山区高速隧道洞渣在路面结构层中应用探析

2023-11-08李增庆

交通建设与管理 2023年5期

李增庆

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北石家庄 050073）

0 引言

当前我国高速公路建设面临环境保护和资源利用的要求日益提高，山区高速公路建设洞渣弃存和建设过程中，石料资源短缺与高要求成为日益突出的矛盾。目前，由于加工破碎等条件的限制，开挖出来的隧道洞渣利用率低；而若将隧道洞渣废弃则会对周边环境造成污染并形成资源浪费。

为了充分利用隧道洞渣资源，现多将山区隧道洞渣作为路基填料应用于道路工程建设中[1-2]。如将隧道洞渣制备碎石应用于路面结构级配碎石基层，级配碎石混合料技术指标满足规范要求[3]；将隧道洞渣制备碎石应用于沥青面层，需关注其黏附等级，磨光值不达标不可应用于表面层[4]。隧道洞渣制备碎石作为路面结构层筑路材料，在保证路面结构施工质量的前提下，节省公路建设成本，合理有效地平衡了自然资源，为今后高速公路建设提供新的思路。

1 隧道洞渣制备碎石基本性能

设置某高速公路隧道洞渣不同进出口位置为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，从三处分别选取料源。该高速公路隧道洞渣经检验主要矿物成分为斜长石、钾长石、石英、黑云母、角闪石等，隧道洞渣定性为片麻岩，SiO2含量为69%，属于酸性集料，如图1。隧道洞渣制备碎石碎石的基本物理性质见表1。

图1 片麻岩镜下观察图片

表1 隧道洞渣制备碎石基本物理性质

由于隧道洞渣石料的料源缺乏稳定性，对三个不同隧道口产出隧道洞渣的物理指标进行了检测。其中三处洞渣母岩强度良好，满足《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）规定混凝土用粗集料母岩抗压强度变质岩应不小于60MPa 要求。三处洞渣制备碎石的各档集料的针片状、含泥量指标均符合相应标准技术要求，其中Ⅰ、Ⅲ的压碎值偏大。三处隧道洞渣制备石料黏附性较差，用作沥青面层需进行特殊处置[5-6]。

2 隧道洞渣在（底）基层中应用

2.1 隧道洞渣在水稳碎石中应用

水泥稳定类材料作为路面主要的承重结构层，强度水平是其主要的技术标准，同时材料强度的高低与结构设计中材料回弹模量的高低直接相关[7-8]。三处隧道洞渣制备的片麻岩碎石，除Ⅰ、Ⅲ的压碎值偏大，软石含量等技术指标满足《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20—2015）中碎石的性能要求。对比不同压碎值（23.8%、26.6%、29.8%）对水稳基层性质的影响，采用压碎值为23.8%的碎石为基准，水泥用量取5%，采用振动击实法成型，含水量采用最佳含水量。

（1）无侧限抗压强度

混合料在振动击实法得出的最大干密度与最佳含水量下，压实度98%，采用振动击实成型圆柱形试件，尺寸150mm×150mm。在规定的标准养护条件里养护满6d，27d，浸水1d 后取出，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）要求，对比研究压碎值对隧道洞渣碎石水稳基层无侧限抗压强度的影响，详见表2。

表2 水泥稳定碎石无侧限抗压强度试验

从表2 可以看出，随着碎石压碎值的增大，水泥稳定碎石的7d 和28d 无侧限抗压强度没有明显波动，即当碎石压碎值小于29.8%时，碎石压碎值的对水稳基层无侧限抗压强度无明显影响。

（2）劈裂强度

劈裂强度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）标准进行。分别测量水泥稳定碎石试件14d、28d 龄期劈裂强度，结果如表3 所示。

表3 水泥稳定碎石14d、28d 劈裂强度试验

由表3 可以看出，随着碎石压碎值的变化，14d、28d 的水稳基层材料劈裂强度出现一定的波动，即当碎石的压碎值为23.8%和26.6%时，水稳基层材料的劈裂强度基本相同，但当碎石压碎值增大到29.8%时，水稳基层的劈裂强度出现了一定程度的下降，从中可以看出碎石压碎值较大时，将对水稳基层材料劈裂强度有一定弱化作用。

