玄武巖骨料路用性能研究進展

張立兵 朱月雷 李景春 陳衛(wèi)衛(wèi) 朱 賀 琚 琳 任啟芳 李金鵬 丁 益,3,4

（1 安徽省路橋工程集團有限責(zé)任公司；2 安徽建筑大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院）

（3 安徽省先進建筑材料工程實驗室；4 安徽省先進建筑材料國際聯(lián)合研究中心）

0 引言

骨料是混凝土中必不可少的材料，通常在混凝土中占70%～80%，對混凝土起到支撐作用和填充作用，是混凝土的骨架[1]。骨料粒徑對于混凝土性能有很大的影響，如抗壓強度、耐高溫性、流變性和抗斷裂性能等，其中抗壓強度隨骨料粒徑的變化主要是由于骨料粒徑對孔隙特性和膠凝體厚度的影響[2]；同時，不同的集料粒徑分布就會產(chǎn)生不同的級配，所以級配對于混凝土的性能影響也是極其重要[3]。骨料的種類可分為人工骨料、天然骨料和再生骨料。其中常用的天然骨料有石灰?guī)r、花崗巖和玄武巖等，其物理特性見表1，力學(xué)性質(zhì)見表2。玄武巖（見圖1）是由于火山噴發(fā)而冷卻凝固成的一種泡沫狀的巖石，主要化學(xué)成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO 等，其中SiO2約占40%～50%，其多孔氣狀的結(jié)構(gòu)也稱多孔玄武巖，不僅堅固耐用，而且隔熱和隔音效果也好，所以其被廣泛應(yīng)用于建材行業(yè)，充作混凝土的骨料；此外，玄武巖由于具有較高的抗壓強度、抗腐蝕性強，被廣泛用于公路和高速公路，也可用于機場的路面[4]。我國玄武巖分布比較廣泛，尤其安徽省滁州市玄武巖礦產(chǎn)資源比較豐富，距今發(fā)現(xiàn)的大約有1.68 億噸，可用的有3400 萬噸。如今混凝土行業(yè)也在迅速的發(fā)展[5]，但是由于天然的優(yōu)質(zhì)骨料缺乏，為了生產(chǎn)更環(huán)保、更經(jīng)濟的混凝土，大部分會選擇就地取材，因為玄武巖在我國分布較為廣泛，所以其在我國建筑材料中是一種常見的骨料了，特別是在公路和房屋建筑中被廣泛的使用。

圖1 玄武巖

表1 玄武巖及其他常用巖石的物理特性

表2 玄武巖及其他巖石一般力學(xué)特性指標(biāo)

由于玄武巖分布比較廣泛，而且其強度滿足施工規(guī)范、加工比較簡單、顆粒體型好等眾多優(yōu)點，所以被廣泛的應(yīng)用。對于多孔骨料用混凝土，因其對生態(tài)環(huán)境具有很好的作用，國內(nèi)外都在進行研究[6]，玄武巖作為多孔骨料，它的透水性能強，而且孔隙連續(xù)密集，可大部分作為道路地面、使污水進行凈化和吸聲材料等眾多行業(yè)領(lǐng)域中[7]。對于多孔的混凝土來說，其內(nèi)部所具有的細骨料比較少，大部分是粗骨料相互之間由水泥漿粘結(jié)而成，會具有分布均勻的孔隙，對于透水性能來說具有很強的效果。因此，對多孔玄武巖的利用是一個非常重要的問題。世界上約15%的玄武巖產(chǎn)量已被用于不同的領(lǐng)域，如混凝土、瀝青混合料，本文綜述了近年來玄武巖骨料作為道路工程材料的研究進展。

