玄武岩骨料路用性能研究进展

张立兵 朱月雷 李景春 陈卫卫 朱 贺 琚 琳 任启芳 李金鹏 丁 益,3,4

（1 安徽省路桥工程集团有限责任公司；2 安徽建筑大学材料与化学工程学院）

（3 安徽省先进建筑材料工程实验室；4 安徽省先进建筑材料国际联合研究中心）

0 引言

骨料是混凝土中必不可少的材料，通常在混凝土中占70%～80%，对混凝土起到支撑作用和填充作用，是混凝土的骨架[1]。骨料粒径对于混凝土性能有很大的影响，如抗压强度、耐高温性、流变性和抗断裂性能等，其中抗压强度随骨料粒径的变化主要是由于骨料粒径对孔隙特性和胶凝体厚度的影响[2]；同时，不同的集料粒径分布就会产生不同的级配，所以级配对于混凝土的性能影响也是极其重要[3]。骨料的种类可分为人工骨料、天然骨料和再生骨料。其中常用的天然骨料有石灰岩、花岗岩和玄武岩等，其物理特性见表1，力学性质见表2。玄武岩（见图1）是由于火山喷发而冷却凝固成的一种泡沫状的岩石，主要化学成分有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO和MgO 等，其中SiO2约占40%～50%，其多孔气状的结构也称多孔玄武岩，不仅坚固耐用，而且隔热和隔音效果也好，所以其被广泛应用于建材行业，充作混凝土的骨料；此外，玄武岩由于具有较高的抗压强度、抗腐蚀性强，被广泛用于公路和高速公路，也可用于机场的路面[4]。我国玄武岩分布比较广泛，尤其安徽省滁州市玄武岩矿产资源比较丰富，距今发现的大约有1.68 亿吨，可用的有3400 万吨。如今混凝土行业也在迅速的发展[5]，但是由于天然的优质骨料缺乏，为了生产更环保、更经济的混凝土，大部分会选择就地取材，因为玄武岩在我国分布较为广泛，所以其在我国建筑材料中是一种常见的骨料了，特别是在公路和房屋建筑中被广泛的使用。

图1 玄武岩

表1 玄武岩及其他常用岩石的物理特性

表2 玄武岩及其他岩石一般力学特性指标

由于玄武岩分布比较广泛，而且其强度满足施工规范、加工比较简单、颗粒体型好等众多优点，所以被广泛的应用。对于多孔骨料用混凝土，因其对生态环境具有很好的作用，国内外都在进行研究[6]，玄武岩作为多孔骨料，它的透水性能强，而且孔隙连续密集，可大部分作为道路地面、使污水进行净化和吸声材料等众多行业领域中[7]。对于多孔的混凝土来说，其内部所具有的细骨料比较少，大部分是粗骨料相互之间由水泥浆粘结而成，会具有分布均匀的孔隙，对于透水性能来说具有很强的效果。因此，对多孔玄武岩的利用是一个非常重要的问题。世界上约15%的玄武岩产量已被用于不同的领域，如混凝土、沥青混合料，本文综述了近年来玄武岩骨料作为道路工程材料的研究进展。

1 玄武岩的构造及特性

玄武岩广泛分布于全国各地，我国玄武岩主要以新生代玄武质和二叠纪玄武质为主,研究人员利用图像处理技术，对我国中东地区的地质情况进行了分析[8]，大部分的玄武岩有较多的孔隙，玄武岩中存在孔隙结构和节理结构，使玄武岩地基中的地下水流动性更好。特别是在新生代玄武岩中，其孔隙的分布情况可以很好防止地下水的径流和排泄，对于人类的排水的设置应用有很大的好处。

