地產材料在公路建設中的應用

陳東豐，陳志國，姚冬冬

（吉林省交通科學研究所，吉林 長春130012）

0 引言

“加快推進綠色循環低碳交通運輸發展”是交通運輸部提出的行業發展目標。如何集成現有技術成果，做到因地制宜、就地取材，從而實現公路建設的綠色、循環、低碳發展，是當前公路建設亟需解決的主要問題。我國火山灰、硅藻土、煤矸石等地產材料儲量豐富，開發潛力巨大，將硅藻土、火山灰、煤矸石、硼灰等地產材料合理的應用于公路工程建設中，最大限度地發揮地產材料特性，因地制宜，就地取材，不但可縮短筑路材料運距、降低油耗，還能增強路基路面的使用性能和耐久性，減少公路養護維修費用，實現資源節約循環利用。

本文在大量試驗研究的基礎上，介紹了火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰等地產筑路材料在公路工程中應用的主要性能和技術指標，對地產材料在國內其他地區的應用具有一定的借鑒意義。

1 火山灰材料

火山灰是火山噴發時隨同熔巖一起噴發的大量熔巖碎屑和粉塵沉積在地表面或水中形成松散或輕度膠結的物質，具有一定的活性。我國火山灰資源十分豐富，儲量可達幾十億立方米以上，因地制宜把火山灰材料用于公路建設中，充分利用火山灰材料的隔溫性、活性，來填筑抗凍路基、修筑基層、作填料型改性劑改性瀝青混凝土，具有十分重要的意義。

1.1 火山灰作為路基填料的試驗研究

在寒冷的氣候條件下，由于路基土凍結變形而引起的路面開裂已成為凍土區路面破壞的主要形式之一，嚴重地影響了路面結構的使用性能和耐久性。因此，為了減少和防止公路路基路面凍脹破壞，凍土區路基應采取抗凍措施，而應用隔溫性能良好的筑路材料就是其中一種行之有效的措施。

對火山灰的熱物性系數試驗表明，火山灰材料熱物性系數僅為黏土的40%～60%（見表1），說明火山灰材料具有良好的隔溫性能。

表1 火山灰熱物系數

為了研究采用火山灰作為路基填料對路基抗凍性的影響，在吉林省長白山橫山林場保護站即長白山南坡旅游公路K4+900斷面，以路中心為界，道路左、右兩幅分別填筑火山灰和黏土，距路基頂面2.6m 起，每隔0.2m 埋設一個溫度傳感器。溫度傳感器埋好之后，另一端的溫度探測頭分別置于火山灰側與黏土側，放入預先準備好的箱子里，并進行了平均4d 一次的跟蹤觀測，描繪出火山灰與黏土的溫度變化曲線（見圖1、圖2）。

圖1 火山灰溫深圖

圖2 黏土溫深圖

從圖1、圖2 可以看出，不同深度的溫度傳感器在冬季不同時間的溫度變化趨勢一致，火山灰路基的最大凍深為1.2m，黏土路基的最大凍深為1.8m。即火山灰路基凍深明顯小于黏土路基凍深，兩者相差0.6m，說明火山灰材料具有良好的隔溫性。

1.2 火山灰穩定類材料在路面基層中的應用

通過對火山灰材料物理化學特性的試驗研究顯示，火山灰材料中含有Si、Al、Fe、K、Na、Ca和Mg 等多種元素，與粉煤灰化學組成相接近，火山灰中活性組分可與石灰發生反應，形成膠結物將集料膠結為整體，因此火山灰可作為結合料與石灰共同對集料進行穩定。此外，火山渣具有較高的壓碎值，可作為骨料應用于路面半剛性基層中。

對不同類型火山灰材料路面基層混合料不同齡期強度的測試結果見圖3，所試驗的20組火山灰材料路面基層混合料中有16 組滿足高速公路和一級公路基層強度要求，180d 齡期強度在5.47～7.01MPa之間，其中石灰火山灰穩定類基層強度增長幅度較大，效果較好。