1 玄武巖的構(gòu)造及特性

玄武巖廣泛分布于全國各地，我國玄武巖主要以新生代玄武質(zhì)和二疊紀(jì)玄武質(zhì)為主,研究人員利用圖像處理技術(shù)，對我國中東地區(qū)的地質(zhì)情況進行了分析[8]，大部分的玄武巖有較多的孔隙，玄武巖中存在孔隙結(jié)構(gòu)和節(jié)理結(jié)構(gòu)，使玄武巖地基中的地下水流動性更好。特別是在新生代玄武巖中，其孔隙的分布情況可以很好防止地下水的徑流和排泄，對于人類的排水的設(shè)置應(yīng)用有很大的好處。

玄武巖的孔隙排布組成了全部的玄武巖含水層的地下水儲存，運輸和循環(huán)系統(tǒng)，賦予了玄武巖更好的滲透性能。玄武巖的分布與火山活動有關(guān)。由于火山的形成，就會產(chǎn)生玄武巖，火山的內(nèi)部和外部地質(zhì)應(yīng)力共同作用于下部地層。在不同的地質(zhì)年限，易流動,加上氣體噴發(fā)的影響，氣孔結(jié)構(gòu)的形成是其主要的結(jié)構(gòu)特征。玄武巖構(gòu)造形成是一個非常復(fù)雜的過程,會影響到巖漿的粘度、均勻性、凝結(jié)溫度、冷卻速率的變化、火山噴發(fā)的類型和強度以及當(dāng)時的古地理環(huán)境等各種各樣的因素。據(jù)目前研究，玄武巖構(gòu)造主要有以下幾種類型：塊狀構(gòu)造、孔隙(柱狀)構(gòu)造結(jié)構(gòu)、繩結(jié)構(gòu)、柱接頭結(jié)構(gòu)、杏仁結(jié)構(gòu)、枕結(jié)構(gòu)[9]。玄武巖氣孔構(gòu)造是由于玄武巖巖漿從地面噴發(fā)后，壓力急劇下降,氣體迅速冷卻，氣體從玄武巖中冒出，形成近乎橢圓形和圓形大小的氣孔時，稱為氣孔結(jié)構(gòu)。因為玄武巖本身的壓力隨著溫度的降低，熔巖中的揮發(fā)性組分聚集形成稱為原生孔隙的孔隙；當(dāng)本體孔在有外力的時候，會變?yōu)榇紊锥碵10]。原生孔洞的生成兩個關(guān)鍵的原因是：一是火山噴發(fā)產(chǎn)生的基本熔巖流，從火山口流出，壓力和溫度急劇下降，導(dǎo)致內(nèi)部揮發(fā)性成分不斷聚集，形成各種不同的儀表孔；另一種是巖漿在冷卻時結(jié)晶，其顆粒大小和形狀都是如此，在不同狀態(tài)的晶體框架中也可以形成不同尺寸的孔隙[11]。根據(jù)孔的直徑，可分為三種類型微孔、孔洞和洞穴。微孔形狀幾乎為圓形、橢圓形，少數(shù)出現(xiàn)不規(guī)則。洞是光滑的，一般填充不滿。隨著地質(zhì)年代的變化，氣孔不斷發(fā)育，直徑0.05～1.00mm。在其中部和底部有微小的氣孔，它們以個體分散的形式均勻分布，這些微小的氣孔是相互相通的。程榮對玄武巖的氣孔做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)了玄武巖氣孔的含量及大小分布情況[12]。玄武巖的氣孔構(gòu)造和含量決定了其本身的性質(zhì)，使其具有強度高，滲透性能好等性能，可以用于路面材料。

