山區高速隧道洞渣在路面結構層中應用探析

李增慶

（石家莊市公路橋梁建設集團有限公司，河北 石家莊 050073）

0 引言

當前我國高速公路建設面臨環境保護和資源利用的要求日益提高，山區高速公路建設洞渣棄存和建設過程中，石料資源短缺與高要求成為日益突出的矛盾。目前，由于加工破碎等條件的限制，開挖出來的隧道洞渣利用率低；而若將隧道洞渣廢棄則會對周邊環境造成污染并形成資源浪費。

為了充分利用隧道洞渣資源，現多將山區隧道洞渣作為路基填料應用于道路工程建設中[1-2]。如將隧道洞渣制備碎石應用于路面結構級配碎石基層，級配碎石混合料技術指標滿足規范要求[3]；將隧道洞渣制備碎石應用于瀝青面層，需關注其黏附等級，磨光值不達標不可應用于表面層[4]。隧道洞渣制備碎石作為路面結構層筑路材料，在保證路面結構施工質量的前提下，節省公路建設成本，合理有效地平衡了自然資源，為今后高速公路建設提供新的思路。

1 隧道洞渣制備碎石基本性能

設置某高速公路隧道洞渣不同進出口位置為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，從三處分別選取料源。該高速公路隧道洞渣經檢驗主要礦物成分為斜長石、鉀長石、石英、黑云母、角閃石等，隧道洞渣定性為片麻巖，SiO2含量為69%，屬于酸性集料，如圖1。隧道洞渣制備碎石碎石的基本物理性質見表1。

圖1 片麻巖鏡下觀察圖片

表1 隧道洞渣制備碎石基本物理性質

由于隧道洞渣石料的料源缺乏穩定性，對三個不同隧道口產出隧道洞渣的物理指標進行了檢測。其中三處洞渣母巖強度良好，滿足《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）規定混凝土用粗集料母巖抗壓強度變質巖應不小于60MPa 要求。三處洞渣制備碎石的各檔集料的針片狀、含泥量指標均符合相應標準技術要求，其中Ⅰ、Ⅲ的壓碎值偏大。三處隧道洞渣制備石料黏附性較差，用作瀝青面層需進行特殊處置[5-6]。

2 隧道洞渣在（底）基層中應用

2.1 隧道洞渣在水穩碎石中應用

水泥穩定類材料作為路面主要的承重結構層，強度水平是其主要的技術標準，同時材料強度的高低與結構設計中材料回彈模量的高低直接相關[7-8]。三處隧道洞渣制備的片麻巖碎石，除Ⅰ、Ⅲ的壓碎值偏大，軟石含量等技術指標滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20—2015）中碎石的性能要求。對比不同壓碎值（23.8%、26.6%、29.8%）對水穩基層性質的影響，采用壓碎值為23.8%的碎石為基準，水泥用量取5%，采用振動擊實法成型，含水量采用最佳含水量。

（1）無側限抗壓強度

混合料在振動擊實法得出的最大干密度與最佳含水量下，壓實度98%，采用振動擊實成型圓柱形試件，尺寸150mm×150mm。在規定的標準養護條件里養護滿6d，27d，浸水1d 后取出，根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）要求，對比研究壓碎值對隧道洞渣碎石水穩基層無側限抗壓強度的影響，詳見表2。

表2 水泥穩定碎石無側限抗壓強度試驗

從表2 可以看出，隨著碎石壓碎值的增大，水泥穩定碎石的7d 和28d 無側限抗壓強度沒有明顯波動，即當碎石壓碎值小于29.8%時，碎石壓碎值的對水穩基層無側限抗壓強度無明顯影響。

（2）劈裂強度

劈裂強度試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）標準進行。分別測量水泥穩定碎石試件14d、28d 齡期劈裂強度，結果如表3 所示。

表3 水泥穩定碎石14d、28d 劈裂強度試驗

由表3 可以看出，隨著碎石壓碎值的變化，14d、28d 的水穩基層材料劈裂強度出現一定的波動，即當碎石的壓碎值為23.8%和26.6%時，水穩基層材料的劈裂強度基本相同，但當碎石壓碎值增大到29.8%時，水穩基層的劈裂強度出現了一定程度的下降，從中可以看出碎石壓碎值較大時，將對水穩基層材料劈裂強度有一定弱化作用。

（3）回彈模量

回彈模量試驗參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）標準進行。分別測量水泥穩定碎石試件14d、28d 齡期回彈模量，結果見表4。

表4 水泥穩定碎石回彈模量試驗

由表4 可以看出，隨著碎石壓碎值的提高，水穩基層材料的回彈模量出現一定的降低，但當壓碎值為23.8%和26.6%時，兩者的回彈模量基本相當，但當碎石壓碎值達到29.8%時，回彈模量出現一定的降低。

