浅变质岩在路面水稳基层中的应用

■舒 诚

（中交一公局厦门工程有限公司，厦门 361021）

我国中西部地区存在着大量的浅变质岩，由于浅变质岩普遍具有潜在碱活性， 故很少应用于环境总碱含量高的混凝土工程[1-2]，而路面工程水稳基层的水泥用量较少， 环境总碱含量相较于其他结构较低，不易发生碱集料反应。 由于《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）未对基层用水泥稳定材料级配碎石的碱活性指标进行规定， 目前关于碱骨料应用于路面基层水泥稳定碎石的相关研究较少， 因而浅变质岩应用于路面水泥稳定碎石基层的情况较少[3-5]。 若浅变质岩可以成功应用于水稳基层， 不仅可以解决在建工程原材紧缺的问题，还能减少工程建设成本。 因此，研究浅变质岩在路面水泥稳定碎石基层材料应用是有必要的。

本文通过室内分析试验，研究浅变质岩集料的物理性能、碱活性、无侧限抗压强度等关键指标是否满足施工技术要求，分析浅变质岩在路面水稳基层应用的可行性，并对现场浅变质岩基层试验段取芯进行质量验证，以期为浅变质岩在路面工程水稳基层中的应用提供技术参考。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用贵州三都西南水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥P.O 42.5， 主要性能指标如表1所示。

表1 水泥主要性能指标

骨料选取由浅变质岩破碎的粗骨料和细骨料，浅变质岩主要是板岩，多为绢云母板岩、砂质绢云母板岩、硅质板岩、砂质板岩和粉砂质板岩。

1.2 试验方法

浅变质岩的基本饱和抗压强度指标按照《公路工程岩石试验规程》（JTG/T E41-2005)相关规定进行。

粗细集料的基本物理性能指标按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）相关规定进行。

浅变质岩水稳碎石路面基础配合比设计及相关试验按照《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）规定进行。

2 结果与分析

2.1 浅变质岩集料试验结果与分析

2.1.1 集料岩相分析

为了更加深入地了解不同浅变质岩的碱活性，对收集的浅变质岩试样进行了岩相分析，分析结果如表2、图1 所示。

表2 试样矿物组成分析结果

根据表2 和图1 可知， 试样为变余粉-细砂质泥质结构，变余层理构造。 岩石系粉-细砂质粘土岩经后期变质作用形成，粘土矿物部分重结晶为细小鳞片状绢云母，粒度（长轴）<0.1 mm，略具定向分布，碎屑以石英为主，含少量长石，碎屑颗粒边缘多较为模糊，粒度多在0.03～0.2 mm，少量条片状白云母，粒度约0.1 mm，具长轴定向分布，少量绿泥石呈细小鳞片状集合体分布， 他形粒状方解石， 粒度0.01～0.15 mm。 故所取岩石样品为粉-细砂质绢云粘土板岩，主要由粘土矿物、石英、方解石及含量1%以下的白云母、长石、绿泥石、褐铁矿和碳质组成，岩石样品都为硅酸类岩石，含潜在碱-硅酸类碱活性反应。

图1 试样岩相分析图

2.1.2 集料物理性能分析

为了更深入地了解浅变质岩集料的基本性能，判定浅变质岩能否满足水稳碎石基层的使用要求，对浅变质岩集料进行物理性能试验， 试验结果见表3～6。

表3 浅变质岩母岩单轴抗压强度

表4 粗集料性能指标

表5 细集料性能指标

表6 水煮及切割断面试验结果

从表3～6 可以看出，浅变质岩母岩单轴抗压强度较高，饱和抗压强度达到了81.4 MPa，属于硬质岩，浅变质岩集料的压碎值、针片状含量、含泥量偏高。 为了保证浅变质岩在水稳基层的质量，对浅变质岩集料单独增加了水煮试验（4×24 h）及切割断面分析试验，结果表明浅变质岩集料水煮前后压碎值变化较小，均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中对高速公路和一级公路中用作基层的集料的相关要求。

2.2 水泥稳定基层混合料试验结果与分析

为了验证浅变质岩作为公路路面基层或底基层材料的可行性，在分析变质岩的原材料性能满足基层和底基层的使用要求后，对水泥稳定浅变质岩碎石混合料的路用性能进行进一步研究。 为有更完整的对比结果， 对变质岩集料采用多用养护方式，进行无侧限抗压强度试验，依据试验结果判定变质岩应用于水泥稳定碎石基层的可行性。