2 玄武巖骨料的道路工程應(yīng)用

2.1玄武巖骨料用混凝土

在19世紀(jì)末，國外開始使用混凝土路面，在20世紀(jì)初混凝土路面技術(shù)開始引入我國，剛開始被用于公路，然后逐漸用于機場跑道等其他路面。透水混凝土路面被研究的最為廣泛，其路面大多選用多孔骨料制備，玄武巖也是混凝土骨料的一種，我國的玄武巖比較豐富，所以許多學(xué)者對其有深入的研究，在我國南部海南省的玄武巖分布也是比較多的，為了對其充分利用，馬清清和陳平[13]把天然開采的玄武巖碎石，磨細成粉狀的玄武巖粉，加入混凝土中。這個實驗主要研究了摻入的玄武巖對混凝土的用水量，還有其強的和氯離子滲透效果的作用，實驗得到的結(jié)論是把占比30%玄武巖粉摻入混凝土中可使其強度滿足C45 混凝土的合格標(biāo)準(zhǔn)，而且對于氯離子的抗?jié)B透的效果有很明顯的提升。

李強等人[14]把玄武巖用作水膠比為0.38 的混凝土中做骨料，研究玄武巖混凝土的砂率、水膠比和骨料及鋼纖維對其抗壓強度、耐久性和工作性能的影響，實驗結(jié)果表明對于石灰?guī)r和玄武巖分別摻入混凝土中，使混凝土的流動性變大，混凝土用玄武巖的使自身的抗折強度和抗壓強度都比摻入石灰?guī)r的混凝土的效果要好，它們都符合混凝土的拌合的要求。兩種不同的混凝土的氯離子滲透效果一樣，研究的配合比相同的玄武巖混凝土和石灰?guī)r混凝土的耐久性效果也大致一樣。李光偉[1]把玄武巖加入混凝土中，對其基本型性能也做了研究，主要對其的抗裂性[15]能進行深入研究，而且進行了探討。

Hanifi Binici 和Yavuz Yardim 等 人[16]研究 了 不同尺寸玄武巖混凝土的耐久性和力學(xué)性能。本研究的創(chuàng)新之處在于玄武巖粉替代水泥。分別加入不同比例的玄武巖粉和砂，部分替代水泥和細骨料。水泥和砂的置換比例從5%～40%不等。通過不同齡期混凝土的強度和耐久性試驗，研究了玄武巖替代對不同齡期混凝土抗壓強度、耐磨性、吸水率、凍融強度和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。研究表明，水泥和砂部分替代不同形式的玄武巖，可顯著改善混凝土的上述方面。

P.P.Li 和Q.L.Yu[17]采用顆粒堆積理論，考慮最佳粉料配比，設(shè)計了最大粒徑為16mm 的玄武巖粗骨料超高性能混凝土。研究了高性能混凝土的流動性、收縮、漿料強度以及抗拉劈裂強度。對玄武巖粗骨料的粒徑及其粉含量變化的影響進行了研究。此外，還對摻合料的作用、骨料與鋼纖維的相互作用進行了分析和討論。結(jié)果表明：微硅粉的最佳配比為微硅粉的5%和石灰石粉的20%(以總粉的質(zhì)量計)。玄武巖粗骨料對UHPC（高性能混凝土）機械強度的降低作用有限。玄武巖骨料最大粒徑為8mm 和16mm 時，UHPC 的最佳粉料摻量分別為800kg/m3和700㎏/m3。此外，改進的Andersen模型的分布模量q 為0.19 被推薦用于粗集料UHPC 的設(shè)計。不含鋼纖維和含2vol%鋼纖維的UHPC的最佳粉量相同，含粗骨料的UHPC的纖維量較長。