玄武岩的孔隙排布组成了全部的玄武岩含水层的地下水储存，运输和循环系统，赋予了玄武岩更好的渗透性能。玄武岩的分布与火山活动有关。由于火山的形成，就会产生玄武岩，火山的内部和外部地质应力共同作用于下部地层。在不同的地质年限，易流动,加上气体喷发的影响，气孔结构的形成是其主要的结构特征。玄武岩构造形成是一个非常复杂的过程,会影响到岩浆的粘度、均匀性、凝结温度、冷却速率的变化、火山喷发的类型和强度以及当时的古地理环境等各种各样的因素。据目前研究，玄武岩构造主要有以下几种类型：块状构造、孔隙(柱状)构造结构、绳结构、柱接头结构、杏仁结构、枕结构[9]。玄武岩气孔构造是由于玄武岩岩浆从地面喷发后，压力急剧下降,气体迅速冷却，气体从玄武岩中冒出，形成近乎椭圆形和圆形大小的气孔时，称为气孔结构。因为玄武岩本身的压力随着温度的降低，熔岩中的挥发性组分聚集形成称为原生孔隙的孔隙；当本体孔在有外力的时候，会变为次生孔洞[10]。原生孔洞的生成两个关键的原因是：一是火山喷发产生的基本熔岩流，从火山口流出，压力和温度急剧下降，导致内部挥发性成分不断聚集，形成各种不同的仪表孔；另一种是岩浆在冷却时结晶，其颗粒大小和形状都是如此，在不同状态的晶体框架中也可以形成不同尺寸的孔隙[11]。根据孔的直径，可分为三种类型微孔、孔洞和洞穴。微孔形状几乎为圆形、椭圆形，少数出现不规则。洞是光滑的，一般填充不满。随着地质年代的变化，气孔不断发育，直径0.05～1.00mm。在其中部和底部有微小的气孔，它们以个体分散的形式均匀分布，这些微小的气孔是相互相通的。程荣对玄武岩的气孔做了深入的研究，发现了玄武岩气孔的含量及大小分布情况[12]。玄武岩的气孔构造和含量决定了其本身的性质，使其具有强度高，渗透性能好等性能，可以用于路面材料。

2 玄武岩骨料的道路工程应用

2.1玄武岩骨料用混凝土

在19世纪末，国外开始使用混凝土路面，在20世纪初混凝土路面技术开始引入我国，刚开始被用于公路，然后逐渐用于机场跑道等其他路面。透水混凝土路面被研究的最为广泛，其路面大多选用多孔骨料制备，玄武岩也是混凝土骨料的一种，我国的玄武岩比较丰富，所以许多学者对其有深入的研究，在我国南部海南省的玄武岩分布也是比较多的，为了对其充分利用，马清清和陈平[13]把天然开采的玄武岩碎石，磨细成粉状的玄武岩粉，加入混凝土中。这个实验主要研究了掺入的玄武岩对混凝土的用水量，还有其强的和氯离子渗透效果的作用，实验得到的结论是把占比30%玄武岩粉掺入混凝土中可使其强度满足C45 混凝土的合格标准，而且对于氯离子的抗渗透的效果有很明显的提升。

李强等人[14]把玄武岩用作水胶比为0.38 的混凝土中做骨料，研究玄武岩混凝土的砂率、水胶比和骨料及钢纤维对其抗压强度、耐久性和工作性能的影响，实验结果表明对于石灰岩和玄武岩分别掺入混凝土中，使混凝土的流动性变大，混凝土用玄武岩的使自身的抗折强度和抗压强度都比掺入石灰岩的混凝土的效果要好，它们都符合混凝土的拌合的要求。两种不同的混凝土的氯离子渗透效果一样，研究的配合比相同的玄武岩混凝土和石灰岩混凝土的耐久性效果也大致一样。李光伟[1]把玄武岩加入混凝土中，对其基本型性能也做了研究，主要对其的抗裂性[15]能进行深入研究，而且进行了探讨。

Hanifi Binici 和Yavuz Yardim 等 人[16]研究 了 不同尺寸玄武岩混凝土的耐久性和力学性能。本研究的创新之处在于玄武岩粉替代水泥。分别加入不同比例的玄武岩粉和砂，部分替代水泥和细骨料。水泥和砂的置换比例从5%～40%不等。通过不同龄期混凝土的强度和耐久性试验，研究了玄武岩替代对不同龄期混凝土抗压强度、耐磨性、吸水率、冻融强度和抗硫酸盐侵蚀性能的影响。研究表明，水泥和砂部分替代不同形式的玄武岩，可显著改善混凝土的上述方面。

