公路水稳基层施工中红砂岩集料的应用

韩健 任黎明

摘要 为探究红砂岩集料在公路水稳基层中应用的控制要点，以某新建公路段为例，首先从其各标段路基开挖红砂岩废石料中，取材制备红砂岩集料，并进行物理性能、抗软化、抗干缩等工程性能试验；然后开展红砂岩水稳基层的配合比设计，并对其水稳基层施工技术要点进行分析探讨。结果表明，粒径9.5～26.5 mm的红砂岩集料代替石灰岩集料所制备出的水稳基层无侧限抗压强度、劈裂强度均较高，耐久性好，故红砂岩粗集料完全可取代石灰岩粗集料在公路水稳基层中推广应用；而红砂岩细集料相关工程性能仍有待进一步研究。

关键词 公路；水稳基层；红砂岩；集料；施工

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0069-03

0 引言

水稳碎石基层是公路工程中重要的承载结构层，其结构中砂石集料占比在95%及以上，通常以花崗岩、石灰岩等优质集料为主。但因优质砂石资源分布的不平衡性及稀缺性，采购及运输成本日渐增大。红砂岩为长期风化、沉积作用下形成的强度、水稳性明显不同且工程性能不良的沉积岩，在我国中东部及西南地区分布广泛。若将其作为水稳基层填料使用，既能消纳公路废石，省去弃石场建造环节，又能较好地替代外购石料，可以缓解优质石料供应不足的局面。基于此，该文依托公路工程实际，对路基开挖过程中产生的红砂岩废石作为水稳基层材料应用的过程展开深入分析，以供参考。

1 工程概况

某公路全线长83.25 km，划分成5个标段，各标段主线路基挖填方量均较大，路基填筑质量要求高。结合地质勘查结果，各标段路基开挖过程中均会产生一定量的红砂岩废石，如果将废石料弃置，再采购优质填筑材料，必将增大废石料弃置费用及施工成本。为此，公路管理部门决定将开挖出的红砂岩废石加工处治后作为水稳基层材料使用，以达到节省施工成本和保护环境的双重目的。

2 红砂岩集料制备及工程性能分析

2.1 红砂岩集料制备

对该公路段沿线红砂岩取样，展开母岩崩解情况观察，同时进行母岩化学成分和单轴饱水抗压强度的检测，结果见表1所示。据此看出，1标、2标处红砂岩母岩属于优质砂岩，单轴抗压强度高；3标、4标红砂岩母岩轻微崩解；5标红砂岩母岩严重崩解风化。

以单轴抗压强度最高的2标红砂岩为对象，开展集料加工及工程性能研究。具体而言，通过石灰石集料破碎筛分工艺进行红砂岩集料加工。此类集料在加工过程中对破碎机具存在损伤，且制备出的集料粉含量高、粒型差。经过不断的调整，得出由颚式破碎机一级破碎，反击式破碎机二级破碎的加工方式[1]，能够制备出粒径0～4.75 mm的细集料以及粒径4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～26.5 mm的粗集料。

2.2 红砂岩集料物理性能

根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）开展红砂岩粗集料压碎值、针片状含量、吸水率等物理性能检测；同时根据《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）及《公路工程岩石试验规程》（JTG E41—2005）测定红砂岩细集料塑性指数及抗崩解性能[2]。检测结果见表2和表3所示。根据检测值看出，红砂岩粗集料硬度、吸水率均随粒径的减小而降低；粒径9.5～19 mm和19～26.5 mm粗集料的物理性能基本满足规范。造成粒径4.75～9.5 mm红砂岩粗集料物理性能不良的原因在于破碎分选时粒型差、硬度低，针片状含量高、破碎量大。红砂岩粗集料经历5次循环崩解试验后，抗崩解指数有所降低，但始终高于0.97，表明所选用的红砂岩集料具有较好的抗崩解性能。

与此同时，对红砂岩细集料和石灰石细集料物理性能开展比测。结果显示，红砂岩细集料粉含量达到19.1%，压碎值为23.9%，远远超出规范限值，无法发挥集料填充及支撑作用，不利于水稳基层强度及抗裂性能的提升。为次，应加强细集料中软弱颗粒含量及粉含量控制，保证其物理力学性能。

2.3 红砂岩集料工程性能

2.3.1 抗软化性能

红砂岩母岩中黏土矿物含量高，遇水快速软化并膨胀崩解。采用相应技术将其破碎成粗细集料后，按照集料试验规程对其抗软化性能开展检测。

（1）粗集料抗软化性能。根据粗集料分级筛余，计算其整体加权平均压碎值[3]；并开展质量损失率和压碎值测定，结果见表4所示。据此看出，红砂岩集料加权平均压碎值比石灰岩小，表明其粗集料整体具备较高硬度；粒径4.75～9.5 mm粗集料压碎值高达25.7%，硬度略低于石灰岩，其余粒径的集料硬度均比石灰岩高。

（2）细集料抗软化性能。依据其中分级筛余占比情况，开展加权平均压碎值计算，粒径2.36 mm以下的细集料浸水24 h后烘干，集料固结，无法开展测试。故使用粒径在2.36～4.75 mm之间的红砂岩细集料开展压碎值试验，结果见表5所示。据此看出，红砂岩细集料压碎值远超石灰岩，整体硬度明显偏低；其自身压碎值随粒径增大而降低，意味着其破碎后的粒径越小，硬度越低。

