火山渣改性路基材料最優(yōu)配比試驗(yàn)研究

陸振盛

摘要：火山噴發(fā)附帶大量的火山渣等物質(zhì)，將其合理利用能有效緩解部分地區(qū)地產(chǎn)材料貧乏的難題。文章以粗顆粒含量在70%以上的火山渣和黏土為原材料，混合得到火山渣改性路基材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)材料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，探究其擊實(shí)特性。研究結(jié)果表明：火山渣與黏土質(zhì)量的最佳比例為40[DK]∶60;在最佳比例下，材料的水穩(wěn)定性和回彈模量在一定的擊實(shí)次數(shù)下均能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：火山渣;黏土;回彈模量;路基材料

0 引言

地球上許多國(guó)家都存在火山，火山噴發(fā)不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，其附帶的產(chǎn)物火山灰也是數(shù)量巨大?；鹕交腋鶕?jù)粒徑大小的不同可以劃分為三類(lèi)物質(zhì)，分別為細(xì)灰、火山砂和火山渣[1-2]，其中火山渣含量較多，粒徑最大，比較容易開(kāi)采，因此有很多學(xué)者對(duì)火山渣的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，研究表明可以將其大量運(yùn)用在路基工程中[3-4]，這不僅能節(jié)約普通路基材料開(kāi)采的成本，還能起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。

火山渣由于是在火山噴發(fā)高溫條件下形成的，因此其存在孔洞較多、透水性能好、密度較小和抗凍性好等特點(diǎn)，外觀與煤矸石十分相似[5]。將其作為路基填料需要掌握一定的控制指標(biāo)[6-9]，如利用干密度和最優(yōu)含水率設(shè)計(jì)最佳的級(jí)配，利用加州承載比（CBR）和回彈模量驗(yàn)證材料的質(zhì)量和強(qiáng)度。不同等級(jí)的道路強(qiáng)度要求如表1所示[7]。

本次室內(nèi)試驗(yàn)采用的火山渣級(jí)配較差，粗顆粒含量占比在70%以上，而通過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)[10-11]，火山渣作為路基填料時(shí)，在相同的擊實(shí)功下，隨著粗顆粒比例的增加，材料的最大干密度會(huì)逐漸減小，孔隙率逐漸增大。正是由于這樣的特點(diǎn)，需要對(duì)火山渣路基填料進(jìn)行改性，如向材料中摻入一定比例的細(xì)粒土來(lái)改善其特性。本文的主要研究目的就是研究火山渣中加入不同比例細(xì)粒土后基本物理力學(xué)性能的變化。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了便于說(shuō)明和分析，將粒徑<4.74 mm的顆粒定義為細(xì)顆粒，將粒徑范圍在4.74～31.40 mm之間的顆粒定義為粗顆粒，將粒徑>31.40 mm的顆粒定義為超大顆粒。本次試驗(yàn)選用的火山渣級(jí)配較差，粗顆粒含量占比在70%以上，粒徑<0.075 mm的顆粒含量更是<2%。

這樣的原材料注定其存在孔隙度較大、不容易被壓實(shí)、易被壓碎等諸多缺點(diǎn)，因此可以考慮將其作為骨架，向其中加入黏土充填其內(nèi)部孔隙，改善其性能，稱(chēng)為火山渣改性路基材料。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究黏土的最優(yōu)摻雜量，試驗(yàn)中向火山渣填料中加入不同比例的黏土，分別為總填料質(zhì)量的0、30%、40%、50%、60%和70%，以標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)試驗(yàn)制備試樣，然后測(cè)其最大干密度、最優(yōu)含水率和CBR值，選取最優(yōu)的黏土比例。最后以最優(yōu)的黏土比例制備試樣，測(cè)其水穩(wěn)定性和回彈模量值，驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足路基填料基本要求。

1.2 最優(yōu)摻量分析

通過(guò)對(duì)不同黏土摻量的火山渣改性路基填料進(jìn)行最大干密度、最優(yōu)含水率和CBR值測(cè)量試驗(yàn)，得到如表2所示的結(jié)果。由表2可知，隨著黏土含量的增加，火山渣改性路基填料的最大干密度、最優(yōu)含水率和CBR值的變化情況，如圖1和圖2所示。

從圖1中火山渣改性路基材料最大干密度和最優(yōu)含水率隨著黏土含量變化的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，隨著黏土含量的增加，火山渣改性路基材料的最大干密度先增大后減小，當(dāng)黏土含量為60%時(shí)，最大干密度為1.85 g·cm -3，相對(duì)黏土含量為0時(shí)的最大干密度1.23 g·cm -3而言，上升了50.4%，可見(jiàn)黏土的加入對(duì)于改善材料密度效果非常顯著。而隨著黏土含量的增加，火山渣改性路基材料的最優(yōu)含水率不斷上升，黏土含量為0和60%時(shí)，分別為9.8%和16.9%，上升了72.45%。

