火山渣作为路基填料的试验研究

胡江洋，毛 君，张 浩，折学森

1)长安大学公路学院，西安710000;2)中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710000;3)中煤科工集团西安研究院有限公司，西安710000

地球上火山分布十分广泛，火山灰是火山喷发的产物，有火山分布的地方就有大量火山灰存在.从地质年代上来讲，第四系期间爆发的火山就有860多座［1］，火山喷发后周围覆盖着数以亿计立方米的火山灰，如将其利用到地产材料不丰富地区作为筑路材料，对于减少普通路基填料的开采、节约资源、保护自然环境和降低工程造价等将具有可观的经济效益和社会效益.

火山渣是火山灰的一种，火山灰按粒径大小可以分为细灰、火山砂和火山渣，粒径不大于0.6 mm的称为细灰，粒径在0.60～4.75 mm为火山砂，不小于4.75 mm为火山渣［1-6］.火山渣是一种火山喷发中经过高温燃烧喷出后冷却形成的矿渣状多孔轻质材料，外观特征类似于煤矸石，物质组成包含孔隙、火山玻璃和矿物等成分［7-15］.孔隙是岩浆在高温下形成的泡沫破裂和气体逃逸形成，火山渣一般为黑色、深灰色、红色和棕色等，自然状态以粗粒状堆积在火山口周围，靠颗粒间嵌挤作用而形成不规则排列，整体性较差，比较容易开采［16-20］.本研究将中国援建埃塞俄比亚Hwassa地区的一条高等级公路作为工程实例，探讨火山渣材料的路用性能.

1 道路路基填料基本要求

在路基稳定设计体系中［10-11］，通过加州承载比(California bearing ratio，CBR)来控制路基填料的质量，通过路基表面的回弹模量来控制路基的整体强度，在施工过程中通过压实度指标来控制施工质量，路基回弹模量的设计值必须通过对填料的合理选择和压实度的有效控制来实现.由于路基的重要作用，除了要求路基设计有正确合理的断面尺寸外，还应具备足够的整体稳定性、足够的强度和足够的水稳定性.路基填料应该均匀、密实，其最小承载比应符合表1的规定.

表1 路基填料最小强度要求［10］Table1 Minimum strength requirements of subgrade filling［10］ %

2 火山渣的物理化学性质

2.1 火山渣的物理性质

火山渣作为一种火山喷发的产物，由于喷发时的高温燃烧作用，内部可燃物质充分燃烧，剩下的火山喷发残余物质具有较高孔隙率、较小干密度、较高压碎值、水渗透能力强和抗压碎能力差等特点，是一种典型的轻质材料［2-3］.Hwassa地区火山渣实测物理性质指标如表2.

表2 火山渣物理指标试验结果1)Table2 Physical indexes of volcanic slag

2.2 火山渣颗粒级配组成

天然火山渣主要以粗颗粒分布，粒径变化较大，以大颗粒为主，细颗粒含量很少，级配较差.Hwassa地区的火山渣中，粒径13.2～60.0 mm的颗粒占70%以上，不大于0.075 mm的颗粒仅占2%左右;其有效粒径d10=1.5 mm，粒径d30=16.8 mm，限制粒径 d60=42.5 mm;不均匀系数 Cu=28.3;曲率系数Cc=4.43，级配不均匀，缺失部分粒径组成.

2.3 火山渣吸水性及抗冻性

高温形成的火山渣吸水率低，材料本身孔隙较发育，具有较好的透水性，火山渣自身保水性较低.基于以上性质，火山渣路基具有较好的抗冻性，有效减少路基的冻结深度，减小路基冻胀值和路面基层的应变值，有效减薄路面垫层，可以有效提高路面的平整度［3］.

2.4 火山渣化学组成

组成火山渣的物质主要有质量分数为45%～60%的SiO2、15% ～30%的Al2O3+Fe2O3及15%的CaO+MgO+R2O(R2O为杂质).

