多孔玄武岩在安徽省高速公路建设中的应用分析

秦 琳 （安徽建工集团控股有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

多孔玄武岩是火山爆发时熔融岩浆喷出地表冷凝过程中，伴随体内大量气体溢出而形成的含蜂窝气孔状岩石,属于典型的熔岩区不良地质基岩[1]。与其它类型岩石相比，内部孔隙发达、孔隙率大，吸水率常超过2%，部分能达到4%～5%[2]。在工程应用中，尤其是沥青混合料面层，吸水率过大直接影响最佳油石比的确定、沥青用量及拌合温度等；进一步地，对面层的耐久性和抗冻性也有显著影响，这也严重制约多孔玄武岩的应用前景。然而，高速公路路面集料需求量猛增，考虑到传统石灰岩集料供应不足、价格猛增等实际问题，若能严格控制多孔玄武岩吸水率，在选择母岩时准确分析其岩性，选择吸水率满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）[3]的母岩进行集料加工并应用于沥青混合料中，对我国高速公路建设具有重要的经济价值。

多孔玄武岩是否能应用的关键在于其吸水率等特性能否满足要求。近年来，国内众多学者对多孔玄武岩的力学性质和应用场景进行了研究，取得了丰富的成果和实践经验。如肖巧林和唐伯明[1]采用室内试验方法对海南琼北石山地区处于不同深度的亚碱性拉斑玄武岩的基本力学指标进行了分析，发现孔隙率对多孔玄武岩的力学性质影响显著；范倩等[4]对多孔玄武岩与花岗岩、石灰岩及闪长岩进行了对比分析试验研究，给出了多孔玄武岩吸水率大、藏水强、升温慢的根本原因，并提出工程应用中的解决措施；吴启一等[5]利用玄武岩短切纤维改良多孔玄武岩碎石力学性能，结果表明纤维对混合料的劈裂强度、无侧限抗压强度等各项力学性能均有增强，并可用于高等级道路基层；胡海东[6]开展了多孔玄武岩作为海南省某一级公路水泥稳定基层填料的应用研究，给出了多孔玄武岩在路面施工中的质量控制建议；朱波霖[7]对浙江嵊县组气孔玄武岩应用于铁路路基填料进行了可行性研究，并给出了多孔玄武岩作为路基填料改良效果评价体系。

鉴于多孔玄武岩分布范围广、地区区域性质差异大，作为石灰岩等传统路基路面填料的替代还需进一步加强试验和工程实践研究。因此，本文采用室内试验和工程实践相结合的方法，对多孔玄武岩在高速公路下面层沥青混合料应用进行深入分析和探讨，论证了多孔玄武岩作为填料的可行性，并给出了提高水稳定性和粘结性能的改良方案。

1 工程概况

某高速公路为“纵一”徐杭高速（徐州到杭州）的联络线，采用双向四车道高速公路标准建设，路基宽度27m，设计时速120km/h。该高速公路位于滁州市境内的路基全长12.18km，路面长度30.79km。鉴于环保、石灰岩集料的短期价格和供应量不足等因素，在保证集料质量合格的前提下，本路段拟采用多孔玄武岩作为下面层沥青混合料的集料。

2 多孔玄武岩力学特性

图1 沥青下面层摊铺

所选多孔玄武岩矿料母材取自路基挖方段，取后首先进行原材岩性分析，如图2 所示，所用多孔玄武岩为灰黑色，黄斑状结构、块状构造，主矿物为斜长石、辉石，硬度高，其中斜长石自形-半自形板条状，呈弱定向分布。

图2 多孔玄武岩

为确定矿料的离散性、坚硬强度以及耐久性，对多孔玄武岩进行干燥和饱水状态下立方体抗压强度试验、坚固性试验和冻融循环试验，如图3 所示。试验结果表明，所选矿料离散性较大，饱和吸水率小于2%时，其饱水状态下抗压强度大于60MPa；经坚固性试验后表面孔隙增大、强度下降，经冻融循环后孔隙几乎无变化且强度略微下降。因此，多孔玄武岩用于面层集料时，需认真筛选出强度高、饱和吸水率小、致密的母材进行自加工。

图3 多孔玄武岩相关试验图

3 试验设计及效果评价

3.1 集料

多孔玄武岩集料自加工后，经沥青拌合站加热、除尘、二次筛分，根据粒径大小分为6 档，分别为[22，32）mm（1#）、[16，22）mm（2#）、[11，16）mm（3#）、[6，11）mm（4#）、[3，6）mm（5#）和[0，3mm）（6#）。依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）[8]对各级配集料进行级配、密度和压碎性试验，试验结果如表1所示。

表1 集料各粒组试验实测值

表2 填料粒组筛分结果

由表1可知，1#～5#粒组的表观相对密度、毛体积相对密度、吸水率、针片率以及压碎值等指标数值的实测值均满足规范和设计文件要求的指标值。

3.2 普通沥青混合料

沥青采用A-70#级道路石油沥青，采用的矿粉表观相对密度2.646、亲水系数0.5。在保证混合料施工和易性前提下，使各类集料的通过率满足设计要求，对矿料配合比进行设计，矿粉的掺配比例为14%、19%、12%、18%、15%、28%、4%。

