火山渣改性路基材料最优配比试验研究

陆振盛

摘要：火山喷发附带大量的火山渣等物质，将其合理利用能有效缓解部分地区地产材料贫乏的难题。文章以粗颗粒含量在70%以上的火山渣和黏土为原材料，混合得到火山渣改性路基材料，通过室内试验对材料进行击实试验，探究其击实特性。研究结果表明：火山渣与黏土质量的最佳比例为40[DK]∶60;在最佳比例下，材料的水稳定性和回弹模量在一定的击实次数下均能满足相关规范要求。

关键词：火山渣;黏土;回弹模量;路基材料

0 引言

地球上许多国家都存在火山，火山喷发不仅会对生态环境造成破坏，其附带的产物火山灰也是数量巨大。火山灰根据粒径大小的不同可以划分为三类物质，分别为细灰、火山砂和火山渣[1-2]，其中火山渣含量较多，粒径最大，比较容易开采，因此有很多学者对火山渣的物理力学性质进行了大量的研究，研究表明可以将其大量运用在路基工程中[3-4]，这不仅能节约普通路基材料开采的成本，还能起到保护生态环境的作用。

火山渣由于是在火山喷发高温条件下形成的，因此其存在孔洞较多、透水性能好、密度较小和抗冻性好等特点，外观与煤矸石十分相似[5]。将其作为路基填料需要掌握一定的控制指标[6-9]，如利用干密度和最优含水率设计最佳的级配，利用加州承载比（CBR）和回弹模量验证材料的质量和强度。不同等级的道路强度要求如表1所示[7]。

本次室内试验采用的火山渣级配较差，粗颗粒含量占比在70%以上，而通过以往的研究发现[10-11]，火山渣作为路基填料时，在相同的击实功下，随着粗颗粒比例的增加，材料的最大干密度会逐渐减小，孔隙率逐渐增大。正是由于这样的特点，需要对火山渣路基填料进行改性，如向材料中掺入一定比例的细粒土来改善其特性。本文的主要研究目的就是研究火山渣中加入不同比例细粒土后基本物理力学性能的变化。

1 试验设计及结果

1.1 试验设计

为了便于说明和分析，将粒径<4.74 mm的颗粒定义为细颗粒，将粒径范围在4.74～31.40 mm之间的颗粒定义为粗颗粒，将粒径>31.40 mm的颗粒定义为超大颗粒。本次试验选用的火山渣级配较差，粗颗粒含量占比在70%以上，粒径<0.075 mm的颗粒含量更是<2%。

这样的原材料注定其存在孔隙度较大、不容易被压实、易被压碎等诸多缺点，因此可以考虑将其作为骨架，向其中加入黏土充填其内部孔隙，改善其性能，称为火山渣改性路基材料。通过室内试验研究黏土的最优掺杂量，试验中向火山渣填料中加入不同比例的黏土，分别为总填料质量的0、30%、40%、50%、60%和70%，以标准的击实试验制备试样，然后测其最大干密度、最优含水率和CBR值，选取最优的黏土比例。最后以最优的黏土比例制备试样，測其水稳定性和回弹模量值，验证其是否满足路基填料基本要求。

1.2 最优掺量分析

通过对不同黏土掺量的火山渣改性路基填料进行最大干密度、最优含水率和CBR值测量试验，得到如表2所示的结果。由表2可知，随着黏土含量的增加，火山渣改性路基填料的最大干密度、最优含水率和CBR值的变化情况，如图1和图2所示。

从图1中火山渣改性路基材料最大干密度和最优含水率随着黏土含量变化的规律可以发现，随着黏土含量的增加，火山渣改性路基材料的最大干密度先增大后减小，当黏土含量为60%时，最大干密度为1.85 g·cm -3，相对黏土含量为0时的最大干密度1.23 g·cm -3而言，上升了50.4%，可见黏土的加入对于改善材料密度效果非常显著。而随着黏土含量的增加，火山渣改性路基材料的最优含水率不断上升，黏土含量为0和60%时，分别为9.8%和16.9%，上升了72.45%。