3 不同粗颗粒含量火山渣击实试验分析

为比较分析不同试验方法对击实标准的影响［10，13］，采用重型标准击实法和表面振动击实法进行对比试验.重型标准击实法是用锤击，使试验材料的密度增大，目的是在实验室内利用击实仪，测定试验材料在击实功作用下达到最大密度时的含水率(最优含水率)和干密度(最大干密度).表面振动击实法是通过试验仪器对材料施加振动冲击力，使材料处于振动状态，材料颗粒之间由静摩擦转为动摩擦状态，颗粒之间相对位置发生变化，相互填充，一定程度上形成了骨架密实型嵌挤结构，材料易被压实.

试验所用仪器是在中国广泛使用的大型击实仪，其结构完全符合《公路土工试验规程》(JTJ051—93)［12］中击实、承载比实验和回弹模量试验对击实试样制作的要求.

为便于分析，本研究以粒径不大于4.75 mm的颗粒为细粒料，4.75～31.50 mm的颗粒为粗粒料，大于31.50 mm的颗粒为超粒料［4］.开采方式和成分组成对火山渣的粒径影响很大，试验结果如表3.

表3 天然火山渣振动击实结果Table3 The results of vibration compaction for natural cinder

图1为粗粒质量分数与最大干密度的关系.由图1可知，2种试验方法的结果基本一致，火山渣击实后的最大干密度随着粗粒的质量分数升高逐渐降低;当粗粒质量分数在30%～60%时，最大干密度值减小的速率随粗粒质量分数的增加而明显增大;粗粒质量分数超过60%时，最大干密度值减小的趋势逐渐变缓［4］;可以说粗粒料对最大干密度值存在较大影响，总的趋势是最大干密度随着粗粒质量分数的增加而逐渐减小.不同粗颗粒质量分数的火山渣最大干密度及剩余孔隙率不是定值.试验中最大干密度分别为1.398和1.356 g/cm3;其对应的孔隙率分别为22.8%和27.8%，随着粗粒质量分数的不断增加，火山渣压实后具有最大干密度偏小、孔隙率增大的特点.火山渣颗粒内部孔隙比较大，虽然击实以后部分孔隙被细颗粒火山灰填充，部分较大粒径的火山渣被挤碎，但击实后的火山渣内部仍有很大的孔隙.从上述试验结果来看，粗粒质量分数越高，火山渣的级配越差，最大干密度偏小，剩余孔隙率偏大，与颗粒相互填充时级配不良不易被压实的理论一致［21-22］.

图1 粗颗粒质量分数与最大干密度关系Fig.1 Relationship between coarse particle content and maximum dry density

由于火山渣材料分选性差、粒径大小不一，导致击实试验后，材料内部孔隙大、级配较差，影响最大干密度值.根据颗粒相互填充、挤密的特征，若火山渣级配不良，细粒质量分数较少，即火山渣粒径组成以大粒径为主时，无法达到孔隙率最小的压实效果.为提高火山渣填筑路基的整体性和压实度［2］，可在火山渣中掺配一定比例的细粒土来增强火山渣材料的内摩擦角和黏聚力，保证路基的压实度、孔隙率和稳定性达到规范要求［23-24］.

4 击实火山渣混合料的加州承载比试验

将火山渣料按照黏土质量分数分别为0、30%、40%、50%、60%和70%掺配黏土制拌，进行加州承载比试验，试验时按照路基施工的最佳含水率和压实度要求，在试筒内以击实方式制备试件，试验结果如表4.

表4 火山渣黏土掺配细料标准压实及CBR试验结果Table4 Test results of standard compaction and CBR for cinder blending fine materials

表4是火山渣、黏土按照不同比例组合后的最大干密度、最佳含水率及CBR值结果，各配合比混合料均大于现行《公路路基设计规范》 (JTG D30—2015)［11］中对路床土最小强度CBR的要求.结合试验结果，就最大干密度而言，混合料最大干密度有随着黏土掺加比例的增大而增大的趋势，但当黏土掺配质量分数达到60%时，最大干密度达到最大值1.853;混合料最佳含水率也随着黏土比例增加而增大(图2、图3和图4).

