公路水穩(wěn)基層施工中紅砂巖集料的應(yīng)用

韓健 任黎明

摘要 為探究紅砂巖集料在公路水穩(wěn)基層中應(yīng)用的控制要點(diǎn)，以某新建公路段為例，首先從其各標(biāo)段路基開(kāi)挖紅砂巖廢石料中，取材制備紅砂巖集料，并進(jìn)行物理性能、抗軟化、抗干縮等工程性能試驗(yàn)；然后開(kāi)展紅砂巖水穩(wěn)基層的配合比設(shè)計(jì)，并對(duì)其水穩(wěn)基層施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析探討。結(jié)果表明，粒徑9.5～26.5 mm的紅砂巖集料代替石灰?guī)r集料所制備出的水穩(wěn)基層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度均較高，耐久性好，故紅砂巖粗集料完全可取代石灰?guī)r粗集料在公路水穩(wěn)基層中推廣應(yīng)用；而紅砂巖細(xì)集料相關(guān)工程性能仍有待進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞 公路；水穩(wěn)基層；紅砂巖；集料；施工

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0069-03

0 引言

水穩(wěn)碎石基層是公路工程中重要的承載結(jié)構(gòu)層，其結(jié)構(gòu)中砂石集料占比在95%及以上，通常以花崗巖、石灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)集料為主。但因優(yōu)質(zhì)砂石資源分布的不平衡性及稀缺性，采購(gòu)及運(yùn)輸成本日漸增大。紅砂巖為長(zhǎng)期風(fēng)化、沉積作用下形成的強(qiáng)度、水穩(wěn)性明顯不同且工程性能不良的沉積巖，在我國(guó)中東部及西南地區(qū)分布廣泛。若將其作為水穩(wěn)基層填料使用，既能消納公路廢石，省去棄石場(chǎng)建造環(huán)節(jié)，又能較好地替代外購(gòu)石料，可以緩解優(yōu)質(zhì)石料供應(yīng)不足的局面。基于此，該文依托公路工程實(shí)際，對(duì)路基開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生的紅砂巖廢石作為水穩(wěn)基層材料應(yīng)用的過(guò)程展開(kāi)深入分析，以供參考。

1 工程概況

某公路全線長(zhǎng)83.25 km，劃分成5個(gè)標(biāo)段，各標(biāo)段主線路基挖填方量均較大，路基填筑質(zhì)量要求高。結(jié)合地質(zhì)勘查結(jié)果，各標(biāo)段路基開(kāi)挖過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生一定量的紅砂巖廢石，如果將廢石料棄置，再采購(gòu)優(yōu)質(zhì)填筑材料，必將增大廢石料棄置費(fèi)用及施工成本。為此，公路管理部門決定將開(kāi)挖出的紅砂巖廢石加工處治后作為水穩(wěn)基層材料使用，以達(dá)到節(jié)省施工成本和保護(hù)環(huán)境的雙重目的。

2 紅砂巖集料制備及工程性能分析

2.1 紅砂巖集料制備

對(duì)該公路段沿線紅砂巖取樣，展開(kāi)母巖崩解情況觀察，同時(shí)進(jìn)行母巖化學(xué)成分和單軸飽水抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1所示。據(jù)此看出，1標(biāo)、2標(biāo)處紅砂巖母巖屬于優(yōu)質(zhì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度高；3標(biāo)、4標(biāo)紅砂巖母巖輕微崩解；5標(biāo)紅砂巖母巖嚴(yán)重崩解風(fēng)化。

以單軸抗壓強(qiáng)度最高的2標(biāo)紅砂巖為對(duì)象，開(kāi)展集料加工及工程性能研究。具體而言，通過(guò)石灰石集料破碎篩分工藝進(jìn)行紅砂巖集料加工。此類集料在加工過(guò)程中對(duì)破碎機(jī)具存在損傷，且制備出的集料粉含量高、粒型差。經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整，得出由顎式破碎機(jī)一級(jí)破碎，反擊式破碎機(jī)二級(jí)破碎的加工方式[1]，能夠制備出粒徑0～4.75 mm的細(xì)集料以及粒徑4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm的粗集料。

2.2 紅砂巖集料物理性能

根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42—2005）開(kāi)展紅砂巖粗集料壓碎值、針片狀含量、吸水率等物理性能檢測(cè)；同時(shí)根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）及《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E41—2005）測(cè)定紅砂巖細(xì)集料塑性指數(shù)及抗崩解性能[2]。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2和表3所示。根據(jù)檢測(cè)值看出，紅砂巖粗集料硬度、吸水率均隨粒徑的減小而降低；粒徑9.5～19 mm和19～26.5 mm粗集料的物理性能基本滿足規(guī)范。造成粒徑4.75～9.5 mm紅砂巖粗集料物理性能不良的原因在于破碎分選時(shí)粒型差、硬度低，針片狀含量高、破碎量大。紅砂巖粗集料經(jīng)歷5次循環(huán)崩解試驗(yàn)后，抗崩解指數(shù)有所降低，但始終高于0.97，表明所選用的紅砂巖集料具有較好的抗崩解性能。

