淺變質(zhì)巖在路面水穩(wěn)基層中的應用

■舒 誠

（中交一公局廈門工程有限公司，廈門 361021）

我國中西部地區(qū)存在著大量的淺變質(zhì)巖，由于淺變質(zhì)巖普遍具有潛在堿活性， 故很少應用于環(huán)境總堿含量高的混凝土工程[1-2]，而路面工程水穩(wěn)基層的水泥用量較少， 環(huán)境總堿含量相較于其他結構較低，不易發(fā)生堿集料反應。 由于《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）未對基層用水泥穩(wěn)定材料級配碎石的堿活性指標進行規(guī)定， 目前關于堿骨料應用于路面基層水泥穩(wěn)定碎石的相關研究較少， 因而淺變質(zhì)巖應用于路面水泥穩(wěn)定碎石基層的情況較少[3-5]。 若淺變質(zhì)巖可以成功應用于水穩(wěn)基層， 不僅可以解決在建工程原材緊缺的問題，還能減少工程建設成本。 因此，研究淺變質(zhì)巖在路面水泥穩(wěn)定碎石基層材料應用是有必要的。

本文通過室內(nèi)分析試驗，研究淺變質(zhì)巖集料的物理性能、堿活性、無側限抗壓強度等關鍵指標是否滿足施工技術要求，分析淺變質(zhì)巖在路面水穩(wěn)基層應用的可行性，并對現(xiàn)場淺變質(zhì)巖基層試驗段取芯進行質(zhì)量驗證，以期為淺變質(zhì)巖在路面工程水穩(wěn)基層中的應用提供技術參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥采用貴州三都西南水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O 42.5， 主要性能指標如表1所示。

表1 水泥主要性能指標

骨料選取由淺變質(zhì)巖破碎的粗骨料和細骨料，淺變質(zhì)巖主要是板巖，多為絹云母板巖、砂質(zhì)絹云母板巖、硅質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖和粉砂質(zhì)板巖。

1.2 試驗方法

淺變質(zhì)巖的基本飽和抗壓強度指標按照《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG/T E41-2005)相關規(guī)定進行。

粗細集料的基本物理性能指標按照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）相關規(guī)定進行。

淺變質(zhì)巖水穩(wěn)碎石路面基礎配合比設計及相關試驗按照《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）規(guī)定進行。

2 結果與分析

2.1 淺變質(zhì)巖集料試驗結果與分析

2.1.1 集料巖相分析

為了更加深入地了解不同淺變質(zhì)巖的堿活性，對收集的淺變質(zhì)巖試樣進行了巖相分析，分析結果如表2、圖1 所示。

表2 試樣礦物組成分析結果

根據(jù)表2 和圖1 可知， 試樣為變余粉-細砂質(zhì)泥質(zhì)結構，變余層理構造。 巖石系粉-細砂質(zhì)粘土巖經(jīng)后期變質(zhì)作用形成，粘土礦物部分重結晶為細小鱗片狀絹云母，粒度（長軸）<0.1 mm，略具定向分布，碎屑以石英為主，含少量長石，碎屑顆粒邊緣多較為模糊，粒度多在0.03～0.2 mm，少量條片狀白云母，粒度約0.1 mm，具長軸定向分布，少量綠泥石呈細小鱗片狀集合體分布， 他形粒狀方解石， 粒度0.01～0.15 mm。 故所取巖石樣品為粉-細砂質(zhì)絹云粘土板巖，主要由粘土礦物、石英、方解石及含量1%以下的白云母、長石、綠泥石、褐鐵礦和碳質(zhì)組成，巖石樣品都為硅酸類巖石，含潛在堿-硅酸類堿活性反應。

圖1 試樣巖相分析圖

2.1.2 集料物理性能分析

為了更深入地了解淺變質(zhì)巖集料的基本性能，判定淺變質(zhì)巖能否滿足水穩(wěn)碎石基層的使用要求，對淺變質(zhì)巖集料進行物理性能試驗， 試驗結果見表3～6。

表3 淺變質(zhì)巖母巖單軸抗壓強度

表4 粗集料性能指標

表5 細集料性能指標

表6 水煮及切割斷面試驗結果

從表3～6 可以看出，淺變質(zhì)巖母巖單軸抗壓強度較高，飽和抗壓強度達到了81.4 MPa，屬于硬質(zhì)巖，淺變質(zhì)巖集料的壓碎值、針片狀含量、含泥量偏高。 為了保證淺變質(zhì)巖在水穩(wěn)基層的質(zhì)量，對淺變質(zhì)巖集料單獨增加了水煮試驗（4×24 h）及切割斷面分析試驗，結果表明淺變質(zhì)巖集料水煮前后壓碎值變化較小，均滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中對高速公路和一級公路中用作基層的集料的相關要求。