（3）回弹模量

回弹模量试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）标准进行。分别测量水泥稳定碎石试件14d、28d 龄期回弹模量，结果见表4。

表4 水泥稳定碎石回弹模量试验

由表4 可以看出，随着碎石压碎值的提高，水稳基层材料的回弹模量出现一定的降低，但当压碎值为23.8%和26.6%时，两者的回弹模量基本相当，但当碎石压碎值达到29.8%时，回弹模量出现一定的降低。

2.2 隧道洞渣在级配碎石中应用

级配碎石广泛用于柔性路面和复合式路面的基层和底基层，级配碎石的强度主要是依靠集料之间的相互嵌挤作用，级配碎石层具有良好的渗水、排水、抑制裂缝，能够有效的改善基层积水，抑制沥青路面的水损害和裂缝。级配碎石松散粒料材料间没有胶结料，在车轮荷载作用下它只能承受压应力而不能承受拉应力。CBR 是评价粒料力学性能指标，它反映了材料的剪切强度和竖向刚度[9-10]，同时部分学者用无侧限抗压强度（振动法成型）来评价级配碎石混合料的抗压强度，如图2。

图2 级配碎石振动法试样脱模（左）及无侧限抗压试验（右）

对比分析石灰岩、隧道洞渣、隧道洞渣（替换0～3mm）、隧道洞渣（替换0～3mm、3～5mm）四种级配碎石混合料CBR 值（不饱水）和无侧限抗压强度如图3。以隧道洞渣组为基准，采用振动击实法确定混合料的最佳含水量。

图3 CBR 及无侧限抗压强度

从以上结果可知，替换0～3mm 石灰岩的隧道洞渣混合料CBR 增长，平均CBR 值比未替换之前提高一倍；同时替换0～3mm 和0～5mm 石灰岩的隧道洞渣级配碎石的平均CBR值达到377.2%，高于未替换的隧道洞渣级配碎石的CBR 值。两种替换混合料CBR 值均满足级配碎石基层的技术要求（不饱水CBR 不小于300%）。

从无侧限抗压强度来看，替换0～3mm 石灰岩的隧道洞渣级配碎石的无侧限抗压强度得到增加，比未替换之前提高了0.3MPa（大于0.7MPa）；同时替换0～3mm 和0～5mm 石灰岩的隧道洞渣级配碎石无侧限抗压强度平均值达1.2MPa（大于0.7MPa），高于未替换的隧道洞渣级配碎石的强度。

3 隧道洞渣在中下面层中应用

隧道洞渣制备碎石片麻岩的SiO2含量为69%，属于酸性集料，黏附等级为2 级，不满足沥青混合料粗集料技术要求，文中通过添加抗剥落剂和消石灰部分代替矿粉方法提高隧道洞渣制备碎石与沥青之间的化学吸附能力，提升隧道洞渣制备碎石沥青混合料抗水损害性能[11-14]。

研究级配为AC-25，沥青采用70#基质沥青，其中0～3mm 细集料采用石灰岩机制砂，马歇尔配合比设计方法确定最佳油石比，冻融劈裂残留强度比和浸水马歇尔残留稳定度试验参照《沥青和沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行，结果如图4。

图4 不同抗剥落措施水稳定性评价

由图4 可得，通过对四种抗剥落措施老化前后水稳定性的评价知，采用四种抗剥落措施后的冻融劈裂残留强度比和浸水马歇尔残留稳定度均高于基质沥青混合料的，这说明四种抗剥落措施对于沥青与隧道洞渣制备碎石黏附性的提高均有效。

四种抗剥落措施的浸水马歇尔残留稳定度（MS0），Ⅲ型抗剥落剂的残留稳定度提高最多，其次是复配，最低的为加入消石灰。四种抗剥落措施的冻融劈裂残留强度比（TSR），消石灰提升最多，其次为Ⅲ型抗剥落剂，最低为Ⅵ型抗剥落剂。综合四种抗剥落措施的水稳定性评价数据，加入Ⅲ型抗剥落和加入Ⅲ型抗剥落剂+消石灰复配的效果较好。