公路水穩基層施工中紅砂巖集料的應用

韓健 任黎明

摘要 為探究紅砂巖集料在公路水穩基層中應用的控制要點，以某新建公路段為例，首先從其各標段路基開挖紅砂巖廢石料中，取材制備紅砂巖集料，并進行物理性能、抗軟化、抗干縮等工程性能試驗；然后開展紅砂巖水穩基層的配合比設計，并對其水穩基層施工技術要點進行分析探討。結果表明，粒徑9.5～26.5 mm的紅砂巖集料代替石灰巖集料所制備出的水穩基層無側限抗壓強度、劈裂強度均較高，耐久性好，故紅砂巖粗集料完全可取代石灰巖粗集料在公路水穩基層中推廣應用；而紅砂巖細集料相關工程性能仍有待進一步研究。

關鍵詞 公路；水穩基層；紅砂巖；集料；施工

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0069-03

0 引言

水穩碎石基層是公路工程中重要的承載結構層，其結構中砂石集料占比在95%及以上，通常以花崗巖、石灰巖等優質集料為主。但因優質砂石資源分布的不平衡性及稀缺性，采購及運輸成本日漸增大。紅砂巖為長期風化、沉積作用下形成的強度、水穩性明顯不同且工程性能不良的沉積巖，在我國中東部及西南地區分布廣泛。若將其作為水穩基層填料使用，既能消納公路廢石，省去棄石場建造環節，又能較好地替代外購石料，可以緩解優質石料供應不足的局面。基于此，該文依托公路工程實際，對路基開挖過程中產生的紅砂巖廢石作為水穩基層材料應用的過程展開深入分析，以供參考。

1 工程概況

某公路全線長83.25 km，劃分成5個標段，各標段主線路基挖填方量均較大，路基填筑質量要求高。結合地質勘查結果，各標段路基開挖過程中均會產生一定量的紅砂巖廢石，如果將廢石料棄置，再采購優質填筑材料，必將增大廢石料棄置費用及施工成本。為此，公路管理部門決定將開挖出的紅砂巖廢石加工處治后作為水穩基層材料使用，以達到節省施工成本和保護環境的雙重目的。

2 紅砂巖集料制備及工程性能分析

2.1 紅砂巖集料制備

對該公路段沿線紅砂巖取樣，展開母巖崩解情況觀察，同時進行母巖化學成分和單軸飽水抗壓強度的檢測，結果見表1所示。據此看出，1標、2標處紅砂巖母巖屬于優質砂巖，單軸抗壓強度高；3標、4標紅砂巖母巖輕微崩解；5標紅砂巖母巖嚴重崩解風化。

以單軸抗壓強度最高的2標紅砂巖為對象，開展集料加工及工程性能研究。具體而言，通過石灰石集料破碎篩分工藝進行紅砂巖集料加工。此類集料在加工過程中對破碎機具存在損傷，且制備出的集料粉含量高、粒型差。經過不斷的調整，得出由顎式破碎機一級破碎，反擊式破碎機二級破碎的加工方式[1]，能夠制備出粒徑0～4.75 mm的細集料以及粒徑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《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）開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；同時根據《公路土工試驗規程》（JTG 3430—2020）及《公路工程巖石試驗規程》（JTG E41—2005）測定紅砂巖細集料塑性指數及抗崩解性能[2]。檢測結果見表2和表3所示。根據檢測值看出，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粒型差、硬度低，針片狀含量高、破碎量大。紅砂巖粗集料經歷5次循環崩解試驗后，抗崩解指數有所降低，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，對紅砂巖細集料和石灰石細集料物理性能開展比測。結果顯示，紅砂巖細集料粉含量達到19.1%，壓碎值為23.9%，遠遠超出規范限值，無法發揮集料填充及支撐作用，不利于水穩基層強度及抗裂性能的提升。為次，應加強細集料中軟弱顆粒含量及粉含量控制，保證其物理力學性能。

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。采用相應技術將其破碎成粗細集料后，按照集料試驗規程對其抗軟化性能開展檢測。

（1）粗集料抗軟化性能。根據粗集料分級篩余，計算其整體加權平均壓碎值[3]；并開展質量損失率和壓碎值測定，結果見表4所示。據此看出，紅砂巖集料加權平均壓碎值比石灰巖小，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25.7%，硬度略低于石灰巖，其余粒徑的集料硬度均比石灰巖高。

