隧道花崗巖棄渣水泥穩定基層路用性能研究

摘要：文章針對遵秦高速公路隧道花崗巖棄渣的資源化利用以及其在基層應用的可行性等問題，分析了隧道花崗巖棄渣碎石的級配組成、壓碎值、針片狀含量等物理性能，并通過重型擊實試驗確定隧道花崗巖棄渣水泥穩定基層（以下簡稱“水泥穩定棄渣”）的最大干密度和最佳含水率；通過測試強度、回彈模量、抗凍性能以及干、溫縮特性等路用性能，并與水泥穩定片麻巖、石灰巖進行對比，優化水泥穩定棄渣的各項配合比。結果表明：隧道花崗巖棄渣碎石的級配良好，水泥穩定棄渣的劈裂強度和7 d無側限抗壓強度分別為0.45 MPa和5.13 MPa，集料種類對水泥穩定碎石的力學性能影響較小；28 d試件凍融循環后抗壓強度損失為97%～98%，具有良好的抗凍性；隧道花崗巖棄渣的溫縮性能優于水泥穩定片麻巖、石灰巖；當水泥穩定棄渣最佳水泥用量為4%、最大干密度為2.334 g/cm3、最佳含水量為4.8%時，滿足基層材料的技術要求。

關鍵詞：道路工程；隧道花崗巖棄渣；水泥穩定碎石；路用性能；耐久性

中圖分類號：U416.214A300994

0 引言

隨著公路工程的大規模建設，隧道開挖會產生大量的棄渣［1］。目前隧道棄渣多采用就地掩埋或設置棄土場堆放的方法進行處置。這種簡單的處理方式不僅占用土地，而且導致自然資源浪費［2］。因此，將隧道花崗巖棄渣在高速公路中進行高值化應用［3］，既可以變廢為寶，充分發揮花崗巖的良好力學性能，又能夠降低成本，解決部分地區優質石料短缺的問題。

花崗巖具有優良的力學性能，且抗腐蝕能力強，常用于建筑材料?；谒喾€定碎石基層的強度和收縮特性［4-5］，文應等［6］研究表明花崗巖機制砂在水泥穩定碎石基層中應用的可行性。李小龍［7］將花崗巖作為水泥穩定碎石的主要集料，其力學性能提高顯著，抗裂性能大幅加強。目前，隧道棄渣在公路工程中的應用取得了較好的發展。陳建行［8］依托汕湛高速公路，將隧道棄渣成功應用于水泥穩定碎石基層，表明骨料的生產工藝是影響水泥穩定碎石性能的關鍵指標。李哲等［9］通過擊實試驗研究表明，風化花崗巖水泥穩定基層的水泥摻量以4%～5%為宜，能夠滿足高等級公路底基層的強度要求。黃法禮等［10］研究了多種隧道棄渣的特性，分析了將其應用在公路建設中可能存在的難點，如不同區域產生的隧道棄渣差異較大、開挖方式的不同導致隧道棄渣集料形狀大小離散性過高。

綜上所述，結合遵秦高速公路建設實際，本研究首先測試分析花崗巖棄渣的物理性能，然后通過重型擊實試驗與7 d齡期無側限抗壓強度試驗確定最大干密度、最佳含水量和最佳水泥用量，并通過間接抗拉試驗、抗壓回彈模量試驗、凍融試驗、干縮和溫縮試驗測定水泥穩定棄渣碎石的路用性能，并與實際工程常見的水泥穩定石灰巖碎石和片麻巖碎石的路用性能進行對比，為遵秦高速公路建設資源化利用隧道棄渣，建設高品質水泥穩定基層提供技術支撐。

1 原材料及配合比設計

1.1 原材料

試驗選用河北產42.5R水泥，隧道花崗巖棄渣來源于遵秦高速公路施工現場，經加工后的花崗巖棄渣呈現淺肉色、淺綠色、灰色不規則長方體。

隧道花崗巖棄渣的物理性質如表1所示，壓碎值、針片狀含量等物理性質均滿足規范和設計要求［11］，可用于高速公路基層建設。

1.2 集料級配設計

根據《公路工程集料試驗規程》（JTG E42-2005）對隧道花崗巖棄渣進行篩分，每檔料進行多次篩分，然后取其平均值。試驗篩除gt;31.5 mm的超粒徑顆粒。篩分試驗結果如下頁圖1所示，均滿足規范要求［12］。