圖3 火山灰材料路面基層強度

對不同組成比例的火山灰材料基層混合料抗壓回彈模量以及劈裂強度的試驗結果表明：

（1）火山灰路面基層抗壓回彈模量為870～1346MPa，低于傳統半剛性基層的抗壓回彈模量，但在適合瀝青路面的基層模量范圍內；

（2）火山灰混合料劈裂強度在0.49～0.77MPa之間，可根據不同配比火山灰混合料的實際劈裂強度選擇其應用的層位。

圖4、圖5 為火山灰路面基層材料的干縮系數和溫縮系數試驗數據，由圖中數據可以看出，火山灰路面基層的干縮系數和溫縮系數均明顯小于二灰碎石和水泥穩定砂礫的干、溫縮系數，干縮系數為傳統半剛性基層干縮系數的1/3～1/2，溫縮系數為傳統半剛性基層溫縮系數的1/4～1/2，說明火山灰路面基層具有良好的抗收縮性能。

圖4 火山灰基層混合料干縮系數

圖5 火山灰基層混合料溫縮系數

上述試驗表明，火山灰穩定類材料具有良好的力學性能及抗收縮性能，考慮各等級公路基層、底基層使用性能需求，可用于高速公路、一級公路的底基層以及二級和二級以下公路的基層、底基層，結合室內試驗數據，提出火山灰穩定材料基層、底基層技術指標要求（見表2）。

表2 火山灰穩定材料基層、底基層技術指標

1.3 火山灰填料型改性劑改善瀝青及瀝青混合料性能的研究

對火山灰材料物理性質及化學組成的檢測結果顯示，火山灰粒度較細、比表面積較大（見表3），具有較為發達的孔隙結構，具備了作為改性劑改善基質瀝青性能的基本條件。鑒于此，以火山灰作為母體材料，通過摻加一定比例的外加劑，制備了火山灰填料型改性劑，結合室內試驗對火山灰填料型改性劑改善瀝青膠漿及瀝青混合料的效果進行了試驗研究。

表3 火山灰粒徑及比表面積

（1）火山灰填料型改性劑改善瀝青膠漿路用性能的研究

瀝青膠漿是瀝青混合料最重要的組成部分之一。瀝青膠漿的性能在相當大程度上影響著瀝青混合料的路用性能。分別摻加礦粉和火山灰填料型改性劑的瀝青膠漿其高低溫特性的檢測數據見圖6。

由圖6可以看出，火山灰瀝青膠漿的車轍因子G*/sinδ明顯高于礦粉瀝青膠漿，說明火山灰膠漿的高溫特性比礦粉膠漿更好；而與單一改性相比，復合改性瀝青膠漿的高溫性能指標以成倍的形式大幅度增長，表明SBS顯著提高了膠漿的高溫穩定性，且SBS對火山灰膠漿的提高幅度比礦粉膠漿大。

圖6 火山灰填料型改性劑和SBS復合改性與單一改性瀝青膠漿高低溫性能對比

火山灰膠漿的蠕變勁度比礦粉膠漿明顯增大。分析認為火山灰粗糙的表面構造和發達的孔隙結構使其具有很大的比表面能，從而吸收瀝青中的輕質油分，導致火山灰膠漿的稠度增加，勁度隨之增大；火山灰膠漿的蠕變速率與礦粉膠漿基本相當，表明低溫下火山灰膠漿應力松弛能力和礦粉膠漿相當。

（2）火山灰填料型改性劑改善瀝青混合料抗車轍性能的研究

火山灰瀝青膠漿的路用性能最終通過瀝青混合料的使用性能來體現。為了研究火山灰改性混合料的性能，同時驗證火山灰膠漿的改性效果，對火山灰瀝青混合料的路用性能進行對比試驗。結果表明，與礦粉混合料相比，火山灰復合改性混合料高溫抗車轍性能顯著提高。

（3）火山灰填料型改性劑改善瀝青混合料低溫性能的研究

為了準確評價火山灰填料型改性劑對瀝青混合料低溫性能的改善效果，采用低溫凍斷試驗方法對火山灰填料型改性劑改性瀝青混合料的低溫性能進行了試驗檢測，試驗結果見圖7。

由圖7中試驗數據可以看出，摻加火山灰填料型改性劑的瀝青混合料，其凍斷溫度低于礦粉瀝青混合料，由此可知，火山灰填料型改性劑有助于改善瀝青混合料的低溫性能。

結合上述試驗數據，推薦中、重凍區公路在特重及重等級交通條件下上面層采用火山灰與5%SBS復合改性SMA瀝青混合料，中面層采用火山灰與5%SBS復合改性AC型瀝青混合料，混合料的路用性能指標宜滿足表4中的性能指標要求。