P.P.Li 和Q.L.Yu[17]采用颗粒堆积理论，考虑最佳粉料配比，设计了最大粒径为16mm 的玄武岩粗骨料超高性能混凝土。研究了高性能混凝土的流动性、收缩、浆料强度以及抗拉劈裂强度。对玄武岩粗骨料的粒径及其粉含量变化的影响进行了研究。此外，还对掺合料的作用、骨料与钢纤维的相互作用进行了分析和讨论。结果表明：微硅粉的最佳配比为微硅粉的5%和石灰石粉的20%(以总粉的质量计)。玄武岩粗骨料对UHPC（高性能混凝土）机械强度的降低作用有限。玄武岩骨料最大粒径为8mm 和16mm 时，UHPC 的最佳粉料掺量分别为800kg/m3和700㎏/m3。此外，改进的Andersen模型的分布模量q 为0.19 被推荐用于粗集料UHPC 的设计。不含钢纤维和含2vol%钢纤维的UHPC的最佳粉量相同，含粗骨料的UHPC的纤维量较长。

雷涛[18]采用硅灰复合技术对粉末玄武岩混凝土进行了改性，研究玄武岩石粉细度、掺量对混凝土性能的影响，当玄武岩的比表面积大于600m2/㎏的情况下，其能改善混凝土的性能；掺入5%硅灰和20%玄武岩石粉混合在一起，制作的混凝土的密实度可以满足要求。综上所述，路面用玄武岩混凝土的技术正在逐渐改善，但仍需要继续深入的研究。MagdalenaDobiszewska 等人[19]研究了使用废玄武岩粉替代细骨料来提高混凝土性能。试验研究了玄武岩粉掺入混凝土的抗压和抗折强度，以及玄武岩粉掺入混凝土对界面微观结构的影响。结果表明，玄武岩粉替代砂土的加入，提高了混凝土的抗压和抗弯强度。这主要是由于玄武岩粉的填充效应。掺入玄武岩粉的混凝土界面比未掺入玄武岩粉的混凝土界面致密、强度大。玄武岩粉末的XRD 衍射图（见图2）和扫描电镜(SEM)图像（见图3）。玄武岩粉末颗粒表面粗糙，呈棱角状。XRD 衍射结果表明，矿物组成以富含钙长石颗粒的斜长石为主，同时还有辉石、角闪石及少量伊利石存在，可能是斜长石风化作用的结果。综上所述，玄武岩骨料用混凝土已经在道路领域被广泛的应用，加入一定量的玄武岩骨料，替代其他骨料用于混凝土中，增强混凝土的力学性能和耐久性能等。

图2 玄武岩粉末的XRD衍射图

图3 玄武岩粉末的扫描电子显微镜图像，左边是×4000，右边是×10000

2.2玄武岩骨料用沥青混合料

沥青混合料中集料是占比最大的，它对其级配影响很大，集料主要是由砂石组成，在我国砂石在工程领域的用量上大约有100 亿吨左右，目前趋势还在增大。沥青混合料用路面是如今被普遍的采用方法，它可为了使路面平整而且无接缝，汽车行驶更加舒适，并具有耐磨性，易于维护和维修。沥青混合料的骨架主要由骨料组成，粗骨料骨架结构是通过相互嵌接挤压形成，细骨料填充也可同时框架结构，通过水泥骨料形成致密的整体结构，构成骨架致密的结构[20]。不同等级的骨料之间的相互作用，相互联系，对混凝土骨架的形成有很大的影响，从而决定了混合料的性能，玄武岩因其强度大，耐磨性好，目前也在广泛的被用于沥青混合料，它可做粗集料，也可被制作成机制砂做细集料。