與此同時(shí)，對(duì)紅砂巖細(xì)集料和石灰石細(xì)集料物理性能開(kāi)展比測(cè)。結(jié)果顯示，紅砂巖細(xì)集料粉含量達(dá)到19.1%，壓碎值為23.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出規(guī)范限值，無(wú)法發(fā)揮集料填充及支撐作用，不利于水穩(wěn)基層強(qiáng)度及抗裂性能的提升。為次，應(yīng)加強(qiáng)細(xì)集料中軟弱顆粒含量及粉含量控制，保證其物理力學(xué)性能。

2.3 紅砂巖集料工程性能

2.3.1 抗軟化性能

紅砂巖母巖中黏土礦物含量高，遇水快速軟化并膨脹崩解。采用相應(yīng)技術(shù)將其破碎成粗細(xì)集料后，按照集料試驗(yàn)規(guī)程對(duì)其抗軟化性能開(kāi)展檢測(cè)。

（1）粗集料抗軟化性能。根據(jù)粗集料分級(jí)篩余，計(jì)算其整體加權(quán)平均壓碎值[3]；并開(kāi)展質(zhì)量損失率和壓碎值測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4所示。據(jù)此看出，紅砂巖集料加權(quán)平均壓碎值比石灰?guī)r小，表明其粗集料整體具備較高硬度；粒徑4.75～9.5 mm粗集料壓碎值高達(dá)25.7%，硬度略低于石灰?guī)r，其余粒徑的集料硬度均比石灰?guī)r高。

（2）細(xì)集料抗軟化性能。依據(jù)其中分級(jí)篩余占比情況，開(kāi)展加權(quán)平均壓碎值計(jì)算，粒徑2.36 mm以下的細(xì)集料浸水24 h后烘干，集料固結(jié)，無(wú)法開(kāi)展測(cè)試。故使用粒徑在2.36～4.75 mm之間的紅砂巖細(xì)集料開(kāi)展壓碎值試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5所示。據(jù)此看出，紅砂巖細(xì)集料壓碎值遠(yuǎn)超石灰?guī)r，整體硬度明顯偏低；其自身壓碎值隨粒徑增大而降低，意味著其破碎后的粒徑越小，硬度越低。

2.3.2 抗干縮性能

公路工程所在地開(kāi)挖出的紅砂巖廢石料外觀溝壑縱橫，富含黏土礦物，吸水率較大。為避免其作為水穩(wěn)基層材料后發(fā)生開(kāi)裂，必須對(duì)其開(kāi)展抗干縮性能檢驗(yàn)。選取破碎后粒徑在0～4.75 mm之間的紅砂巖集料，并根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定其最大干密度與最佳含水率；同時(shí)按照表6級(jí)配要求成型試件，以消除累計(jì)干縮應(yīng)變所受級(jí)配的不利影響[4]。此后將試件放置于20℃±1℃且濕度位于60%±5%的環(huán)境。

所測(cè)得的紅砂巖粗細(xì)集料塑性指數(shù)為7.5和9.8，石灰?guī)r粗細(xì)集料塑性指數(shù)為4.9和5.2。累計(jì)干縮應(yīng)變和累計(jì)失水率測(cè)值見(jiàn)表7所示。根據(jù)測(cè)值看出，紅砂巖和石灰石粗細(xì)集料累計(jì)干縮應(yīng)變均隨齡期的延長(zhǎng)而先增大，后趨于穩(wěn)定；前期紅砂巖集料累計(jì)干縮應(yīng)變小于石灰石，當(dāng)齡期超出10 d后紅砂巖集料累計(jì)干縮應(yīng)變也超過(guò)石灰石。紅砂巖粗細(xì)集料在30 d齡期時(shí)累計(jì)干縮應(yīng)變分別達(dá)到5.14×10?4和6.91×10?4；累計(jì)失水率則分別達(dá)到1.88%和2.00%。

3 紅砂巖水穩(wěn)基層配合比設(shè)計(jì)

考慮粒徑在0～4.75 mm之間的紅砂巖細(xì)集料強(qiáng)度低、抗干縮性能不良，故水穩(wěn)基層混合料以選用砂巖為粗集料，以石灰?guī)r為細(xì)集料。此外，粒徑在4.75～9.5 mm之間的紅砂巖粗集料壓碎值及針片狀含量均較高，為分析其粗集料摻量，擬定出兩種配合比。配合比1以紅砂巖為粗集料，以塑性指數(shù)較高的石灰?guī)r石屑為細(xì)集料；配合比2以相應(yīng)粒徑石灰?guī)r為粗集料，以塑性指數(shù)較低的石灰?guī)r機(jī)制砂為細(xì)集料。級(jí)配情況見(jiàn)表8所示。