击实试验中以水泥掺量3%、4%、5%进行试验，确定最佳含水量、最大干密度。 试验结果如表7 所示。

表7 最佳含水率和最大干密度试验结果

根据击实试验确定的最大干密度和最佳含水量，进行φ150 mm×150 mm 圆柱体试件的成型和养生，试件养生到期后，按照无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法进行试验，测得每组试件的7 d、14 d 和28 d 无侧限抗压强度。为避免级配差异对试验结果产生影响，配合比均采用单级配以减少级配原因引起的误差，并采用了6 种养生方法以减少偶然性误差，试验结果如表8 所示。

表8 水泥稳定层混合料的试验结果

由表8 可得， 水泥稳定浅变质岩碎石混合料7 d无侧限抗压强度在4.2～5.8 MPa，14 d 无侧限抗压强度在4.5～6.2 MPa，28 d 无侧限抗压强度在5.2～7.2 MPa，各龄期无侧限抗压强度均符合《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中的要求，证明了浅变质岩碎石混合料在水稳基层应用是可行的，具有优越的力学性能，可以有效保障路面水稳碎石基层工程质量。

3 浅变质岩水稳基层试验段应用

贵州某高速公路路面基层结构形式为：37 cm水泥稳定碎石基层＋20 cm 低剂量水泥稳定碎石底基层（水泥剂量2.5%～3.0%）。 由于该工程工期短，工地距石灰岩集料运距均在120 km 以上， 且进入现场的现有道路较窄，坡道多，雨季易塌方，部分小型桥梁限载等因素，运输难以保障。 该工程沿线基本为上元古界下统的变质岩， 如使用变质岩作集料，材料供应、运输等问题基本得到解决，工期也可得到有效保证。 此外，就地采用浅变质岩，其综合单价为40 元/m3，而采用石灰岩综合单价为137元/m3，采用浅变质岩具有显著的经济优势。

为了保证实际工程的质量，在前期进行了变质岩的原材料性能指标和水泥稳定碎石基层混合料无侧限抗压强度试验的基础上，进行了浅变质岩水稳基层试验段的铺设，并对试验段钻芯取样，进行了芯样试件的无侧限抗压强度、碱活性反应加速模拟试验，以及利用扫描电子显微镜（SEM）分析芯样经过加速模拟碱骨料反应试验14 d 后微观形貌，以论证浅变质岩集料在路面水泥稳定碎石基层中的适用性。

3.1 试验段芯样力学性能分析

在试验段的基层和底基层不同位置钻芯取样，并进行了7 d 无侧限抗压强度检测， 检测结果如表9 所示。

表9 芯样7 d 无侧限抗压强度试验结果

由表9 可知，浅变质岩水稳基层7 d 无侧限抗压强度均值为7.8 MPa， 大于设计要求4.5 MPa，浅变质岩水稳底基层均值为4.8 MPa， 大于设计要求3.5 MPa，均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中对高速公路和一级公路基层和底基层的要求，证明浅变质岩水稳碎石基层具有良好的力学性能，可以满足路面工程对水稳基层的力学性能要求。

3.2 试验段芯样碱活性反应加速模拟试验

基于快速砂浆棒法的原理，对所取试验段水泥稳定浅变质岩碎石基层芯样进行加速模拟碱骨料反应试验。 取芯后将芯样两端切平，沿着芯样圆柱体轴线将芯样均匀的切成4 份，烘干后用环氧树脂将螺钉粘结在芯样两端，每组芯样取3 个外形较完整的试块。 环氧树脂胶完全固化后测量芯样的初试长度，并放入80℃的恒温水浴中养护，待到24 h 后取出并迅速量取芯样的基准长度， 随后放入80℃、1 mol/L 的NaOH 溶液中， 分别测其3 d、7 d、10 d和14 d 的试件膨胀率， 模拟后期碱集料反应的发展规律。 试验结果如表10 和图2 所示。

表10 浅变质岩芯样碱活性试验结果

图2 浅变质岩芯样碱活性试验膨胀率

由表10 和图2 可知， 试验段浅变质岩水稳基层芯样经过试验后，虽然各组芯样的膨胀率均随着时间的延长而增大，但各组芯样的14 d 膨胀率均低于0.1%，其中最大值为0.093%，表明浅变质岩水稳基层结构物芯样未发生碱集料反应。

