地产材料在公路建设中的应用

陈东丰，陈志国，姚冬冬

（吉林省交通科学研究所，吉林 长春130012）

0 引言

“加快推进绿色循环低碳交通运输发展”是交通运输部提出的行业发展目标。如何集成现有技术成果，做到因地制宜、就地取材，从而实现公路建设的绿色、循环、低碳发展，是当前公路建设亟需解决的主要问题。我国火山灰、硅藻土、煤矸石等地产材料储量丰富，开发潜力巨大，将硅藻土、火山灰、煤矸石、硼灰等地产材料合理的应用于公路工程建设中，最大限度地发挥地产材料特性，因地制宜，就地取材，不但可缩短筑路材料运距、降低油耗，还能增强路基路面的使用性能和耐久性，减少公路养护维修费用，实现资源节约循环利用。

本文在大量试验研究的基础上，介绍了火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰等地产筑路材料在公路工程中应用的主要性能和技术指标，对地产材料在国内其他地区的应用具有一定的借鉴意义。

1 火山灰材料

火山灰是火山喷发时随同熔岩一起喷发的大量熔岩碎屑和粉尘沉积在地表面或水中形成松散或轻度胶结的物质，具有一定的活性。我国火山灰资源十分丰富，储量可达几十亿立方米以上，因地制宜把火山灰材料用于公路建设中，充分利用火山灰材料的隔温性、活性，来填筑抗冻路基、修筑基层、作填料型改性剂改性沥青混凝土，具有十分重要的意义。

1.1 火山灰作为路基填料的试验研究

在寒冷的气候条件下，由于路基土冻结变形而引起的路面开裂已成为冻土区路面破坏的主要形式之一，严重地影响了路面结构的使用性能和耐久性。因此，为了减少和防止公路路基路面冻胀破坏，冻土区路基应采取抗冻措施，而应用隔温性能良好的筑路材料就是其中一种行之有效的措施。

对火山灰的热物性系数试验表明，火山灰材料热物性系数仅为黏土的40%～60%（见表1），说明火山灰材料具有良好的隔温性能。

表1 火山灰热物系数

为了研究采用火山灰作为路基填料对路基抗冻性的影响，在吉林省长白山横山林场保护站即长白山南坡旅游公路K4+900断面，以路中心为界，道路左、右两幅分别填筑火山灰和黏土，距路基顶面2.6m 起，每隔0.2m 埋设一个温度传感器。温度传感器埋好之后，另一端的温度探测头分别置于火山灰侧与黏土侧，放入预先准备好的箱子里，并进行了平均4d 一次的跟踪观测，描绘出火山灰与黏土的温度变化曲线（见图1、图2）。

图1 火山灰温深图

图2 黏土温深图

从图1、图2 可以看出，不同深度的温度传感器在冬季不同时间的温度变化趋势一致，火山灰路基的最大冻深为1.2m，黏土路基的最大冻深为1.8m。即火山灰路基冻深明显小于黏土路基冻深，两者相差0.6m，说明火山灰材料具有良好的隔温性。

1.2 火山灰稳定类材料在路面基层中的应用

通过对火山灰材料物理化学特性的试验研究显示，火山灰材料中含有Si、Al、Fe、K、Na、Ca和Mg 等多种元素，与粉煤灰化学组成相接近，火山灰中活性组分可与石灰发生反应，形成胶结物将集料胶结为整体，因此火山灰可作为结合料与石灰共同对集料进行稳定。此外，火山渣具有较高的压碎值，可作为骨料应用于路面半刚性基层中。

对不同类型火山灰材料路面基层混合料不同龄期强度的测试结果见图3，所试验的20组火山灰材料路面基层混合料中有16 组满足高速公路和一级公路基层强度要求，180d 龄期强度在5.47～7.01MPa之间，其中石灰火山灰稳定类基层强度增长幅度较大，效果较好。

