多孔玄武巖在安徽省高速公路建設(shè)中的應用分析

秦 琳 （安徽建工集團控股有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

多孔玄武巖是火山爆發(fā)時熔融巖漿噴出地表冷凝過程中，伴隨體內(nèi)大量氣體溢出而形成的含蜂窩氣孔狀巖石,屬于典型的熔巖區(qū)不良地質(zhì)基巖[1]。與其它類型巖石相比，內(nèi)部孔隙發(fā)達、孔隙率大，吸水率常超過2%，部分能達到4%～5%[2]。在工程應用中，尤其是瀝青混合料面層，吸水率過大直接影響最佳油石比的確定、瀝青用量及拌合溫度等；進一步地，對面層的耐久性和抗凍性也有顯著影響，這也嚴重制約多孔玄武巖的應用前景。然而，高速公路路面集料需求量猛增，考慮到傳統(tǒng)石灰?guī)r集料供應不足、價格猛增等實際問題，若能嚴格控制多孔玄武巖吸水率，在選擇母巖時準確分析其巖性，選擇吸水率滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）[3]的母巖進行集料加工并應用于瀝青混合料中，對我國高速公路建設(shè)具有重要的經(jīng)濟價值。

多孔玄武巖是否能應用的關(guān)鍵在于其吸水率等特性能否滿足要求。近年來，國內(nèi)眾多學者對多孔玄武巖的力學性質(zhì)和應用場景進行了研究，取得了豐富的成果和實踐經(jīng)驗。如肖巧林和唐伯明[1]采用室內(nèi)試驗方法對海南瓊北石山地區(qū)處于不同深度的亞堿性拉斑玄武巖的基本力學指標進行了分析，發(fā)現(xiàn)孔隙率對多孔玄武巖的力學性質(zhì)影響顯著；范倩等[4]對多孔玄武巖與花崗巖、石灰?guī)r及閃長巖進行了對比分析試驗研究，給出了多孔玄武巖吸水率大、藏水強、升溫慢的根本原因，并提出工程應用中的解決措施；吳啟一等[5]利用玄武巖短切纖維改良多孔玄武巖碎石力學性能，結(jié)果表明纖維對混合料的劈裂強度、無側(cè)限抗壓強度等各項力學性能均有增強，并可用于高等級道路基層；胡海東[6]開展了多孔玄武巖作為海南省某一級公路水泥穩(wěn)定基層填料的應用研究，給出了多孔玄武巖在路面施工中的質(zhì)量控制建議；朱波霖[7]對浙江嵊縣組氣孔玄武巖應用于鐵路路基填料進行了可行性研究，并給出了多孔玄武巖作為路基填料改良效果評價體系。

鑒于多孔玄武巖分布范圍廣、地區(qū)區(qū)域性質(zhì)差異大，作為石灰?guī)r等傳統(tǒng)路基路面填料的替代還需進一步加強試驗和工程實踐研究。因此，本文采用室內(nèi)試驗和工程實踐相結(jié)合的方法，對多孔玄武巖在高速公路下面層瀝青混合料應用進行深入分析和探討，論證了多孔玄武巖作為填料的可行性，并給出了提高水穩(wěn)定性和粘結(jié)性能的改良方案。

1 工程概況

某高速公路為“縱一”徐杭高速（徐州到杭州）的聯(lián)絡(luò)線，采用雙向四車道高速公路標準建設(shè)，路基寬度27m，設(shè)計時速120km/h。該高速公路位于滁州市境內(nèi)的路基全長12.18km，路面長度30.79km。鑒于環(huán)保、石灰?guī)r集料的短期價格和供應量不足等因素，在保證集料質(zhì)量合格的前提下，本路段擬采用多孔玄武巖作為下面層瀝青混合料的集料。