由以上试验结果可见:① 在火山渣粗颗粒质量分数分别为0、30%、40%、50%、60%和70%时，其最小CBR是12.5，CBR值满足现行规范对路基填筑材料的要求，材料板结良好;② 当击实次数不大于98时，随着击实功的增加，CBR值明显增大，这是因为火山渣混合料内部形成一定程度的骨架结构，整体作用下强度明显增加，具体表现在当击实次数30～90时，火山渣混合料不易被击碎，CBR值明显增大［4］，但当火山渣质量分数大于70%时，尽管混合料的CBR值继续增大，但混合料易被击碎，混合料的整体性与结构性均有下降趋势.

图2 黏土质量分数不同时火山渣混合料的最大干密度变化Fig.2 The maximum dry densities under different cinder mixture blending proportions

图3 黏土质量分数不同时火山渣混合料的最佳含水率变化Fig.3 The optimum moisture contents of cinder mixture at different blending proportions

图4 不同击实功作用下黏土质量分数与CBR值对应关系Fig.4 Blending ratios and CBRs under different compaction work

为了模拟火山渣混合料在使用过程中的最不利状态，测试火山渣路基的水稳定性，将火山渣填料按照m(火山渣)∶m(黏土)=40∶60掺量比例进行制样，试验加载前分别对试样泡水4、5和6 d，进行CBR试验(图5).试验结果表明，泡水试样CBR值随击实功的增加而增大，两者呈近似线性正相关关系，表明只要击实功满足要求，火山渣+黏土作为路基填料具有较好的水稳定性.

图5 不同浸饱水条件下击实次数与CBR关系Fig.5 Relationship of number of compaction and CBR under different filling water conditions

5 击实火山渣混合料的回填模量试验

路基的荷载-变形特性对路面结构的整体强度和刚度有很大影响.路面结构的破坏，除路面自身的原因外，路基变形过大是引起路面病害的主要原因.基于此，采用抗变形能力强的材料作为路基填料是提高路面结构整体强度与稳定性的重要措施.

采用规范推荐的动三轴试验仪制备不同击实次数的试件［25］，对火山渣混合料按照m(火山渣)∶m(黏土)=40 ∶60 掺合比例进行回弹模量测定［4，26］.试件采用振动压实成型，含水率符合最佳含水率值±0.5%;压实度应符合目标压实度值±1.0%.

击实次数与最大干密度和回弹模量［27］的关系分别见图6和图7.从图6和图7可见:①随着击实次数的增加，火山渣的最大干密度不断增大，回弹模量也不断增大;②击实次数小于98时，随着击实功的增加，回弹模量增长迅速，当击实次数大于98时，回弹模量增长较为缓慢，趋于稳定，接近最大值;③ 火山渣回弹模量区间45.3～92.3 MPa，与碎石土(碎石质量分数＞60%)回弹模量49.5～101.3 MPa基本一致，表明采用火山渣+黏土作为填料的路基具有较高强度和抗变形能力.

图6 击实次数与最大干密度关系Fig.6 The relationship between compaction times and maximum

图7 击实次数与回弹模量关系Fig.7 The relationship between compaction times and modulus of resilience

6 结论

综上研究可知:

1)火山渣材料具有孔隙率较大、干密度较小、水渗透能力强和水稳定性强等特点，从材料物理性质来讲是一种较优的路基填料;

2)由于火山渣分选性差、粒径大小不一等特点，火山渣直接作为路基填料不易压实，孔隙率较高，作为路堤填料使用，路基整体强度不高，水稳性差，如作为路基填料，需掺配一定比例细粒土;

3)不同掺配比例的火山渣+黏土混合料CBR强度均满足规范要求，混合料的加州承载比与击实功呈近似线性正相关关系，饱水状态下，火山渣混合料具有较高的水稳定性;

4)随着击实次数的增加，火山渣的最大干密度不断增大，回弹模量也不断增大，火山渣混合料与碎石土混合料的回填模量区间基本一致，施工要求可以参考规范对碎石类土技术要求.

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