雷濤[18]采用硅灰復(fù)合技術(shù)對粉末玄武巖混凝土進行了改性，研究玄武巖石粉細度、摻量對混凝土性能的影響，當(dāng)玄武巖的比表面積大于600m2/㎏的情況下，其能改善混凝土的性能；摻入5%硅灰和20%玄武巖石粉混合在一起，制作的混凝土的密實度可以滿足要求。綜上所述，路面用玄武巖混凝土的技術(shù)正在逐漸改善，但仍需要繼續(xù)深入的研究。MagdalenaDobiszewska 等人[19]研究了使用廢玄武巖粉替代細骨料來提高混凝土性能。試驗研究了玄武巖粉摻入混凝土的抗壓和抗折強度，以及玄武巖粉摻入混凝土對界面微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，玄武巖粉替代砂土的加入，提高了混凝土的抗壓和抗彎強度。這主要是由于玄武巖粉的填充效應(yīng)。摻入玄武巖粉的混凝土界面比未摻入玄武巖粉的混凝土界面致密、強度大。玄武巖粉末的XRD 衍射圖（見圖2）和掃描電鏡(SEM)圖像（見圖3）。玄武巖粉末顆粒表面粗糙，呈棱角狀。XRD 衍射結(jié)果表明，礦物組成以富含鈣長石顆粒的斜長石為主，同時還有輝石、角閃石及少量伊利石存在，可能是斜長石風(fēng)化作用的結(jié)果。綜上所述，玄武巖骨料用混凝土已經(jīng)在道路領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，加入一定量的玄武巖骨料，替代其他骨料用于混凝土中，增強混凝土的力學(xué)性能和耐久性能等。

圖2 玄武巖粉末的XRD衍射圖

圖3 玄武巖粉末的掃描電子顯微鏡圖像，左邊是×4000，右邊是×10000

2.2玄武巖骨料用瀝青混合料

瀝青混合料中集料是占比最大的，它對其級配影響很大，集料主要是由砂石組成，在我國砂石在工程領(lǐng)域的用量上大約有100 億噸左右，目前趨勢還在增大。瀝青混合料用路面是如今被普遍的采用方法，它可為了使路面平整而且無接縫，汽車行駛更加舒適，并具有耐磨性，易于維護和維修。瀝青混合料的骨架主要由骨料組成，粗骨料骨架結(jié)構(gòu)是通過相互嵌接擠壓形成，細骨料填充也可同時框架結(jié)構(gòu)，通過水泥骨料形成致密的整體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成骨架致密的結(jié)構(gòu)[20]。不同等級的骨料之間的相互作用，相互聯(lián)系，對混凝土骨架的形成有很大的影響，從而決定了混合料的性能，玄武巖因其強度大，耐磨性好，目前也在廣泛的被用于瀝青混合料，它可做粗集料，也可被制作成機制砂做細集料。

由于這些不同質(zhì)量和數(shù)量的材料混合形成不同的結(jié)構(gòu)，并具有不同的力學(xué)性質(zhì)[21]，玄武巖集料的級配對瀝青混凝土有很大的影響，良好的級配可以很好的改善混凝土的機械性能，對道路性能影響也有很大的好處[22]。因為級配會影響工程中瀝青混凝土路面的密實度，平整度，防滑性能等控制指標(biāo)。對于把握好瀝青混合料的集料的級配，可以使道路路面會有更好的壓實度，不同的集料級配，對于馬歇爾的穩(wěn)定度和流值和其他參數(shù)也會有不同的影響，也會對瀝青混合料的力學(xué)參數(shù)和其他參數(shù)指標(biāo)也會有很大的影響，集料的數(shù)量如果不一樣的話，那么瀝青混凝土中瀝青的用量也是不一樣的，雖然瀝青用量占比很小，如果其中細集料的用量比較多的話，那么會需要更多的瀝青含量才能達到更好效果，使結(jié)構(gòu)達到致密、密實。如果粉膠比過于大的時候，瀝青砂漿就會出現(xiàn)，它是瀝青和集料相互作用的表面上的結(jié)構(gòu)瀝青而產(chǎn)生的，會影響混凝土的強度和粘聚力[23]。選擇最佳的級配是提高瀝青混合料力學(xué)性能的最有效方法，確定最佳油石比也是以實現(xiàn)混合料的最佳性能。