3.3 SEM 微观分析

关于碱活性膨胀机理，目前主要解释为集料中的活性SiO2与孔溶液中的碱在集料与水泥石界面上生成碱-硅酸凝胶，多为蜂窝状，具有较强的吸水肿胀性， 当肿胀产生的应力超过混凝土的强度时，将导致混凝土开裂。 因此，通过观测骨料周围形貌，分析骨料-水泥石界面产物组成， 可判断是否有碱集料反应发生。

利用扫描电子显微镜（SEM）分析水泥稳定浅变质岩碎石基层基层的芯样经过加速模拟碱骨料反应试验14 d 后试件样品表面微观形貌，同时分析骨料和基体界面、凝胶水化产物，以及Ca(OH)2和钙钒石解离质的分布，结果见图3～4。

图3 为水泥稳定浅变质岩碎石基层芯样试件中骨料-浆体界面的粘接状态，据图3（a）可看出浅变质岩骨料与水泥浆体之间的粘接较为紧密，且无明显裂纹。 随后针对浅变质岩骨料与水泥浆体的界面过渡区（ITZ）进行放大观测分析，由图3（b）可以明显地发现在其ITZ 处存在一定量的Ca（OH）2和水化钙矾石，但未发现类似碱骨料反应产生的蜂窝状的碱-硅酸凝胶， 表明水泥稳定浅变质岩碎石基层试件中未发现疑似碱骨料反应。 结合图4 可知，水泥稳定浅变质岩碎石基层试件中存在明显的AFt、Ca（OH）2和C-S-H 凝胶，且粘接紧密，从而表明浅变质岩骨料用于水泥稳定碎石基层试件中可使得骨料与水泥浆体的粘接紧密，整体结构紧凑。

图3 水泥稳定浅变质岩碎石基层芯样样品骨料-浆体界面过渡区SEM 图

图4 水泥稳定浅变质岩碎石基层芯样样品水化产物SEM 图

综合上述分析得出，试验段浅变质岩水稳基层没有发生碱集料反应的原因有2 个：（1）水泥稳定基层的水泥用量较低，较难满足碱集料反应所需要的“足够的碱溶液环境”条件；（2）虽然浅变质岩骨料经验证为潜在碱-硅酸类碱活性反应， 但路面水泥稳定碎石基层存在较多的孔隙，碱集料反应引起的膨胀不足以产生裂缝。因此浅变质岩水稳基层14 d内并未发生碱集料反应。 浅变质岩水稳基层试验段芯样的各项指标均满足设计要求，充分验证了浅变质岩骨料应用于水稳基层质量的可靠性。

4 结论

通过分析浅变质岩骨料的岩性、 物理性能、碱活性， 以及浅变质岩水稳基层混合料的力学性能，对浅变质岩水稳基层试验段取芯进行力学性能、碱活性反应加速模拟试验和SEM 微观试验分析，得到以下结论：

（1）浅变质岩主要为硅酸类岩石，其各项指标及水泥稳定基层试验段上、 下基层芯样试件的7 d无侧限抗压强度均满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/TF20-2015）的要求。

（2）芯样经过模拟加速试验后，浅变质岩作为集料的水泥稳定路面基层结构物芯样的14 d 膨胀率均低于《预防混凝土碱骨料反应技术规范》（GB/T50733-2011）中要求的0.1%，表明水泥稳定浅变质岩碎石路面基层结构物芯样暂未发生碱骨料反应。

（3）微观分析表明，水泥稳定浅变质岩碎石基层中骨料与水泥浆体的粘接较为紧密、 结构紧凑，试件中存在明显的AFt、Ca （OH）2和C-S-H 凝胶，且粘接紧密；水泥稳定浅变质岩碎石基层试件中未发现碱骨料反应。

（4）浅变质岩骨料各项性能均能满足路面工程水稳基层对骨料的要求，浅变质岩骨料基础性能稳定、力学性能优异、不易在水稳基层发生碱骨料反应，且浅变质岩水稳基层试验段芯样的各项指标均满足设计要求，充分验证了浅变质岩骨料应用于水稳基层质量的可靠性。