2 多孔玄武巖力學特性

圖1 瀝青下面層攤鋪

所選多孔玄武巖礦料母材取自路基挖方段，取后首先進行原材巖性分析，如圖2 所示，所用多孔玄武巖為灰黑色，黃斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主礦物為斜長石、輝石，硬度高，其中斜長石自形-半自形板條狀，呈弱定向分布。

圖2 多孔玄武巖

為確定礦料的離散性、堅硬強度以及耐久性，對多孔玄武巖進行干燥和飽水狀態(tài)下立方體抗壓強度試驗、堅固性試驗和凍融循環(huán)試驗，如圖3 所示。試驗結(jié)果表明，所選礦料離散性較大，飽和吸水率小于2%時，其飽水狀態(tài)下抗壓強度大于60MPa；經(jīng)堅固性試驗后表面孔隙增大、強度下降，經(jīng)凍融循環(huán)后孔隙幾乎無變化且強度略微下降。因此，多孔玄武巖用于面層集料時，需認真篩選出強度高、飽和吸水率小、致密的母材進行自加工。

圖3 多孔玄武巖相關(guān)試驗圖

3 試驗設(shè)計及效果評價

3.1 集料

多孔玄武巖集料自加工后，經(jīng)瀝青拌合站加熱、除塵、二次篩分，根據(jù)粒徑大小分為6 檔，分別為[22，32）mm（1#）、[16，22）mm（2#）、[11，16）mm（3#）、[6，11）mm（4#）、[3，6）mm（5#）和[0，3mm）（6#）。依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）[8]對各級配集料進行級配、密度和壓碎性試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 集料各粒組試驗實測值

表2 填料粒組篩分結(jié)果

由表1可知，1#～5#粒組的表觀相對密度、毛體積相對密度、吸水率、針片率以及壓碎值等指標數(shù)值的實測值均滿足規(guī)范和設(shè)計文件要求的指標值。

3.2 普通瀝青混合料

瀝青采用A-70#級道路石油瀝青，采用的礦粉表觀相對密度2.646、親水系數(shù)0.5。在保證混合料施工和易性前提下，使各類集料的通過率滿足設(shè)計要求，對礦料配合比進行設(shè)計，礦粉的摻配比例為14%、19%、12%、18%、15%、28%、4%。

依據(jù)目標配合比確定最佳油石比為4.1%，以三種不同油石比（3.8%、4.1%和4.4%）分別進行馬歇爾試驗。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）[9]相關(guān)要求制成三組標準試件并測試其流值和穩(wěn)定性，結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，油石比為3.8%時，其間隙率無法滿足技術(shù)要求；油石比為4.4%時，其飽和度大于70；而油石比為4.1%時，其穩(wěn)定度、流值、空隙率、間隙率及飽和度等各項指標均滿足規(guī)范要求。因此，采用油石比4.1%進行鋪筑可以滿足要求，但施工中應按4.1%±0.3%進行檢測控制（施工規(guī)范要求）。

表3 瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

對最佳油石比4.1%成型的6 組試件分別進行浸水30～40min 和48h 的浸水馬歇爾試驗。試驗結(jié)果表明，浸水30～40min 情況下6 組試件的平均穩(wěn)定度為14.37kN,而浸水48h 的6 組試件的平均穩(wěn)定度為12.78kN，殘留穩(wěn)定度為88.9%（大于規(guī)范要求的80%）。

為評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，取2 組馬歇爾試件進行凍融劈裂試驗。結(jié)果表明，非凍融組試件的平均劈裂強度為0.99MPa，而凍融組試件的劈裂強度為0.82MPa；試件的劈裂強度比為82.8%，滿足技術(shù)要求。

為評價瀝青混合料的抗車轍能力，取3 組300mm×300mm×80mm 的板式試件按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）要求進行車轍試驗，三組試件的平均動穩(wěn)定為3913 次/mm，60min 的總變形量分別為1.825mm、1.705mm 和1.768mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求（≥1000次/mm）。