隧道花崗巖棄渣的級配直接影響水泥穩定基層的性能。骨架密實結構依靠粗集料形成骨架，細集料填充粗集料之間的空隙，水泥和細集料能夠裹附在粗集料表面，提高了混合料的整體穩定性。本文主要采用骨架密實結構級配，0～4.75 mm∶4.75～9.5 mm∶9.5～19∶19～26.5 mm各檔料所占整體集料質量的百分比為35∶19∶34∶1 具體級配如圖2所示。

1.3 最大干密度和最佳含水量

通過室內擊實試驗確定水泥穩定碎石的最佳含水率和最大干密度，使其達到最大壓實度。按照集料公稱最大粒徑為26.5 mm，選擇重型擊實試驗方法。水泥用量初步設定分別為3%，4%，5%，6%，含水量區間分別為4%，4.5%，5%，5.5%，6%。不同水泥摻量下隧道花崗巖棄渣水泥穩定基層的含水率-干密度曲線如圖3所示。

從圖3可以看出水泥穩定基層存在一個最佳含水率，合理的含水率能使集料表面潤濕更加均勻，便于最大程度的壓實。含水率過大容易使集料發生滑移，同時也會增加收縮產生裂縫。當水泥摻量從3%增加至5%時，試件最大干密度變化較??；當水泥摻量從5%增加至6%時，最大干密度有明顯增加。這主要是由于水泥填充了集料間的空隙，使試件更加密實。

1.4 最佳水泥用量的確定

無側限抗壓強度是表征水泥穩定碎石抗壓能力的重要指標。采用靜壓法成型無機結合料圓柱形試件，7 d無側限抗壓強度如表2所示。

由表2可以看出，隨著水泥摻量的增加，試件的最佳含水率和抗壓強度呈上升趨勢。根據規范要求，當水泥摻量gt;4%時，隧道棄渣水泥穩定基層能滿足強度要求，而最佳含水率的增大會導致基層自收縮和干燥收縮率增加，降低路面的耐久性。綜上，采用水泥摻量為4%，各項性能如表2所示。該配合比在滿足規范要求的情況下，擁有良好的強度同時也能降低經濟成本。

2 路用性能研究

2.1 力學性能

試件采用靜力法［13］成型，采用試件尺寸為150 mm×150 mm的圓柱體進行劈裂、凍融和抗壓回彈模量試驗；制作100 mm×100 mm×400 mm的中梁試件用于干縮和溫縮試驗。選取相同水泥摻量的水泥穩定石灰巖碎石、片麻巖碎石做對照。不同集料的水泥穩定碎石間接抗拉強度試驗結果如表3所示。

水泥穩定隧道棄渣的劈裂強度為0.45 MPa，滿足規范［14］要求，同時不同集料制備的水泥穩定碎石劈裂強度大致相同。表明在相同的配合比下，隧道棄渣花崗巖集料的指標能夠滿足規范要求，可以應用于高速公路的基層建設。

回彈模量用于評價水泥穩定碎石剛度，一定程度上反映了水泥穩定碎石的抗變形能力。如表4所示為不同集料的水泥穩定基層抗壓回彈模量。從表4可以看出不同集料對水泥穩定碎石抗壓回彈模量影響較小，并且隨著養護齡期的延長，水泥穩定碎石的抗壓回彈模量不斷升高。在文獻［15］中探討了水泥穩定碎石回彈模量與無側限抗壓強度的關系，預估水泥穩定隧道花崗巖棄渣90 d的抗壓回彈模量可以gt;1 300 MPa，滿足規范要求。

