩碎石中主要采用石灰巖集料。然而，隨著環境保護力度加大和石灰巖集料資源日趨枯竭，鐵尾礦、火山巖、砂巖等非常規集料用于水泥穩定碎石的工程需求日益提升，受到行業的極大關注[3]。

火山巖是火山噴發過程中巖漿在急驟冷卻后，由于壓力的急劇減小，內部氣體迅速溢出膨脹而形成的一種有密集氣孔的玻璃質熔巖[4-6]。火山巖氣孔體積往往占巖石體積的50%以上，因孔隙多、質量輕、能浮于水面又被稱為浮石。目前，火山巖集料用于水穩碎石中的研究和應用相對較少，且其技術性能相比傳統石灰巖、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致其混合料體積和力學性能與基于傳統集料的水穩碎石性能存在差異。因此，針對火山巖集料，將其資源化利用于水泥穩定碎石的適用性、基于該集料的水泥穩定碎石相比常規石灰巖水泥穩定碎石的技術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火山巖集料，基于現行規范設計水泥穩定火山巖碎石。在此基礎上，通過室內試驗對比分析火山巖水泥穩定碎石與傳統石灰巖水泥穩定碎石的體積（最佳含水率、最大干密度）和力學特性（無側限抗壓強度）。本研究的開展，可為火山巖集料在水穩碎石材料中的資源化利用奠定較好的試驗基礎，對進一步實現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

水泥是水泥穩定碎石的主要膠結材料，本研究采用P·C42.5 復合硅酸鹽水泥，其主要技術性能見表1。

表1 P·C42.5 復合硅酸鹽水泥主要技術性能

1.1.2 集料

采用云南騰沖地區火山巖粗、細集料，并與公路水泥穩定碎石常用的石灰巖集料技術性能進行比較。兩類石料的粗、細集料技術性能分別見表2、表3。

表2 火山巖、石灰巖粗集料技術性能

表3 火山巖、石灰巖細集料技術性能

由表2 可知，相比于石灰巖集料，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有規范技術要求，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構，其表觀相對密度相比石灰巖集料明顯較低，而吸水率顯著較大。

表3 所示結果表明，相比石灰巖，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巖細集料也相對較差。

1.2 水泥穩定火山巖碎石配合比設計

1.2.1 級配設計

根據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》針對高等級公路推薦的水泥穩定碎石級配范圍（C-B-1），設計級配如圖1 所示。為便于比較，不同集料類型和水泥摻量條件下，水穩碎石混合料統一采用該目標級配進行逐檔配料。

圖1 水泥穩定碎石目標級配

1.2.2 水泥用量

根據JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》及JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的要求設計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，對應最佳含水率分別為5.2%、5.2%、5.4%、5.5%和5.6%。

此外，根據前述試驗規程，對不同水泥摻量的水穩碎石在最佳含水率條件下靜壓成型并進行養護。養護采用標準養護6 d、泡水1 d，養護條件為溫度20±2℃，濕度大于等于95%。然后，通過試驗試驗，測定各水泥穩定碎石試樣的無側限抗壓強度。綜合考慮設計要求（設計強度為4.5 MPa）以及經濟性等因素，5.5%水泥摻量7d 無側向強度代表值5.0 MPa 大于等于設計值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%為火山石水泥穩定碎石最佳水泥摻量。

1.3 試驗方法

為明確水泥穩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巖兩種不同集料的水穩碎石體積特性，本研究依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，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定碎石的干密度。

同時，為對比分析水泥穩定火山巖碎石力學特性，根據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》，采用靜壓法制備Φ150 mm×150 mm 圓柱體試件，并進行標準養生后測定其7 d 無側限抗壓強度（T 0805—1994《無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗方法》）。

2 水泥穩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，水泥穩定火山巖碎石和水泥穩定石灰巖碎石的最佳含水率和最大干密度，結果分別如圖2、圖3 所示。

圖3 不同水泥摻量條件下水穩碎石最大干密度

由圖2 可知，隨著水泥摻量的增大，水穩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定碎石的和易性。

此外，從圖2 結果可明顯看出，相比石灰巖，水泥穩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、石灰巖兩類石料的水穩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相比石灰巖，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，兩類石料對應水穩碎石的最大干密度均呈線性增大趨勢。水泥穩定碎石主要由粗集料構成的骨架結構和填充于其空隙中的水泥砂漿構成，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。

相比石灰巖基水泥穩定碎石，火山巖基水泥穩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 不同集料水穩碎石最大干密度相關性

3 水泥穩定火山巖碎石力學特性

通過前述無側限抗壓強度試驗，測得不同水泥摻量條件下，水泥穩定火山巖碎石和水泥穩定石灰巖碎石的7d無側限抗壓強度，并計算其強度代表值，結果如圖5 所示。

圖5 水穩碎石7d 無側限抗壓強度比較

由圖5 可知，隨著水泥摻量增大，兩類水穩碎石的強度代表值均呈線性增大趨勢。相比石灰巖水穩碎石，火山巖水穩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象較為嚴重、水化不充分，進而導致水泥漿體粘結能力較弱、水泥穩定碎石強度偏低。不僅如此，由圖5 所示擬合線型變化趨勢可知，相比石灰巖，火山巖集料水穩碎石的7 d無側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，石灰巖、火山巖水穩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 強度設計要求，火山巖水穩碎石需在石灰巖水穩碎石基礎上增加1%水泥用量。

4 結論

本研究通過重型擊實試驗和7 d 無側限抗壓強度試驗，試驗對比了火山巖、石灰巖兩類集料體系下，水泥穩定碎石的體積和力學性能，主要結論如下：

1）相比石灰巖集料，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。相比石灰巖，水泥穩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，水泥穩定火山巖碎石7 d 無側限抗壓強度呈線性增大趨勢。相比石灰巖水穩碎石，火山巖水穩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 強度設計要求，火山巖水穩碎石（最低水泥摻量5.5%）需在石灰巖水穩碎石（最低水泥摻量4.5%）基礎上增加1%水泥用量。