對(duì)以上兩種配合比試件開(kāi)展擊實(shí)試驗(yàn)，根據(jù)擊實(shí)結(jié)果及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，配合比1和配合比2試件的最佳含水率分別為5.3%和4.6%，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度依次為3.3 MPa和4.0 MPa，完全達(dá)到一級(jí)公路及特重公路的強(qiáng)度要求。考慮配合比2具有更高的強(qiáng)度富余系數(shù)，故該公路紅砂巖水穩(wěn)基層推薦采用這種方案[5]。

4 紅砂巖水穩(wěn)基層施工要點(diǎn)

4.1 材料處理

將開(kāi)挖出的紅砂巖填料置于室外堆場(chǎng)，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光及空氣等自然力的作用以及人工灑水后風(fēng)化崩解，持續(xù)作用8～15 d，以消除其材料活性。待紅砂巖塊表面形成大量裂縫，搬動(dòng)時(shí)巖塊隨即碎裂成巖堆，即達(dá)到較好的崩解狀態(tài)。

4.2 路基填筑

在施工開(kāi)始前，配置1臺(tái)激振力為260 kN的40 t輪式振動(dòng)壓路機(jī)和1臺(tái)激振力為400 kN及以上的60 t拖式振動(dòng)壓路機(jī)。通過(guò)推土機(jī)推平紅砂巖填料，再由覆帶碾壓后使用耙齒耙壓3遍，以將大粒徑紅砂巖碾碎。此后通過(guò)監(jiān)理工程師檢查紅砂巖的粒徑及耙壓效果。

為保證路基填筑效果，必須充分利用紅砂巖易崩解活性特征，使其充分暴露，消除其活性。此外，紅砂巖顆粒粒徑必須位于25 mm以下，因?yàn)榇罅郊t砂巖受到自然力及荷載作用后必然會(huì)造成所在路基沉陷和路面破壞；同時(shí)也不利于路堤水穩(wěn)性的提升。

4.3 碾壓

紅砂巖水穩(wěn)基層填筑施工中，壓實(shí)機(jī)械的選用是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由250 kW推土機(jī)耙壓3遍后，再通過(guò)40 t以上的光輪壓路機(jī)和60 t以上的振動(dòng)羊角碾碾壓4～6遍。碾壓層厚度應(yīng)控制在40 cm及以下，以保證壓實(shí)均勻。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于含水量最佳且壓實(shí)至最大干密度的紅砂巖材料，浸水后的強(qiáng)度和密度降幅才為最低，水穩(wěn)性也最好。為此，該公路水穩(wěn)基層施工期間紅砂巖含水量應(yīng)不超出8%～12%范圍。

5 結(jié)論

綜上所述，紅砂巖石料黏土礦物含量高，抗軟化、抗干縮性能比石灰?guī)r石料差，通過(guò)顎式破碎機(jī)一級(jí)破碎、反擊式破碎機(jī)二級(jí)破碎方式加工后可得到規(guī)格及粒型均較好的紅砂巖集料。用粒徑9.5～26.5 mm的紅砂巖集料完全替代石灰石集料而制備出的水穩(wěn)基層試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，僅比石灰石集料制備的水穩(wěn)基層強(qiáng)度低3.9 MPa，耐久性相對(duì)較好，符合一級(jí)公路和特重公路基層強(qiáng)度。工后跟蹤檢測(cè)結(jié)果表明，紅砂巖集料水穩(wěn)基層強(qiáng)度及抗開(kāi)裂性能較好，可為路面提供較好支承，在紅砂巖石料分布廣泛地區(qū)的公路建設(shè)中值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧?yán)冢?溫石磊， 王琛. 最大粒徑對(duì)紅砂巖粗粒土三軸蠕變性質(zhì)的影響[J]. 甘肅水利水電技術(shù)， 2023（8）： 42-46.

[2]謝蘭夫， 洪祥水. 紅砂巖質(zhì)土路基智能化壓實(shí)施工技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2023（23）： 189-192.

[3]李立國(guó). 紅砂巖路基施工工藝及修筑技術(shù)[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2023（18）： 120-123.

[4]陳福玲， 溫郁斌， 單俊鴻， 等. 紅砂巖集料對(duì)水穩(wěn)基層強(qiáng)度與抗軟化性能的影響[J]. 硅酸鹽通報(bào)， 2022（9）： 3138-3147.

[5]潘龍， 劉安， 胡承勇， 等. 紅砂巖在寧安高速公路水穩(wěn)基層中的應(yīng)用研究[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2017（9）： 136-137.