火山渣改性路基材料最優配比試驗研究

陸振盛

摘要：火山噴發附帶大量的火山渣等物質，將其合理利用能有效緩解部分地區地產材料貧乏的難題。文章以粗顆粒含量在70%以上的火山渣和黏土為原材料，混合得到火山渣改性路基材料，通過室內試驗對材料進行擊實試驗，探究其擊實特性。研究結果表明：火山渣與黏土質量的最佳比例為40[DK]∶60;在最佳比例下，材料的水穩定性和回彈模量在一定的擊實次數下均能滿足相關規范要求。

關鍵詞：火山渣;黏土;回彈模量;路基材料

0 引言

地球上許多國家都存在火山，火山噴發不僅會對生態環境造成破壞，其附帶的產物火山灰也是數量巨大。火山灰根據粒徑大小的不同可以劃分為三類物質，分別為細灰、火山砂和火山渣[1-2]，其中火山渣含量較多，粒徑最大，比較容易開采，因此有很多學者對火山渣的物理力學性質進行了大量的研究，研究表明可以將其大量運用在路基工程中[3-4]，這不僅能節約普通路基材料開采的成本，還能起到保護生態環境的作用。

火山渣由于是在火山噴發高溫條件下形成的，因此其存在孔洞較多、透水性能好、密度較小和抗凍性好等特點，外觀與煤矸石十分相似[5]。將其作為路基填料需要掌握一定的控制指標[6-9]，如利用干密度和最優含水率設計最佳的級配，利用加州承載比（CBR）和回彈模量驗證材料的質量和強度。不同等級的道路強度要求如表1所示[7]。

本次室內試驗采用的火山渣級配較差，粗顆粒含量占比在70%以上，而通過以往的研究發現[10-11]，火山渣作為路基填料時，在相同的擊實功下，隨著粗顆粒比例的增加，材料的最大干密度會逐漸減小，孔隙率逐漸增大。正是由于這樣的特點，需要對火山渣路基填料進行改性，如向材料中摻入一定比例的細粒土來改善其特性。本文的主要研究目的就是研究火山渣中加入不同比例細粒土后基本物理力學性能的變化。

1 試驗設計及結果

1.1 試驗設計

為了便于說明和分析，將粒徑<4.74 mm的顆粒定義為細顆粒，將粒徑范圍在4.74～31.40 mm之間的顆粒定義為粗顆粒，將粒徑>31.40 mm的顆粒定義為超大顆粒。本次試驗選用的火山渣級配較差，粗顆粒含量占比在70%以上，粒徑<0.075 mm的顆粒含量更是<2%。

這樣的原材料注定其存在孔隙度較大、不容易被壓實、易被壓碎等諸多缺點，因此可以考慮將其作為骨架，向其中加入黏土充填其內部孔隙，改善其性能，稱為火山渣改性路基材料。通過室內試驗研究黏土的最優摻雜量，試驗中向火山渣填料中加入不同比例的黏土，分別為總填料質量的0、30%、40%、50%、60%和70%，以標準的擊實試驗制備試樣，然后測其最大干密度、最優含水率和CBR值，選取最優的黏土比例。最后以最優的黏土比例制備試樣，測其水穩定性和回彈模量值，驗證其是否滿足路基填料基本要求。

1.2 最優摻量分析

通過對不同黏土摻量的火山渣改性路基填料進行最大干密度、最優含水率和CBR值測量試驗，得到如表2所示的結果。由表2可知，隨著黏土含量的增加，火山渣改性路基填料的最大干密度、最優含水率和CBR值的變化情況，如圖1和圖2所示。

從圖1中火山渣改性路基材料最大干密度和最優含水率隨著黏土含量變化的規律可以發現，隨著黏土含量的增加，火山渣改性路基材料的最大干密度先增大后減小，當黏土含量為60%時，最大干密度為1.85 g·cm -3，相對黏土含量為0時的最大干密度1.23 g·cm -3而言，上升了50.4%，可見黏土的加入對于改善材料密度效果非常顯著。而隨著黏土含量的增加，火山渣改性路基材料的最優含水率不斷上升，黏土含量為0和60%時，分別為9.8%和16.9%，上升了72.45%。