3.3 摻和1%消石灰的瀝青混合料

考慮到多孔玄武巖的特點，擬采用添加1%的消石灰代替1%的礦粉，提高瀝青與集料間的粘附性和瀝青混合料的水穩(wěn)定性，即對礦料配合比進行優(yōu)化設(shè)計，1#、2#、3#、4#、5#、6#、礦粉中消石灰的摻配比例為14%、19%、12%、18%、15%、28%、3%、1%。

對此配合比分別進行馬歇爾試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和車轍試驗，試驗結(jié)果詳見表4。由表4 可知，相較于普通瀝青混合料（未處理），添加1%消石灰替代1%礦粉后瀝青混合料的穩(wěn)定度略有下降（14.04kN），而流值增大，空隙率、VFA 和VMA 幾乎不變。浸水30～40min和48h后，相較于普通瀝青混合料（未處理），6 組試件的平均穩(wěn)定度均略有降低，但殘留穩(wěn)定度增大。此外，添加1%消石灰后，劈裂強度也略有下降，總變形量減小，但動穩(wěn)定增大。

表4 試驗結(jié)果匯總

4 施工技術(shù)

4.1 下面層瀝青混合料的拌和

明確骨料加熱溫度（集料加熱溫度比瀝青高10℃～30℃）、瀝青加熱溫度（160℃～165℃）、混合料出廠溫度控制標準（165℃～175℃，超190℃作廢）。確定干拌時間及濕拌時間，間歇式拌和，普通瀝青混合料不宜少于45s，其中干拌時間不少于5～10s?；旌狭显诎韬颓暗娜P采用裝載機接料，需檢測溫度和拌和均勻性，滿足規(guī)范和施工要求才可運輸。

4.2 下面層瀝青混合料的攤鋪

采用型號福格勒2100-3 攤鋪機進行路面全寬攤鋪面層，并采用非接觸式平衡梁控制下面層攤鋪高程；攤鋪前預熱0.5～1h 且熨平板溫度≥100℃；攤鋪時要求攤鋪機行駛速度小于等于2m/min且保持勻速。攤鋪過程中應及時檢測松鋪厚度，調(diào)整振動頻率和振幅來提高初始壓實度和平整度。

4.3 下面層瀝青混合料的碾壓

重點把控瀝青混合料的壓實環(huán)節(jié)，保持在高溫狀態(tài)下開始壓實；采用型號DD138HF振動壓路機完成碾壓工作，鋼輪輪跡重疊寬度宜為10～20cm；碾壓過程中及時檢測松鋪厚度、碾壓順序、碾壓遍數(shù)、碾壓速度及溫度等關(guān)鍵參數(shù)。初壓時壓路機緊密跟隨攤鋪機完成15～20m 的初壓工作區(qū)碾壓工作，初壓時碾壓速度控制2～3km/h，初壓2 遍，碾壓開始溫度大于等于140℃；復壓8 遍，前4遍碾壓速度控制3～4km/h、后四遍控制4～5km/h，碾壓開始溫度宜為110℃～140℃；終壓為靜壓1 遍，碾壓速度控制3～6km/h，碾壓開始溫度應大于等于90℃。

5 結(jié)語

多孔玄武巖作為高速公路面層瀝青混合料的集料是可行的，具有很高的使用價值，但需嚴格把控母巖選擇、混合料施工質(zhì)量和施工工藝。

結(jié)合工程實例，本文從多孔玄武巖母巖巖性分析、現(xiàn)場混合料配合比設(shè)計計算及施工工藝控制等方面，給出了多孔玄武巖在高速公路中的合理應用建議。

在滿足目標配合比和設(shè)計要求前提下，利用消石灰等量替代礦粉，混合料的穩(wěn)定度、流值、動穩(wěn)定等關(guān)鍵參數(shù)均滿足設(shè)計要求，還可提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性和粘結(jié)性能，如60min 總沉降量明顯降低。