从图2中可以看出，在不同的击实次数下，随着黏土含量的增加，材料的CBR值均是不断减小的，这是因为黏土质量分数的增加，既减少了火山渣的含量，又减小了火山渣的孔隙率，在很大程度上改善了火山渣易被压碎的特性，从而导致材料整体的承载能力增强。当黏土质量分数为70%时，在30次击实下，材料的CBR值为12.5，达到了路基填料在最高等级道路中最小强度的要求。从图2中还可以发现，在黏土含量一定的情况下，随着击实次数的增加，材料的CBR值不断增加，但是黏土含量越高，增大的幅度越小，这是因为当黏土含量较低时，火山渣孔隙率较大，随着击实次数的增加，被击碎的概率和局部面积也在增大;但是当黏土含量较高时，材料相对比较致密，不容易被击碎，从而保证了材料的承载能力。另外还可以看出，当黏土的含量到达60%后，随着黏土含量的继续增加，材料的CBR值降低幅度大大减小，即承载能力上升幅度减小。因此综合上述试验结果，认为黏土的最优掺量为60%。

1.3 水稳定性分析

路基材料抵抗水侵蚀的能力对于材料的稳定性和耐久性是十分重要的。为了快速地判断火山渣改性路基材料抵抗水侵蚀的能力，拟将材料放置在水中浸泡一定时间，随后测量其CBR值，从而判断其性能。结合上述最大干密度、最优含水率和CBR值随黏土含量变化的规律可知，黏土的最优掺量为60%，因此在测量火山渣改性路基填料回弹模量时，选取的火山渣和黏土的质量比为40：60。制备三组试样，在水中浸泡的天数分别为4 d、5 d和6 d，随后测量其在不同击实次数下的CBR值，结果如图3所示。

从图3中可以看出，随着击实次数的增加，不同浸泡天数下材料的CBR值均逐渐增加，且与击实次数近似成正相关的关系。当击实次数为98时，浸泡6 d的材料CBR值在16%左右，仍然满足相关要求，因此只要控制击实次数，材料完全可以保证其水稳定性。

1.4 回弹模量结果分析

根据以往的研究可知，路基材料的回弹模量在衡量其抵抗外来荷载引起的变形方面具有十分重要的地位，为了研究火山渣改性路基材料抵抗外荷载的变形能力和长期耐久性，需要对其回弹模量进行测量。在测量火山渣改性路基填料回弹模量时，选取的火山渣和黏土的质量比仍然为40：60，即最佳的黏土配比。击实次数与材料回弹模量之间的关系如图4所示。

从图4中可以看出，随着击实次数的增加，火山渣改性路基材料的回弹模量值不断增大，但是当击实次数>98后，材料的回弹模量变化幅度较小，击实次数为50和98时，材料的回弹模量变化幅度最大，分别为52 MPa和88 MPa，上升幅度高达69.2%，此时的回弹模量与碎石土作为路基材料时的回弹模量（49～101 MPa）十分接近，因此可以认为当击实次数为98时火山渣改性填料拥有很好的抵抗变形的能力。

2 结语

本文通过室内试验对火山渣改性路基材料进行研究，得到如下结论：（1）火山渣级配较差，粗颗粒占比70%以上;（2）通过研究不同黏土含量下改性材料的最大干密度、最优含水率和CBR值，得到黏土的最优掺量为60%;（3）在最优黏土掺量下，材料的水稳定性和回弹模量在一定击实次数下均能满足规范要求，工程中保证击实次数在98左右。火山渣作为一种优质路基材料，完全可以应用于道路工程。

参考文献：

[1]蒋明镜，郑 敏，王 闯，等.不同颗粒级配的某火山灰的力学性质试验研究[J].岩土力学，2009（S2）：58-61.

[2]陈志国，王哲人，赵长虹.火山灰路面基层路用性能研究及機理分析[J].公路交通科技，2008，25（8）：15-20，30.

[3]赵长虹.火山灰材料在道路工程中的应用研究[D].长春：吉林大学，2008.

[4]杨福珍，黄清友，张建栋.火山渣在路基工程中的应 用[J].内蒙古公路与运输，2006，4（4）：24-28.

[5]刘松玉，童立元，邱 钰，等.煤矸石颗粒破碎及其对工程力学特性影响研究[J].岩土工程学报，2005，27（5）：505-510.

[6]余文华，吴军福，丁泽强.煤矸石在公路工程中的应用试验研究[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2005，13（1）：48-51.

[7]JTGD30-2015，公路路基设计规范[S].

[8]JTJ051-93，公路土工试验规程[S].

[9]JTJ054-94，公路工程石料试验规程[S].

[10]De Mello VFB.Reflection on decision of practical significance to embankment dams[J].Geotechnique，1977，27（3）：281-355.

[11]张 众，李春洪.天然火山灰掺合料在水电工程中的应用[J].云南水利发电，2009，25（1）：67-71.