（2）細集料抗軟化性能。依據其中分級篩余占比情況，開展加權平均壓碎值計算，粒徑2.36 mm以下的細集料浸水24 h后烘干，集料固結，無法開展測試。故使用粒徑在2.36～4.75 mm之間的紅砂巖細集料開展壓碎值試驗，結果見表5所示。據此看出，紅砂巖細集料壓碎值遠超石灰巖，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。為避免其作為水穩基層材料后發生開裂，必須對其開展抗干縮性能檢驗。選取破碎后粒徑在0～4.75 mm之間的紅砂巖集料，并根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）開展擊實試驗，測定其最大干密度與最佳含水率；同時按照表6級配要求成型試件，以消除累計干縮應變所受級配的不利影響[4]。此后將試件放置于20℃±1℃且濕度位于60%±5%的環境。

所測得的紅砂巖粗細集料塑性指數為7.5和9.8，石灰巖粗細集料塑性指數為4.9和5.2。累計干縮應變和累計失水率測值見表7所示。根據測值看出，紅砂巖和石灰石粗細集料累計干縮應變均隨齡期的延長而先增大，后趨于穩定；前期紅砂巖集料累計干縮應變小于石灰石，當齡期超出10 d后紅砂巖集料累計干縮應變也超過石灰石。紅砂巖粗細集料在30 d齡期時累計干縮應變分別達到5.14×10?4和6.91×10?4；累計失水率則分別達到1.88%和2.00%。

3 紅砂巖水穩基層配合比設計

考慮粒徑在0～4.75 mm之間的紅砂巖細集料強度低、抗干縮性能不良，故水穩基層混合料以選用砂巖為粗集料，以石灰巖為細集料。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，以塑性指數較高的石灰巖石屑為細集料；配合比2以相應粒徑石灰巖為粗集料，以塑性指數較低的石灰巖機制砂為細集料。級配情況見表8所示。

對以上兩種配合比試件開展擊實試驗，根據擊實結果及無側限抗壓強度試驗結果，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無側限抗壓強度依次為3.3 MPa和4.0 MPa，完全達到一級公路及特重公路的強度要求。考慮配合比2具有更高的強度富余系數，故該公路紅砂巖水穩基層推薦采用這種方案[5]。

4 紅砂巖水穩基層施工要點

4.1 材料處理

將開挖出的紅砂巖填料置于室外堆場，經過陽光及空氣等自然力的作用以及人工灑水后風化崩解，持續作用8～15 d，以消除其材料活性。待紅砂巖塊表面形成大量裂縫，搬動時巖塊隨即碎裂成巖堆，即達到較好的崩解狀態。

4.2 路基填筑

在施工開始前，配置1臺激振力為260 kN的40 t輪式振動壓路機和1臺激振力為400 kN及以上的60 t拖式振動壓路機。通過推土機推平紅砂巖填料，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。此后通過監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，因為大粒徑紅砂巖受到自然力及荷載作用后必然會造成所在路基沉陷和路面破壞；同時也不利于路堤水穩性的提升。

4.3 碾壓

紅砂巖水穩基層填筑施工中，壓實機械的選用是施工質量控制的關鍵環節。由250 kW推土機耙壓3遍后，再通過40 t以上的光輪壓路機和60 t以上的振動羊角碾碾壓4～6遍。碾壓層厚度應控制在40 cm及以下，以保證壓實均勻。

結合試驗結果，對于含水量最佳且壓實至最大干密度的紅砂巖材料，浸水后的強度和密度降幅才為最低，水穩性也最好。為此，該公路水穩基層施工期間紅砂巖含水量應不超出8%～12%范圍。

5 結論

綜上所述，紅砂巖石料黏土礦物含量高，抗軟化、抗干縮性能比石灰巖石料差，通過顎式破碎機一級破碎、反擊式破碎機二級破碎方式加工后可得到規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基層試件7 d無側限抗壓強度，僅比石灰石集料制備的水穩基層強度低3.9 MPa，耐久性相對較好，符合一級公路和特重公路基層強度。工后跟蹤檢測結果表明，紅砂巖集料水穩基層強度及抗開裂性能較好，可為路面提供較好支承，在紅砂巖石料分布廣泛地區的公路建設中值得推廣應用。

參考文獻

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

[2]謝蘭夫， 洪祥水. 紅砂巖質土路基智能化壓實施工技術應用研究[J]. 科技創新與應用， 2023（23）： 189-192.

[3]李立國. 紅砂巖路基施工工藝及修筑技術[J]. 科學技術創新， 2023（18）： 120-123.

[4]陳福玲， 溫郁斌， 單俊鴻， 等. 紅砂巖集料對水穩基層強度與抗軟化性能的影響[J]. 硅酸鹽通報， 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基層中的應用研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2017（9）： 136-137.