图3 火山灰材料路面基层强度

对不同组成比例的火山灰材料基层混合料抗压回弹模量以及劈裂强度的试验结果表明：

（1）火山灰路面基层抗压回弹模量为870～1346MPa，低于传统半刚性基层的抗压回弹模量，但在适合沥青路面的基层模量范围内；

（2）火山灰混合料劈裂强度在0.49～0.77MPa之间，可根据不同配比火山灰混合料的实际劈裂强度选择其应用的层位。

图4、图5 为火山灰路面基层材料的干缩系数和温缩系数试验数据，由图中数据可以看出，火山灰路面基层的干缩系数和温缩系数均明显小于二灰碎石和水泥稳定砂砾的干、温缩系数，干缩系数为传统半刚性基层干缩系数的1/3～1/2，温缩系数为传统半刚性基层温缩系数的1/4～1/2，说明火山灰路面基层具有良好的抗收缩性能。

图4 火山灰基层混合料干缩系数

图5 火山灰基层混合料温缩系数

上述试验表明，火山灰稳定类材料具有良好的力学性能及抗收缩性能，考虑各等级公路基层、底基层使用性能需求，可用于高速公路、一级公路的底基层以及二级和二级以下公路的基层、底基层，结合室内试验数据，提出火山灰稳定材料基层、底基层技术指标要求（见表2）。

表2 火山灰稳定材料基层、底基层技术指标

1.3 火山灰填料型改性剂改善沥青及沥青混合料性能的研究

对火山灰材料物理性质及化学组成的检测结果显示，火山灰粒度较细、比表面积较大（见表3），具有较为发达的孔隙结构，具备了作为改性剂改善基质沥青性能的基本条件。鉴于此，以火山灰作为母体材料，通过掺加一定比例的外加剂，制备了火山灰填料型改性剂，结合室内试验对火山灰填料型改性剂改善沥青胶浆及沥青混合料的效果进行了试验研究。

表3 火山灰粒径及比表面积

（1）火山灰填料型改性剂改善沥青胶浆路用性能的研究

沥青胶浆是沥青混合料最重要的组成部分之一。沥青胶浆的性能在相当大程度上影响着沥青混合料的路用性能。分别掺加矿粉和火山灰填料型改性剂的沥青胶浆其高低温特性的检测数据见图6。

由图6可以看出，火山灰沥青胶浆的车辙因子G*/sinδ明显高于矿粉沥青胶浆，说明火山灰胶浆的高温特性比矿粉胶浆更好；而与单一改性相比，复合改性沥青胶浆的高温性能指标以成倍的形式大幅度增长，表明SBS显著提高了胶浆的高温稳定性，且SBS对火山灰胶浆的提高幅度比矿粉胶浆大。

图6 火山灰填料型改性剂和SBS复合改性与单一改性沥青胶浆高低温性能对比

火山灰胶浆的蠕变劲度比矿粉胶浆明显增大。分析认为火山灰粗糙的表面构造和发达的孔隙结构使其具有很大的比表面能，从而吸收沥青中的轻质油分，导致火山灰胶浆的稠度增加，劲度随之增大；火山灰胶浆的蠕变速率与矿粉胶浆基本相当，表明低温下火山灰胶浆应力松弛能力和矿粉胶浆相当。

（2）火山灰填料型改性剂改善沥青混合料抗车辙性能的研究

火山灰沥青胶浆的路用性能最终通过沥青混合料的使用性能来体现。为了研究火山灰改性混合料的性能，同时验证火山灰胶浆的改性效果，对火山灰沥青混合料的路用性能进行对比试验。结果表明，与矿粉混合料相比，火山灰复合改性混合料高温抗车辙性能显著提高。

（3）火山灰填料型改性剂改善沥青混合料低温性能的研究

为了准确评价火山灰填料型改性剂对沥青混合料低温性能的改善效果，采用低温冻断试验方法对火山灰填料型改性剂改性沥青混合料的低温性能进行了试验检测，试验结果见图7。

由图7中试验数据可以看出，掺加火山灰填料型改性剂的沥青混合料，其冻断温度低于矿粉沥青混合料，由此可知，火山灰填料型改性剂有助于改善沥青混合料的低温性能。

结合上述试验数据，推荐中、重冻区公路在特重及重等级交通条件下上面层采用火山灰与5%SBS复合改性SMA沥青混合料，中面层采用火山灰与5%SBS复合改性AC型沥青混合料，混合料的路用性能指标宜满足表4中的性能指标要求。