2.2 水泥穩(wěn)定基層混合料試驗結果與分析

為了驗證淺變質(zhì)巖作為公路路面基層或底基層材料的可行性，在分析變質(zhì)巖的原材料性能滿足基層和底基層的使用要求后，對水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石混合料的路用性能進行進一步研究。 為有更完整的對比結果， 對變質(zhì)巖集料采用多用養(yǎng)護方式，進行無側限抗壓強度試驗，依據(jù)試驗結果判定變質(zhì)巖應用于水泥穩(wěn)定碎石基層的可行性。

擊實試驗中以水泥摻量3%、4%、5%進行試驗，確定最佳含水量、最大干密度。 試驗結果如表7 所示。

表7 最佳含水率和最大干密度試驗結果

根據(jù)擊實試驗確定的最大干密度和最佳含水量，進行φ150 mm×150 mm 圓柱體試件的成型和養(yǎng)生，試件養(yǎng)生到期后，按照無機結合料穩(wěn)定材料無側限抗壓強度試驗方法進行試驗，測得每組試件的7 d、14 d 和28 d 無側限抗壓強度。為避免級配差異對試驗結果產(chǎn)生影響，配合比均采用單級配以減少級配原因引起的誤差，并采用了6 種養(yǎng)生方法以減少偶然性誤差，試驗結果如表8 所示。

表8 水泥穩(wěn)定層混合料的試驗結果

由表8 可得， 水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石混合料7 d無側限抗壓強度在4.2～5.8 MPa，14 d 無側限抗壓強度在4.5～6.2 MPa，28 d 無側限抗壓強度在5.2～7.2 MPa，各齡期無側限抗壓強度均符合《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中的要求，證明了淺變質(zhì)巖碎石混合料在水穩(wěn)基層應用是可行的，具有優(yōu)越的力學性能，可以有效保障路面水穩(wěn)碎石基層工程質(zhì)量。

3 淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層試驗段應用

貴州某高速公路路面基層結構形式為：37 cm水泥穩(wěn)定碎石基層＋20 cm 低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層（水泥劑量2.5%～3.0%）。 由于該工程工期短，工地距石灰?guī)r集料運距均在120 km 以上， 且進入現(xiàn)場的現(xiàn)有道路較窄，坡道多，雨季易塌方，部分小型橋梁限載等因素，運輸難以保障。 該工程沿線基本為上元古界下統(tǒng)的變質(zhì)巖， 如使用變質(zhì)巖作集料，材料供應、運輸?shù)葐栴}基本得到解決，工期也可得到有效保證。 此外，就地采用淺變質(zhì)巖，其綜合單價為40 元/m3，而采用石灰?guī)r綜合單價為137元/m3，采用淺變質(zhì)巖具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。

為了保證實際工程的質(zhì)量，在前期進行了變質(zhì)巖的原材料性能指標和水泥穩(wěn)定碎石基層混合料無側限抗壓強度試驗的基礎上，進行了淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層試驗段的鋪設，并對試驗段鉆芯取樣，進行了芯樣試件的無側限抗壓強度、堿活性反應加速模擬試驗，以及利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析芯樣經(jīng)過加速模擬堿骨料反應試驗14 d 后微觀形貌，以論證淺變質(zhì)巖集料在路面水泥穩(wěn)定碎石基層中的適用性。

3.1 試驗段芯樣力學性能分析

在試驗段的基層和底基層不同位置鉆芯取樣，并進行了7 d 無側限抗壓強度檢測， 檢測結果如表9 所示。

表9 芯樣7 d 無側限抗壓強度試驗結果

由表9 可知，淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層7 d 無側限抗壓強度均值為7.8 MPa， 大于設計要求4.5 MPa，淺變質(zhì)巖水穩(wěn)底基層均值為4.8 MPa， 大于設計要求3.5 MPa，均滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中對高速公路和一級公路基層和底基層的要求，證明淺變質(zhì)巖水穩(wěn)碎石基層具有良好的力學性能，可以滿足路面工程對水穩(wěn)基層的力學性能要求。

3.2 試驗段芯樣堿活性反應加速模擬試驗

基于快速砂漿棒法的原理，對所取試驗段水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層芯樣進行加速模擬堿骨料反應試驗。 取芯后將芯樣兩端切平，沿著芯樣圓柱體軸線將芯樣均勻的切成4 份，烘干后用環(huán)氧樹脂將螺釘粘結在芯樣兩端，每組芯樣取3 個外形較完整的試塊。 環(huán)氧樹脂膠完全固化后測量芯樣的初試長度，并放入80℃的恒溫水浴中養(yǎng)護，待到24 h 后取出并迅速量取芯樣的基準長度， 隨后放入80℃、1 mol/L 的NaOH 溶液中， 分別測其3 d、7 d、10 d和14 d 的試件膨脹率， 模擬后期堿集料反應的發(fā)展規(guī)律。 試驗結果如表10 和圖2 所示。