圖7 火山灰填料型改性劑復合改性瀝青混合料凍斷性能試驗圖

表4 火山灰填料型改性劑改性瀝青混合料路用性能技術標準

2 硅藻土改性瀝青混合料

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，是由一種單細胞的水生藻類遺骸和軟泥固結而成的沉積巖。硅藻土無味無毒，具有體輕、質軟、多孔、耐酸、比表面積大、化學性質穩定、熱穩定性和吸收力強等特性，作為填料型改性劑能夠較好地改善瀝青混合料的路用性能。

2.1 硅藻土特性的研究

硅藻土作為瀝青混合料填料型改性劑，具有以下特性：

（1）硅藻精土粒徑在1～40μm 之間，有利于硅藻土與瀝青均勻混合，且具有較好的分散作用；

（2）硅藻土含有30%～40%孤立的、自由分散的亞微非聚結顆粒，一旦混入瀝青中，這種非聚結顆粒便互相排斥，不凝結，使得硅藻顆粒能夠較好地分散于瀝青中；

（3）硅藻土比表面積較大，每克硅藻精土大約有28m2以上的表面積，有利于增大與瀝青間的作用面積，從而增加了結構瀝青的比率，提高瀝青膠漿抵抗高溫流動變形和水分子侵入的能力；

（4）硅藻殼壁最低莫氏硬度為4.5～5.5，加入瀝青后莫氏硬度可達到5.6～6.0[2-3]，這一特性使得硅藻土在瀝青混合料中起到支撐骨架作用，進而改善了瀝青混合料的力學性能；

（5）硅藻土細孔內表面有OH基團分布，這使得硅藻土具有較強的表面活性和吸附能力，能夠將瀝青吸附在硅藻微粒殼的表面，形成機械鎖力，使混合料的黏度增大、吸附性增強，再黏結集料，構成高強度的瀝青路面，這是改善路面性能最關鍵的因素。

2.2 硅藻土改性瀝青混合料路用性能的研究

（1）直接摻入硅藻土的瀝青混合料路用性能

選用分別加入5%、6%、7%硅藻土改性劑的瀝青混合料進行試驗，加以對比分析。試驗使用集料與級配不變，測得摻入不同比例硅藻土的瀝青混合料路用性能見表5。

由表5中試驗數據可知，摻入硅藻土后，瀝青混合料的動穩定度均比基質的大，且隨著硅藻土用量的增加而增大，混合料低溫性能也有所改善。但當硅藻土摻量為7%時，其低溫性能則有所下降。混合料水穩定性在硅藻土摻量為6%時最佳。

表5 硅藻土改性瀝青混合料路用性能指標

（2）硅藻土等量替代礦粉后的瀝青混合料路用性能

在直接摻入硅藻土的瀝青混合料路用性能的試驗基礎上，采用硅藻土等量替代礦粉的形式再次進行了瀝青混合料路用性能對比試驗，試驗結果如表6所示。

表6 硅藻土改性瀝青混合料路用性能指標

由表6中試驗數據可以看出，采用硅藻土等量替代礦粉后，對瀝青混合料高溫性能的改善效果優于直接摻入硅藻土的瀝青混合料，低溫性能也有所提高，因此推薦采用硅藻土等量替代礦粉的形式改善瀝青混合料性能。

3 煤矸石材料

煤矸石是在成煤過程中與煤共同沉積的有機化合物和無機化合物混合在一起的巖石，是在煤礦建設和煤炭采掘、洗選加工過程中產生的數量較大的礦山固態排棄物，同時又是一種重要的再生資源。根據其工程特性，可以用于公路路基及路面基層建設。煤矸石路基及路面基層具有優良的路用性能，能夠大量消耗煤矸石材料，減少對土地資源的占用，降低公路建設成本，具有資源利用、經濟環保等優點，有利于推廣應用。調查顯示，2010 年我國粉煤灰和煤矸石產生量約10.7億t，預計到2015 年產生量將繼續增加，有望達到13 億t。將煤矸石合理地應用于公路建設中不僅可減少石料等資源的消耗，避免資源浪費，且可減少廢棄物堆放對環境造成的污染，具有顯著的經濟效益和社會效益。