胡洋[24]根據(jù)多孔玄武巖骨料的特性，設(shè)計了瀝青混合料的最佳配比，用于公路的面層，劉彥良也根據(jù)瀝青混合料的基本參數(shù)，用多孔玄武巖做骨料，去設(shè)計瀝青混合料最佳配比[25]。隨著科技的發(fā)展，研究人員采用了X 射線計算機層析技術(shù)對瀝青混合料級配對其性能進行研究，用X射線CT圖像和數(shù)字圖像處理方法去測定瀝青混合料級配[26]，用貝利級配法設(shè)計鋼渣集料瀝青混合料[27]，除了用設(shè)計級配的方法提高瀝青混合料的性能，還可以填充外加劑對級配進行優(yōu)化，研究人員添加聚合物去優(yōu)化級配，用SBS 聚合物改性瀝青開級摩擦層(OGFC)混合料[28]，把鐵素體填充于開級配摩擦層瀝青混合料中，去優(yōu)化混合料的級配，接著又有鐵氧體]填充在混合料中，優(yōu)化級配，因此要優(yōu)化級配,然后優(yōu)化混凝土性能。Erol Iskender[29]用LCPC 車輪跟蹤試驗，研究粗細SMA 混合料的玄武巖和玄武巖石灰?guī)r骨料組合的車轍情況。對不同最大骨料粒徑和級配變化情況下LCPC車輪跟蹤試驗的敏感性進行了研究。認(rèn)為在含玄武巖的SMA中，石灰石骨料可作為填料和細粒級配，在SMA混合料級配中摻入石灰石骨料，SMA 混合料的車轍抗力相對降低。

詹學(xué)成[30]把多孔玄武巖摻入瀝青混合料中，發(fā)現(xiàn)了多孔玄武巖在相同油石比的情況下，級配下空隙率較高，主要是因為集料空洞的存在會吸收瀝青，減少了自由瀝青，使得瀝青與礦粉的混合物難以封閉粗集料之間的空隙。在表干法中，水容易進入空隙并吸附其中，造成空隙率大。另外相同油石比多孔玄武巖穩(wěn)定度較小，流值較大。研究多孔玄武巖骨料對瀝青混凝土性能的影響雖然取得了一些成就，但仍然存在很多不足，但是還有一些未知點，例如多孔玄武巖骨料級配不能影響瀝青混凝土?xí)r的最大變化范圍，骨料級配的變化會影響瀝青混合料的哪些性能因素的變化。掌握玄武巖骨料級配對瀝青混合料主要性能及其影響因素，可以優(yōu)化級配，以實現(xiàn)瀝青混合料的最佳性能。

3 結(jié)語與展望

隨著我國的道路建設(shè)迅速發(fā)展，所需要的原材料越來越多，玄武巖作為一種高強度、抗氧化、耐酸堿、防火阻燃等高性能的原材料，它可以作為道路工程方面和其他眾多方面使用。因此，我們要更加的發(fā)掘玄武巖更多的潛在的價值，去充分的利用它，為我國道路的發(fā)展做好堅實的基礎(chǔ)具有重要的意義。本文綜述了玄武巖骨料用于混凝土、瀝青混合料中的耐久性和力學(xué)性能等其他性能。主要結(jié)論如下：

⑴把不同種類玄武巖骨料用于混凝土中，可使混凝土的抗壓強度、隔音、隔熱、輕質(zhì)高強等性能的效果提升，對水泥混凝土路面的優(yōu)勢進一步提升。

⑵玄武巖骨料用于瀝青混合料中，會使路面變得更耐磨、透水性好、行車舒適等，可為瀝青混合料路面提高更優(yōu)質(zhì)的性能。

⑶未來應(yīng)繼續(xù)探索對玄武巖的性能的研究，使它的性能變得更加優(yōu)質(zhì)，為更好的滿足道路各方面研究做好技術(shù)儲備。

⑷由于玄武巖骨料用于路面基層方面的研究比較缺乏，研究人員要加強對玄武巖骨料用于路面基層的探索，這樣可以降低工程成本，且有更高的利用價值。