從圖2中可以看出，在不同的擊實次數下，隨著黏土含量的增加，材料的CBR值均是不斷減小的，這是因為黏土質量分數的增加，既減少了火山渣的含量，又減小了火山渣的孔隙率，在很大程度上改善了火山渣易被壓碎的特性，從而導致材料整體的承載能力增強。當黏土質量分數為70%時，在30次擊實下，材料的CBR值為12.5，達到了路基填料在最高等級道路中最小強度的要求。從圖2中還可以發現，在黏土含量一定的情況下，隨著擊實次數的增加，材料的CBR值不斷增加，但是黏土含量越高，增大的幅度越小，這是因為當黏土含量較低時，火山渣孔隙率較大，隨著擊實次數的增加，被擊碎的概率和局部面積也在增大;但是當黏土含量較高時，材料相對比較致密，不容易被擊碎，從而保證了材料的承載能力。另外還可以看出，當黏土的含量到達60%后，隨著黏土含量的繼續增加，材料的CBR值降低幅度大大減小，即承載能力上升幅度減小。因此綜合上述試驗結果，認為黏土的最優摻量為60%。

1.3 水穩定性分析

路基材料抵抗水侵蝕的能力對于材料的穩定性和耐久性是十分重要的。為了快速地判斷火山渣改性路基材料抵抗水侵蝕的能力，擬將材料放置在水中浸泡一定時間，隨后測量其CBR值，從而判斷其性能。結合上述最大干密度、最優含水率和CBR值隨黏土含量變化的規律可知，黏土的最優摻量為60%，因此在測量火山渣改性路基填料回彈模量時，選取的火山渣和黏土的質量比為40：60。制備三組試樣，在水中浸泡的天數分別為4 d、5 d和6 d，隨后測量其在不同擊實次數下的CBR值，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著擊實次數的增加，不同浸泡天數下材料的CBR值均逐漸增加，且與擊實次數近似成正相關的關系。當擊實次數為98時，浸泡6 d的材料CBR值在16%左右，仍然滿足相關要求，因此只要控制擊實次數，材料完全可以保證其水穩定性。

1.4 回彈模量結果分析

根據以往的研究可知，路基材料的回彈模量在衡量其抵抗外來荷載引起的變形方面具有十分重要的地位，為了研究火山渣改性路基材料抵抗外荷載的變形能力和長期耐久性，需要對其回彈模量進行測量。在測量火山渣改性路基填料回彈模量時，選取的火山渣和黏土的質量比仍然為40：60，即最佳的黏土配比。擊實次數與材料回彈模量之間的關系如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著擊實次數的增加，火山渣改性路基材料的回彈模量值不斷增大，但是當擊實次數>98后，材料的回彈模量變化幅度較小，擊實次數為50和98時，材料的回彈模量變化幅度最大，分別為52 MPa和88 MPa，上升幅度高達69.2%，此時的回彈模量與碎石土作為路基材料時的回彈模量（49～101 MPa）十分接近，因此可以認為當擊實次數為98時火山渣改性填料擁有很好的抵抗變形的能力。

2 結語

本文通過室內試驗對火山渣改性路基材料進行研究，得到如下結論：（1）火山渣級配較差，粗顆粒占比70%以上;（2）通過研究不同黏土含量下改性材料的最大干密度、最優含水率和CBR值，得到黏土的最優摻量為60%;（3）在最優黏土摻量下，材料的水穩定性和回彈模量在一定擊實次數下均能滿足規范要求，工程中保證擊實次數在98左右?；鹕皆鳛橐环N優質路基材料，完全可以應用于道路工程。

參考文獻：

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