表10 淺變質(zhì)巖芯樣堿活性試驗結果

圖2 淺變質(zhì)巖芯樣堿活性試驗膨脹率

由表10 和圖2 可知， 試驗段淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層芯樣經(jīng)過試驗后，雖然各組芯樣的膨脹率均隨著時間的延長而增大，但各組芯樣的14 d 膨脹率均低于0.1%，其中最大值為0.093%，表明淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層結構物芯樣未發(fā)生堿集料反應。

3.3 SEM 微觀分析

關于堿活性膨脹機理，目前主要解釋為集料中的活性SiO2與孔溶液中的堿在集料與水泥石界面上生成堿-硅酸凝膠，多為蜂窩狀，具有較強的吸水腫脹性， 當腫脹產(chǎn)生的應力超過混凝土的強度時，將導致混凝土開裂。 因此，通過觀測骨料周圍形貌，分析骨料-水泥石界面產(chǎn)物組成， 可判斷是否有堿集料反應發(fā)生。

利用掃描電子顯微鏡（SEM）分析水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層基層的芯樣經(jīng)過加速模擬堿骨料反應試驗14 d 后試件樣品表面微觀形貌，同時分析骨料和基體界面、凝膠水化產(chǎn)物，以及Ca(OH)2和鈣釩石解離質(zhì)的分布，結果見圖3～4。

圖3 為水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層芯樣試件中骨料-漿體界面的粘接狀態(tài)，據(jù)圖3（a）可看出淺變質(zhì)巖骨料與水泥漿體之間的粘接較為緊密，且無明顯裂紋。 隨后針對淺變質(zhì)巖骨料與水泥漿體的界面過渡區(qū)（ITZ）進行放大觀測分析，由圖3（b）可以明顯地發(fā)現(xiàn)在其ITZ 處存在一定量的Ca（OH）2和水化鈣礬石，但未發(fā)現(xiàn)類似堿骨料反應產(chǎn)生的蜂窩狀的堿-硅酸凝膠， 表明水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層試件中未發(fā)現(xiàn)疑似堿骨料反應。 結合圖4 可知，水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層試件中存在明顯的AFt、Ca（OH）2和C-S-H 凝膠，且粘接緊密，從而表明淺變質(zhì)巖骨料用于水泥穩(wěn)定碎石基層試件中可使得骨料與水泥漿體的粘接緊密，整體結構緊湊。

圖3 水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層芯樣樣品骨料-漿體界面過渡區(qū)SEM 圖

圖4 水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層芯樣樣品水化產(chǎn)物SEM 圖

綜合上述分析得出，試驗段淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層沒有發(fā)生堿集料反應的原因有2 個：（1）水泥穩(wěn)定基層的水泥用量較低，較難滿足堿集料反應所需要的“足夠的堿溶液環(huán)境”條件；（2）雖然淺變質(zhì)巖骨料經(jīng)驗證為潛在堿-硅酸類堿活性反應， 但路面水泥穩(wěn)定碎石基層存在較多的孔隙，堿集料反應引起的膨脹不足以產(chǎn)生裂縫。因此淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層14 d內(nèi)并未發(fā)生堿集料反應。 淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層試驗段芯樣的各項指標均滿足設計要求，充分驗證了淺變質(zhì)巖骨料應用于水穩(wěn)基層質(zhì)量的可靠性。

4 結論

通過分析淺變質(zhì)巖骨料的巖性、 物理性能、堿活性， 以及淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層混合料的力學性能，對淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層試驗段取芯進行力學性能、堿活性反應加速模擬試驗和SEM 微觀試驗分析，得到以下結論：

（1）淺變質(zhì)巖主要為硅酸類巖石，其各項指標及水泥穩(wěn)定基層試驗段上、 下基層芯樣試件的7 d無側限抗壓強度均滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/TF20-2015）的要求。

（2）芯樣經(jīng)過模擬加速試驗后，淺變質(zhì)巖作為集料的水泥穩(wěn)定路面基層結構物芯樣的14 d 膨脹率均低于《預防混凝土堿骨料反應技術規(guī)范》（GB/T50733-2011）中要求的0.1%，表明水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石路面基層結構物芯樣暫未發(fā)生堿骨料反應。

（3）微觀分析表明，水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層中骨料與水泥漿體的粘接較為緊密、 結構緊湊，試件中存在明顯的AFt、Ca （OH）2和C-S-H 凝膠，且粘接緊密；水泥穩(wěn)定淺變質(zhì)巖碎石基層試件中未發(fā)現(xiàn)堿骨料反應。

（4）淺變質(zhì)巖骨料各項性能均能滿足路面工程水穩(wěn)基層對骨料的要求，淺變質(zhì)巖骨料基礎性能穩(wěn)定、力學性能優(yōu)異、不易在水穩(wěn)基層發(fā)生堿骨料反應，且淺變質(zhì)巖水穩(wěn)基層試驗段芯樣的各項指標均滿足設計要求，充分驗證了淺變質(zhì)巖骨料應用于水穩(wěn)基層質(zhì)量的可靠性。