2.3.2 抗干缩性能

公路工程所在地开挖出的红砂岩废石料外观沟壑纵横，富含黏土矿物，吸水率较大。为避免其作为水稳基层材料后发生开裂，必须对其开展抗干缩性能检验。选取破碎后粒径在0～4.75 mm之间的红砂岩集料，并根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）开展击实试验，测定其最大干密度与最佳含水率；同时按照表6级配要求成型试件，以消除累计干缩应变所受级配的不利影响[4]。此后将试件放置于20℃±1℃且湿度位于60%±5%的环境。

所测得的红砂岩粗细集料塑性指数为7.5和9.8，石灰岩粗细集料塑性指数为4.9和5.2。累计干缩应变和累计失水率测值见表7所示。根据测值看出，红砂岩和石灰石粗细集料累计干缩应变均随龄期的延长而先增大，后趋于稳定；前期红砂岩集料累计干缩应变小于石灰石，当龄期超出10 d后红砂岩集料累计干缩应变也超过石灰石。红砂岩粗细集料在30 d龄期时累计干缩应变分别达到5.14×10?4和6.91×10?4；累计失水率则分别达到1.88%和2.00%。

3 红砂岩水稳基层配合比设计

考虑粒径在0～4.75 mm之间的红砂岩细集料强度低、抗干缩性能不良，故水稳基层混合料以选用砂岩为粗集料，以石灰岩为细集料。此外，粒径在4.75～9.5 mm之间的红砂岩粗集料压碎值及针片状含量均较高，为分析其粗集料掺量，拟定出两种配合比。配合比1以红砂岩为粗集料，以塑性指数较高的石灰岩石屑为细集料；配合比2以相应粒径石灰岩为粗集料，以塑性指数较低的石灰岩机制砂为细集料。级配情况见表8所示。

对以上两种配合比试件开展击实试验，根据击实结果及无侧限抗压强度试验结果，配合比1和配合比2试件的最佳含水率分别为5.3%和4.6%，7 d无侧限抗压强度依次为3.3 MPa和4.0 MPa，完全达到一级公路及特重公路的强度要求。考虑配合比2具有更高的强度富余系数，故该公路红砂岩水稳基层推荐采用这种方案[5]。

4 红砂岩水稳基层施工要点

4.1 材料处理

将开挖出的红砂岩填料置于室外堆场，经过阳光及空气等自然力的作用以及人工洒水后风化崩解，持续作用8～15 d，以消除其材料活性。待红砂岩块表面形成大量裂缝，搬动时岩块随即碎裂成岩堆，即达到较好的崩解状态。

4.2 路基填筑

在施工开始前，配置1台激振力为260 kN的40 t轮式振动压路机和1台激振力为400 kN及以上的60 t拖式振动压路机。通过推土机推平红砂岩填料，再由覆带碾压后使用耙齿耙压3遍，以将大粒径红砂岩碾碎。此后通过监理工程师检查红砂岩的粒径及耙压效果。

为保证路基填筑效果，必须充分利用红砂岩易崩解活性特征，使其充分暴露，消除其活性。此外，红砂岩颗粒粒径必须位于25 mm以下，因为大粒径红砂岩受到自然力及荷载作用后必然会造成所在路基沉陷和路面破坏；同时也不利于路堤水稳性的提升。

4.3 碾压

红砂岩水稳基层填筑施工中，压实机械的选用是施工质量控制的关键环节。由250 kW推土機耙压3遍后，再通过40 t以上的光轮压路机和60 t以上的振动羊角碾碾压4～6遍。碾压层厚度应控制在40 cm及以下，以保证压实均匀。

结合试验结果，对于含水量最佳且压实至最大干密度的红砂岩材料，浸水后的强度和密度降幅才为最低，水稳性也最好。为此，该公路水稳基层施工期间红砂岩含水量应不超出8%～12%范围。

5 结论

综上所述，红砂岩石料黏土矿物含量高，抗软化、抗干缩性能比石灰岩石料差，通过颚式破碎机一级破碎、反击式破碎机二级破碎方式加工后可得到规格及粒型均较好的红砂岩集料。用粒径9.5～26.5 mm的红砂岩集料完全替代石灰石集料而制备出的水稳基层试件7 d无侧限抗压强度，仅比石灰石集料制备的水稳基层强度低3.9 MPa，耐久性相对较好，符合一级公路和特重公路基层强度。工后跟踪检测结果表明，红砂岩集料水稳基层强度及抗开裂性能较好，可为路面提供较好支承，在红砂岩石料分布广泛地区的公路建设中值得推广应用。

参考文献

[1]邓磊， 温石磊， 王琛. 最大粒径对红砂岩粗粒土三轴蠕变性质的影响[J]. 甘肃水利水电技术， 2023（8）： 42-46.

[2]谢兰夫， 洪祥水. 红砂岩质土路基智能化压实施工技术应用研究[J]. 科技创新与应用， 2023（23）： 189-192.

[3]李立国. 红砂岩路基施工工艺及修筑技术[J]. 科学技术创新， 2023（18）： 120-123.

[4]陈福玲， 温郁斌， 单俊鸿， 等. 红砂岩集料对水稳基层强度与抗软化性能的影响[J]. 硅酸盐通报， 2022（9）： 3138-3147.

[5]潘龙， 刘安， 胡承勇， 等. 红砂岩在宁安高速公路水稳基层中的应用研究[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2017（9）： 136-137.