2.2 抗凍性能

材料的抗凍性一般通過一定次數凍融循環后強度的降低情況來表征。采用養護28 d的試件經5次凍融循環后的無側限抗壓強度與未凍試件無側限抗壓強度之比作為抗凍指標，如式（1）所示。不同集料水泥穩定碎石的凍融強度試驗結果如表5所示。

BDR=（RDC／RC）×100（1）

式中：BDR——經n次凍融循環后試件的抗壓強度損失（%）；

RDC——n次凍融循環后試件的抗壓強度（MPa）；

RC——未凍融試件的抗壓強度（MPa）。

從表5可看出，凍融循環后的試件抗壓強度有一定程度的降低，水泥穩定碎石內的水經過反復凍結、融化后使試件本身的整體結構發生改變，從而影響試件的強度。不同集料的水泥穩定碎石7 d凍融循環后抗壓強度的損失為93%～94%；養護28 d的試件凍融循環后抗壓強度損失為97%～98%。這表明隨著養護齡期的延長，水泥不斷水化填充集料空隙，加強了集料與水泥的界面過渡區的粘結，從而提高抗凍性。

2.3 干縮和溫縮特性

采用100 mm×100 mm×400 mm中梁試件進行15 d干縮試驗，試驗每天讀取千分表一次，直到試驗結束。每組配合比制備6個試件，其中3個用于干縮變形測試，另外3個用于測試質量損失。

水泥穩定花崗巖碎石干縮試驗結果如表6和下頁表7所示。由表6可知，隨著齡期的延長，隧道棄渣水泥穩定基層的累計失水率逐漸增加，但失水速率逐漸降低。前期試件與養護環境濕度梯度大，濕度差導致水分喪失速率較快。水泥早期水化速率較快也會加快水分的減少。隨著養護時間的增加，試件內部形成的濕度梯度逐漸增大，使試件內部中心處的濕度開始下降。干縮系數與干縮應變有相似的增長規律。水泥穩定花崗巖碎石早期的干縮系數增長較快，隨后趨于平緩，主要是由于水分蒸發過快和水泥水化綜合作用。

由表7可知，隧道花崗巖棄渣及片麻巖與石灰巖的干縮結果相近，隧道花崗巖棄渣水泥穩定基層的干縮性能較好，表明水泥穩定基層的集料種類對干縮性能的影響較低。

不同碎石類型的水泥穩定基層溫縮試驗結果如表8和表9所示。由表8～9可知，碎石種類對水泥穩定基層的溫縮性能會產生一定影響，但影響很小。隧道花崗巖棄渣水泥穩定基層的平均溫縮系數低于片麻巖、石灰巖水泥穩定基層，溫縮性能優于兩種以上碎石。

3 結語

（1）經過破碎后的隧道花崗巖棄渣的壓碎值、針片狀含量、吸水率等物理性質滿足基層材料的技術要求。

（2）水泥穩定隧道棄渣最佳水泥用量為4%、最大干密度為2.334 g/cm3、最佳含水量為4.8%，7 d無側限抗壓強度為5.13 MPa時，滿足水泥穩定碎石的技術要求。

（3）水泥穩定隧道棄渣的劈裂強度、抗壓回彈模量、抗凍性等路用性能均滿足規范和設計要求，表明集料的物理力學性能在滿足規范要求的情況下，集料的種類對水泥穩定碎石的力學性能影響較小。

（4）水泥穩定隧道棄渣的干縮系數穩定保持在60～80×10-6，15 d平均干縮系數為73.19×10-6，平均溫縮系數為8.38×10-6·℃- 相比石灰巖碎石和片麻巖碎石的水泥穩定基層，水泥穩定隧道棄渣的抗溫縮性能更強。

（5）水泥穩定隧道花崗巖棄渣各項路用性能指標達到設計文件和規范要求，經濟和社會效益顯著，具有廣闊的推廣應用前景。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-12

基金項目：河北省遵秦高速科技示范工程項目“隧道開挖花崗巖棄渣在高速路建設中的應用技術研究”（編號：RP2021003700）

作者簡介：蔣永祥（1973—），博士，教授級高級工程師，主要從事道路材料研究工作。