2.2 隧道洞渣在級配碎石中應用

級配碎石廣泛用于柔性路面和復合式路面的基層和底基層，級配碎石的強度主要是依靠集料之間的相互嵌擠作用，級配碎石層具有良好的滲水、排水、抑制裂縫，能夠有效的改善基層積水，抑制瀝青路面的水損害和裂縫。級配碎石松散粒料材料間沒有膠結料，在車輪荷載作用下它只能承受壓應力而不能承受拉應力。CBR 是評價粒料力學性能指標，它反映了材料的剪切強度和豎向剛度[9-10]，同時部分學者用無側限抗壓強度（振動法成型）來評價級配碎石混合料的抗壓強度，如圖2。

圖2 級配碎石振動法試樣脫模（左）及無側限抗壓試驗（右）

對比分析石灰巖、隧道洞渣、隧道洞渣（替換0～3mm）、隧道洞渣（替換0～3mm、3～5mm）四種級配碎石混合料CBR 值（不飽水）和無側限抗壓強度如圖3。以隧道洞渣組為基準，采用振動擊實法確定混合料的最佳含水量。

圖3 CBR 及無側限抗壓強度

從以上結果可知，替換0～3mm 石灰巖的隧道洞渣混合料CBR 增長，平均CBR 值比未替換之前提高一倍；同時替換0～3mm 和0～5mm 石灰巖的隧道洞渣級配碎石的平均CBR值達到377.2%，高于未替換的隧道洞渣級配碎石的CBR 值。兩種替換混合料CBR 值均滿足級配碎石基層的技術要求（不飽水CBR 不小于300%）。

從無側限抗壓強度來看，替換0～3mm 石灰巖的隧道洞渣級配碎石的無側限抗壓強度得到增加，比未替換之前提高了0.3MPa（大于0.7MPa）；同時替換0～3mm 和0～5mm 石灰巖的隧道洞渣級配碎石無側限抗壓強度平均值達1.2MPa（大于0.7MPa），高于未替換的隧道洞渣級配碎石的強度。

3 隧道洞渣在中下面層中應用

隧道洞渣制備碎石片麻巖的SiO2含量為69%，屬于酸性集料，黏附等級為2 級，不滿足瀝青混合料粗集料技術要求，文中通過添加抗剝落劑和消石灰部分代替礦粉方法提高隧道洞渣制備碎石與瀝青之間的化學吸附能力，提升隧道洞渣制備碎石瀝青混合料抗水損害性能[11-14]。

研究級配為AC-25，瀝青采用70#基質瀝青，其中0～3mm 細集料采用石灰巖機制砂，馬歇爾配合比設計方法確定最佳油石比，凍融劈裂殘留強度比和浸水馬歇爾殘留穩定度試驗參照《瀝青和瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行，結果如圖4。

圖4 不同抗剝落措施水穩定性評價

由圖4 可得，通過對四種抗剝落措施老化前后水穩定性的評價知，采用四種抗剝落措施后的凍融劈裂殘留強度比和浸水馬歇爾殘留穩定度均高于基質瀝青混合料的，這說明四種抗剝落措施對于瀝青與隧道洞渣制備碎石黏附性的提高均有效。

四種抗剝落措施的浸水馬歇爾殘留穩定度（MS0），Ⅲ型抗剝落劑的殘留穩定度提高最多，其次是復配，最低的為加入消石灰。四種抗剝落措施的凍融劈裂殘留強度比（TSR），消石灰提升最多，其次為Ⅲ型抗剝落劑，最低為Ⅵ型抗剝落劑。綜合四種抗剝落措施的水穩定性評價數據，加入Ⅲ型抗剝落和加入Ⅲ型抗剝落劑+消石灰復配的效果較好。

4 結論

為減少環境污染，緩解原材料緊缺，同時遵循工程建設就地取材的理念，對于將某高速公路隧道洞渣制備碎石用于水穩碎石基層、級配碎石基層和瀝青路面中下面層進行探討。

（1）隧道洞渣為片麻巖，制備碎石基本物理指標部分洞口制備碎石壓碎值較大，當用于水泥穩定類混合料中時，壓碎值可適當放寬，建議壓碎值限定不大于29%。

（2）隧道洞渣制備碎石用于級配碎石混合料，需將0～3 mm 細集料、3～5 mm 替換為石灰巖。

（3）隧道洞渣制備碎石與瀝青黏附等級較差，提升隧道洞渣制備碎石瀝青混合料抗水損害性能，Ⅲ型抗剝落劑+消石灰復配的效果較好。

（4）隧道洞渣巖性多種多樣，對于片麻巖隧道洞渣制備碎石而言，結合碎石物理力學指標對碎石進行處置和替換，以滿足高速公路路面結構層不同層位性能要求，對于不同層位各項混合料耐久性需進一步研究。