3.1 煤矸石作為路基填料路用性能的研究

表7是對吉林省灣溝煤將矸石作為路基填料時CBR 的試驗檢測結果。由表中數據可以看出，煤矸石材料CBR 值較大，填筑路基的承載力完全能夠滿足各等級公路對材料強度的要求。煤矸石路基的CBR 值隨著粗顆料比例和填料粒徑的增大而增大。路基填料的強度主要取決于兩個方面：內摩擦角和黏聚力。液塑限試驗結果表明，兩種煤矸石的塑性指數都比較小，屬于砂性或粉性材料，黏聚力小，路基的強度主要由顆粒間的內摩擦力決定。同其他碎石料一樣，大粒徑的煤矸石通常具有較為顯著的面和棱角，因此在碾壓后能夠較好地相互嵌擠鎖結而具有較大的內摩擦角，強度也隨之提高。看出灣溝煤矸石的導熱系數小于黏土和砂的導熱系數，而道清煤矸石的導熱系數比黏土和砂的導熱系數稍大，表明已燃煤矸石的隔溫性能要優于普通的砂土材料，而未燃煤矸石的隔溫性能則比砂土要差一些。這說明在寒冷季凍區，已燃煤矸石可以用作路基隔溫層材料，進而減小路基的最大凍深，改善道路的凍脹翻漿等病害情況。

表7 吉林省灣溝煤矸石CBR試驗結果

表8 煤矸石導熱系數試驗結果

3.2 煤矸石應用于路面基層的試驗研究

表9為采用煤矸石的半剛性基層混合料無側限抗壓強度試驗數據，由表中數據可以看出，無機結合料穩定煤矸石混合料的強度滿足各等級公路基層強度要求，而采用不同產地煤矸石，其混合料強度也有所不同，因此應用時宜首先進行室內試驗研究。

表9 無機結合料穩定煤矸石無側限抗壓強度試驗數據

4 硼灰

硼灰是工業上利用硼鎂礦生產硼砂后排出的廢渣，每生產1t 硼砂約排出3～4t 硼灰，調查顯示吉林省硼灰年產量為10.22萬t。硼灰呈堿性，其堿液可溶到水中，使周圍農田堿化，作物減產，嚴重者可使農作物絕產，并且對周圍的飲用水產生污染。將硼灰用于道路建設中，可以變廢為寶、保護環境、節省能源和筑路材料，有明顯的經濟效益和社會效益。因此，對硼灰路用性能進行研究意義重大。

圖8為無機結合料穩定硼灰材料不同齡期無側限抗壓強度試驗結果。測試結果顯示兩種比例硼灰混合料的7d抗壓強度值滿足規范要求。

圖8 硼灰混合料無側限抗壓強度

表10所示為對養生28d的硼灰試件進行5次凍融循環的試驗數據，由試驗數據可以看出，兩種配比混合料經5次凍融循環后的殘留強度比滿足規范要求。

表10 養生28d的硼灰試件經5次凍融循環后的強度

5 地產材料在吉林省公路工程中的應用

根據地產材料特性，將其合理地應用于公路工程中不但可以確保公路使用性能，延長公路使用壽命，還能充分利用資源，節約工程造價，經濟及社會效益顯著。國內多個省份開展了相關研究，并將地產材料應用于公路工程建設和養護中。調查顯示，火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰和生態砌塊等地產材料僅在吉林省公路工程中便已應用近200km，其中火山灰材料在北崗至泉陽公路、砬子河至安撫界三級公路、長白山南坡旅游二級公路的路基、路面基層以及長余高速公路瀝青面層中得以應用，應用里程近110km。硅藻土應用里程近125km，其中在高速公路上推廣硅藻土瀝青混合料路面7.69km，在一級公路推廣了8.1km，在二級公路上推廣了109.6km。煤矸石在吉林省九臺、白山地區以及雙陽地區公路路基、路面基層建設中得以應用，硼灰在通化至新開嶺高速公路大川互通式立體交叉的被交路修筑了試驗路。

在2013 年開展的“長白山區鶴大高速公路資源節約循環利用科技示范工程”中，將火山灰、硅藻土、煤矸石等地產材料在鶴大高速公路建設中進行規模化推廣應用。

6 結語

吉林省依托豐富的地產材料資源，近十年來在交通運輸部、省交通運輸廳的大力支持下，先后對火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰等地產材料開展了系統的研究，取得了大量成熟的研究成果。截止目前，上述地產材料在吉林省公路建設及養護工程中推廣應用近300km，地產材料的合理應用確保了公路建設質量，實現了資源節約和循環利用。

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