图7 火山灰填料型改性剂复合改性沥青混合料冻断性能试验图

表4 火山灰填料型改性剂改性沥青混合料路用性能技术标准

2 硅藻土改性沥青混合料

硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，是由一种单细胞的水生藻类遗骸和软泥固结而成的沉积岩。硅藻土无味无毒，具有体轻、质软、多孔、耐酸、比表面积大、化学性质稳定、热稳定性和吸收力强等特性，作为填料型改性剂能够较好地改善沥青混合料的路用性能。

2.1 硅藻土特性的研究

硅藻土作为沥青混合料填料型改性剂，具有以下特性：

（1）硅藻精土粒径在1～40μm 之间，有利于硅藻土与沥青均匀混合，且具有较好的分散作用；

（2）硅藻土含有30%～40%孤立的、自由分散的亚微非聚结颗粒，一旦混入沥青中，这种非聚结颗粒便互相排斥，不凝结，使得硅藻颗粒能够较好地分散于沥青中；

（3）硅藻土比表面积较大，每克硅藻精土大约有28m2以上的表面积，有利于增大与沥青间的作用面积，从而增加了结构沥青的比率，提高沥青胶浆抵抗高温流动变形和水分子侵入的能力；

（4）硅藻壳壁最低莫氏硬度为4.5～5.5，加入沥青后莫氏硬度可达到5.6～6.0[2-3]，这一特性使得硅藻土在沥青混合料中起到支撑骨架作用，进而改善了沥青混合料的力学性能；

（5）硅藻土细孔内表面有OH基团分布，这使得硅藻土具有较强的表面活性和吸附能力，能够将沥青吸附在硅藻微粒壳的表面，形成机械锁力，使混合料的黏度增大、吸附性增强，再黏结集料，构成高强度的沥青路面，这是改善路面性能最关键的因素。

2.2 硅藻土改性沥青混合料路用性能的研究

（1）直接掺入硅藻土的沥青混合料路用性能

选用分别加入5%、6%、7%硅藻土改性剂的沥青混合料进行试验，加以对比分析。试验使用集料与级配不变，测得掺入不同比例硅藻土的沥青混合料路用性能见表5。

由表5中试验数据可知，掺入硅藻土后，沥青混合料的动稳定度均比基质的大，且随着硅藻土用量的增加而增大，混合料低温性能也有所改善。但当硅藻土掺量为7%时，其低温性能则有所下降。混合料水稳定性在硅藻土掺量为6%时最佳。

表5 硅藻土改性沥青混合料路用性能指标

（2）硅藻土等量替代矿粉后的沥青混合料路用性能

在直接掺入硅藻土的沥青混合料路用性能的试验基础上，采用硅藻土等量替代矿粉的形式再次进行了沥青混合料路用性能对比试验，试验结果如表6所示。

表6 硅藻土改性沥青混合料路用性能指标

由表6中试验数据可以看出，采用硅藻土等量替代矿粉后，对沥青混合料高温性能的改善效果优于直接掺入硅藻土的沥青混合料，低温性能也有所提高，因此推荐采用硅藻土等量替代矿粉的形式改善沥青混合料性能。

3 煤矸石材料

煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石，是在煤矿建设和煤炭采掘、洗选加工过程中产生的数量较大的矿山固态排弃物，同时又是一种重要的再生资源。根据其工程特性，可以用于公路路基及路面基层建设。煤矸石路基及路面基层具有优良的路用性能，能够大量消耗煤矸石材料，减少对土地资源的占用，降低公路建设成本，具有资源利用、经济环保等优点，有利于推广应用。调查显示，2010 年我国粉煤灰和煤矸石产生量约10.7亿t，预计到2015 年产生量将继续增加，有望达到13 亿t。将煤矸石合理地应用于公路建设中不仅可减少石料等资源的消耗，避免资源浪费，且可减少废弃物堆放对环境造成的污染，具有显著的经济效益和社会效益。