由于这些不同质量和数量的材料混合形成不同的结构，并具有不同的力学性质[21]，玄武岩集料的级配对沥青混凝土有很大的影响，良好的级配可以很好的改善混凝土的机械性能，对道路性能影响也有很大的好处[22]。因为级配会影响工程中沥青混凝土路面的密实度，平整度，防滑性能等控制指标。对于把握好沥青混合料的集料的级配，可以使道路路面会有更好的压实度，不同的集料级配，对于马歇尔的稳定度和流值和其他参数也会有不同的影响，也会对沥青混合料的力学参数和其他参数指标也会有很大的影响，集料的数量如果不一样的话，那么沥青混凝土中沥青的用量也是不一样的，虽然沥青用量占比很小，如果其中细集料的用量比较多的话，那么会需要更多的沥青含量才能达到更好效果，使结构达到致密、密实。如果粉胶比过于大的时候，沥青砂浆就会出现，它是沥青和集料相互作用的表面上的结构沥青而产生的，会影响混凝土的强度和粘聚力[23]。选择最佳的级配是提高沥青混合料力学性能的最有效方法，确定最佳油石比也是以实现混合料的最佳性能。

胡洋[24]根据多孔玄武岩骨料的特性，设计了沥青混合料的最佳配比，用于公路的面层，刘彦良也根据沥青混合料的基本参数，用多孔玄武岩做骨料，去设计沥青混合料最佳配比[25]。随着科技的发展，研究人员采用了X 射线计算机层析技术对沥青混合料级配对其性能进行研究，用X射线CT图像和数字图像处理方法去测定沥青混合料级配[26]，用贝利级配法设计钢渣集料沥青混合料[27]，除了用设计级配的方法提高沥青混合料的性能，还可以填充外加剂对级配进行优化，研究人员添加聚合物去优化级配，用SBS 聚合物改性沥青开级摩擦层(OGFC)混合料[28]，把铁素体填充于开级配摩擦层沥青混合料中，去优化混合料的级配，接着又有铁氧体]填充在混合料中，优化级配，因此要优化级配,然后优化混凝土性能。Erol Iskender[29]用LCPC 车轮跟踪试验，研究粗细SMA 混合料的玄武岩和玄武岩石灰岩骨料组合的车辙情况。对不同最大骨料粒径和级配变化情况下LCPC车轮跟踪试验的敏感性进行了研究。认为在含玄武岩的SMA中，石灰石骨料可作为填料和细粒级配，在SMA混合料级配中掺入石灰石骨料，SMA 混合料的车辙抗力相对降低。

詹学成[30]把多孔玄武岩掺入沥青混合料中，发现了多孔玄武岩在相同油石比的情况下，级配下空隙率较高，主要是因为集料空洞的存在会吸收沥青，减少了自由沥青，使得沥青与矿粉的混合物难以封闭粗集料之间的空隙。在表干法中，水容易进入空隙并吸附其中，造成空隙率大。另外相同油石比多孔玄武岩稳定度较小，流值较大。研究多孔玄武岩骨料对沥青混凝土性能的影响虽然取得了一些成就，但仍然存在很多不足，但是还有一些未知点，例如多孔玄武岩骨料级配不能影响沥青混凝土时的最大变化范围，骨料级配的变化会影响沥青混合料的哪些性能因素的变化。掌握玄武岩骨料级配对沥青混合料主要性能及其影响因素，可以优化级配，以实现沥青混合料的最佳性能。

3 结语与展望

随着我国的道路建设迅速发展，所需要的原材料越来越多，玄武岩作为一种高强度、抗氧化、耐酸碱、防火阻燃等高性能的原材料，它可以作为道路工程方面和其他众多方面使用。因此，我们要更加的发掘玄武岩更多的潜在的价值，去充分的利用它，为我国道路的发展做好坚实的基础具有重要的意义。本文综述了玄武岩骨料用于混凝土、沥青混合料中的耐久性和力学性能等其他性能。主要结论如下：

⑴把不同种类玄武岩骨料用于混凝土中，可使混凝土的抗压强度、隔音、隔热、轻质高强等性能的效果提升，对水泥混凝土路面的优势进一步提升。

⑵玄武岩骨料用于沥青混合料中，会使路面变得更耐磨、透水性好、行车舒适等，可为沥青混合料路面提高更优质的性能。

⑶未来应继续探索对玄武岩的性能的研究，使它的性能变得更加优质，为更好的满足道路各方面研究做好技术储备。

⑷由于玄武岩骨料用于路面基层方面的研究比较缺乏，研究人员要加强对玄武岩骨料用于路面基层的探索，这样可以降低工程成本，且有更高的利用价值。