依据目标配合比确定最佳油石比为4.1%，以三种不同油石比（3.8%、4.1%和4.4%）分别进行马歇尔试验。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）[9]相关要求制成三组标准试件并测试其流值和稳定性，结果如表3 所示。由表3 可知，油石比为3.8%时，其间隙率无法满足技术要求；油石比为4.4%时，其饱和度大于70；而油石比为4.1%时，其稳定度、流值、空隙率、间隙率及饱和度等各项指标均满足规范要求。因此，采用油石比4.1%进行铺筑可以满足要求，但施工中应按4.1%±0.3%进行检测控制（施工规范要求）。

表3 沥青混合料马歇尔试验结果

对最佳油石比4.1%成型的6 组试件分别进行浸水30～40min 和48h 的浸水马歇尔试验。试验结果表明，浸水30～40min 情况下6 组试件的平均稳定度为14.37kN,而浸水48h 的6 组试件的平均稳定度为12.78kN，残留稳定度为88.9%（大于规范要求的80%）。

为评价沥青混合料的水稳定性，取2 组马歇尔试件进行冻融劈裂试验。结果表明，非冻融组试件的平均劈裂强度为0.99MPa，而冻融组试件的劈裂强度为0.82MPa；试件的劈裂强度比为82.8%，满足技术要求。

为评价沥青混合料的抗车辙能力，取3 组300mm×300mm×80mm 的板式试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）要求进行车辙试验，三组试件的平均动稳定为3913 次/mm，60min 的总变形量分别为1.825mm、1.705mm 和1.768mm，满足规范和设计要求（≥1000次/mm）。

3.3 掺和1%消石灰的沥青混合料

考虑到多孔玄武岩的特点，拟采用添加1%的消石灰代替1%的矿粉，提高沥青与集料间的粘附性和沥青混合料的水稳定性，即对矿料配合比进行优化设计，1#、2#、3#、4#、5#、6#、矿粉中消石灰的掺配比例为14%、19%、12%、18%、15%、28%、3%、1%。

对此配合比分别进行马歇尔试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和车辙试验，试验结果详见表4。由表4 可知，相较于普通沥青混合料（未处理），添加1%消石灰替代1%矿粉后沥青混合料的稳定度略有下降（14.04kN），而流值增大，空隙率、VFA 和VMA 几乎不变。浸水30～40min和48h后，相较于普通沥青混合料（未处理），6 组试件的平均稳定度均略有降低，但残留稳定度增大。此外，添加1%消石灰后，劈裂强度也略有下降，总变形量减小，但动稳定增大。

表4 试验结果汇总

4 施工技术

4.1 下面层沥青混合料的拌和

明确骨料加热温度（集料加热温度比沥青高10℃～30℃）、沥青加热温度（160℃～165℃）、混合料出厂温度控制标准（165℃～175℃，超190℃作废）。确定干拌时间及湿拌时间，间歇式拌和，普通沥青混合料不宜少于45s，其中干拌时间不少于5～10s。混合料在拌和前的三盘采用装载机接料，需检测温度和拌和均匀性，满足规范和施工要求才可运输。

4.2 下面层沥青混合料的摊铺

采用型号福格勒2100-3 摊铺机进行路面全宽摊铺面层，并采用非接触式平衡梁控制下面层摊铺高程；摊铺前预热0.5～1h 且熨平板温度≥100℃；摊铺时要求摊铺机行驶速度小于等于2m/min且保持匀速。摊铺过程中应及时检测松铺厚度，调整振动频率和振幅来提高初始压实度和平整度。

4.3 下面层沥青混合料的碾压

重点把控沥青混合料的压实环节，保持在高温状态下开始压实；采用型号DD138HF振动压路机完成碾压工作，钢轮轮迹重叠宽度宜为10～20cm；碾压过程中及时检测松铺厚度、碾压顺序、碾压遍数、碾压速度及温度等关键参数。初压时压路机紧密跟随摊铺机完成15～20m 的初压工作区碾压工作，初压时碾压速度控制2～3km/h，初压2 遍，碾压开始温度大于等于140℃；复压8 遍，前4遍碾压速度控制3～4km/h、后四遍控制4～5km/h，碾压开始温度宜为110℃～140℃；终压为静压1 遍，碾压速度控制3～6km/h，碾压开始温度应大于等于90℃。

5 结语

多孔玄武岩作为高速公路面层沥青混合料的集料是可行的，具有很高的使用价值，但需严格把控母岩选择、混合料施工质量和施工工艺。

结合工程实例，本文从多孔玄武岩母岩岩性分析、现场混合料配合比设计计算及施工工艺控制等方面，给出了多孔玄武岩在高速公路中的合理应用建议。

在满足目标配合比和设计要求前提下，利用消石灰等量替代矿粉，混合料的稳定度、流值、动稳定等关键参数均满足设计要求，还可提高沥青混合料的水稳定性和粘结性能，如60min 总沉降量明显降低。