3.1 煤矸石作为路基填料路用性能的研究

表7是对吉林省湾沟煤将矸石作为路基填料时CBR 的试验检测结果。由表中数据可以看出，煤矸石材料CBR 值较大，填筑路基的承载力完全能够满足各等级公路对材料强度的要求。煤矸石路基的CBR 值随着粗颗料比例和填料粒径的增大而增大。路基填料的强度主要取决于两个方面：内摩擦角和黏聚力。液塑限试验结果表明，两种煤矸石的塑性指数都比较小，属于砂性或粉性材料，黏聚力小，路基的强度主要由颗粒间的内摩擦力决定。同其他碎石料一样，大粒径的煤矸石通常具有较为显著的面和棱角，因此在碾压后能够较好地相互嵌挤锁结而具有较大的内摩擦角，强度也随之提高。看出湾沟煤矸石的导热系数小于黏土和砂的导热系数，而道清煤矸石的导热系数比黏土和砂的导热系数稍大，表明已燃煤矸石的隔温性能要优于普通的砂土材料，而未燃煤矸石的隔温性能则比砂土要差一些。这说明在寒冷季冻区，已燃煤矸石可以用作路基隔温层材料，进而减小路基的最大冻深，改善道路的冻胀翻浆等病害情况。

表7 吉林省湾沟煤矸石CBR试验结果

表8 煤矸石导热系数试验结果

3.2 煤矸石应用于路面基层的试验研究

表9为采用煤矸石的半刚性基层混合料无侧限抗压强度试验数据，由表中数据可以看出，无机结合料稳定煤矸石混合料的强度满足各等级公路基层强度要求，而采用不同产地煤矸石，其混合料强度也有所不同，因此应用时宜首先进行室内试验研究。

表9 无机结合料稳定煤矸石无侧限抗压强度试验数据

4 硼灰

硼灰是工业上利用硼镁矿生产硼砂后排出的废渣，每生产1t 硼砂约排出3～4t 硼灰，调查显示吉林省硼灰年产量为10.22万t。硼灰呈碱性，其碱液可溶到水中，使周围农田碱化，作物减产，严重者可使农作物绝产，并且对周围的饮用水产生污染。将硼灰用于道路建设中，可以变废为宝、保护环境、节省能源和筑路材料，有明显的经济效益和社会效益。因此，对硼灰路用性能进行研究意义重大。

图8为无机结合料稳定硼灰材料不同龄期无侧限抗压强度试验结果。测试结果显示两种比例硼灰混合料的7d抗压强度值满足规范要求。

图8 硼灰混合料无侧限抗压强度

表10所示为对养生28d的硼灰试件进行5次冻融循环的试验数据，由试验数据可以看出，两种配比混合料经5次冻融循环后的残留强度比满足规范要求。

表10 养生28d的硼灰试件经5次冻融循环后的强度

5 地产材料在吉林省公路工程中的应用

根据地产材料特性，将其合理地应用于公路工程中不但可以确保公路使用性能，延长公路使用寿命，还能充分利用资源，节约工程造价，经济及社会效益显著。国内多个省份开展了相关研究，并将地产材料应用于公路工程建设和养护中。调查显示，火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰和生态砌块等地产材料仅在吉林省公路工程中便已应用近200km，其中火山灰材料在北岗至泉阳公路、砬子河至安抚界三级公路、长白山南坡旅游二级公路的路基、路面基层以及长余高速公路沥青面层中得以应用，应用里程近110km。硅藻土应用里程近125km，其中在高速公路上推广硅藻土沥青混合料路面7.69km，在一级公路推广了8.1km，在二级公路上推广了109.6km。煤矸石在吉林省九台、白山地区以及双阳地区公路路基、路面基层建设中得以应用，硼灰在通化至新开岭高速公路大川互通式立体交叉的被交路修筑了试验路。

在2013 年开展的“长白山区鹤大高速公路资源节约循环利用科技示范工程”中，将火山灰、硅藻土、煤矸石等地产材料在鹤大高速公路建设中进行规模化推广应用。

6 结语

吉林省依托丰富的地产材料资源，近十年来在交通运输部、省交通运输厅的大力支持下，先后对火山灰、硅藻土、煤矸石、硼灰等地产材料开展了系统的研究，取得了大量成熟的研究成果。截止目前，上述地产材料在吉林省公路建设及养护工程中推广应用近300km，地产材料的合理应用确保了公路建设质量，实现了资源节约和循环利用。

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