從圖2中可以看出，在不同的擊實(shí)次數(shù)下，隨著黏土含量的增加，材料的CBR值均是不斷減小的，這是因?yàn)轲ね临|(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，既減少了火山渣的含量，又減小了火山渣的孔隙率，在很大程度上改善了火山渣易被壓碎的特性，從而導(dǎo)致材料整體的承載能力增強(qiáng)。當(dāng)黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，在30次擊實(shí)下，材料的CBR值為12.5，達(dá)到了路基填料在最高等級(jí)道路中最小強(qiáng)度的要求。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，在黏土含量一定的情況下，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，材料的CBR值不斷增加，但是黏土含量越高，增大的幅度越小，這是因?yàn)楫?dāng)黏土含量較低時(shí)，火山渣孔隙率較大，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，被擊碎的概率和局部面積也在增大;但是當(dāng)黏土含量較高時(shí)，材料相對(duì)比較致密，不容易被擊碎，從而保證了材料的承載能力。另外還可以看出，當(dāng)黏土的含量到達(dá)60%后，隨著黏土含量的繼續(xù)增加，材料的CBR值降低幅度大大減小，即承載能力上升幅度減小。因此綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為黏土的最優(yōu)摻量為60%。

1.3 水穩(wěn)定性分析

路基材料抵抗水侵蝕的能力對(duì)于材料的穩(wěn)定性和耐久性是十分重要的。為了快速地判斷火山渣改性路基材料抵抗水侵蝕的能力，擬將材料放置在水中浸泡一定時(shí)間，隨后測(cè)量其CBR值，從而判斷其性能。結(jié)合上述最大干密度、最優(yōu)含水率和CBR值隨黏土含量變化的規(guī)律可知，黏土的最優(yōu)摻量為60%，因此在測(cè)量火山渣改性路基填料回彈模量時(shí)，選取的火山渣和黏土的質(zhì)量比為40：60。制備三組試樣，在水中浸泡的天數(shù)分別為4 d、5 d和6 d，隨后測(cè)量其在不同擊實(shí)次數(shù)下的CBR值，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，不同浸泡天數(shù)下材料的CBR值均逐漸增加，且與擊實(shí)次數(shù)近似成正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)擊實(shí)次數(shù)為98時(shí)，浸泡6 d的材料CBR值在16%左右，仍然滿(mǎn)足相關(guān)要求，因此只要控制擊實(shí)次數(shù)，材料完全可以保證其水穩(wěn)定性。

1.4 回彈模量結(jié)果分析

根據(jù)以往的研究可知，路基材料的回彈模量在衡量其抵抗外來(lái)荷載引起的變形方面具有十分重要的地位，為了研究火山渣改性路基材料抵抗外荷載的變形能力和長(zhǎng)期耐久性，需要對(duì)其回彈模量進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量火山渣改性路基填料回彈模量時(shí)，選取的火山渣和黏土的質(zhì)量比仍然為40：60，即最佳的黏土配比。擊實(shí)次數(shù)與材料回彈模量之間的關(guān)系如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，火山渣改性路基材料的回彈模量值不斷增大，但是當(dāng)擊實(shí)次數(shù)>98后，材料的回彈模量變化幅度較小，擊實(shí)次數(shù)為50和98時(shí)，材料的回彈模量變化幅度最大，分別為52 MPa和88 MPa，上升幅度高達(dá)69.2%，此時(shí)的回彈模量與碎石土作為路基材料時(shí)的回彈模量（49～101 MPa）十分接近，因此可以認(rèn)為當(dāng)擊實(shí)次數(shù)為98時(shí)火山渣改性填料擁有很好的抵抗變形的能力。

2 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)火山渣改性路基材料進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：（1）火山渣級(jí)配較差，粗顆粒占比70%以上;（2）通過(guò)研究不同黏土含量下改性材料的最大干密度、最優(yōu)含水率和CBR值，得到黏土的最優(yōu)摻量為60%;（3）在最優(yōu)黏土摻量下，材料的水穩(wěn)定性和回彈模量在一定擊實(shí)次數(shù)下均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，工程中保證擊實(shí)次數(shù)在98左右?；鹕皆鳛橐环N優(yōu)質(zhì)路基材料，完全可以應(yīng)用于道路工程。

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