火山渣工程特性的试验研究及施工中的应用

1、 火山渣工程特性的试验研究及施工中的应用宋辉中交一局海外公司AA高速路项目摘要：通过对火山渣力学指标和级配的分析，得出火山渣在具有透水性强、水稳定性好等一系列良好工程特性的同时还存在不易碾压密实、不易板结、压实后表面松散、抗冲刷能力弱等缺陷。为了利用其良好工程特性，消除不良工程特点的影响，提出两种解决方案：1.火山渣掺拌细粒土；2.合成密级配火山渣。通过对改善火山渣抗压强度、加州承载比、水稳定性、压实性能等力学指标的试验研究分析，得出两种方案各自的优越性和局限性，据此提出每种方案在施工过程成中的适用领域。通过在AA高速公路施工中的应用和现场检测，检验了两种方案的施工可行性和实际效果。关键词：掺

2、拌；级配；台背回填；底基层；路基回填前言火山渣资源在AA高速公路沿线分布广泛、资源丰富。本文以AA项目为依托，通过室内试验开展火山渣工程特性技术方案的研究，针对不同填筑部位的施工要求提出了火山渣掺拌细粒土、合成密级配火山渣两套技术方案对其进行改善，为改善火山渣的工程特性提供参考。1. 天然火山渣的工程特性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，粒径一般在040毫米。孔隙是由于泡沫破裂、气体逃逸而形成，气孔常为不规则状、圆形和长圆形，大小由数毫米至数厘米不等。火山渣通常为黑色、黄色、红色和棕色。自然形态以粗粒状火山堆积形式存在，主要靠颗粒间的嵌挤作用形成不规则排列，

3、开采较容易。2.1 天然火山渣的物理力学指标对K29+500火山渣参照公路土工试验规程(JTG E40-2007)进行了其基本工程性质试验，结果见下表：(击实试验采用干土法重型击实，天然干密度采用水袋法检测)表(1) K29+500料场火山渣的物理力学特性指标 天然干密度天然含水率颗粒比重天然孔隙率压碎值磨耗值1.23g/cm314.8%2.532 g/cm345.9%40.7%42.4%坚固性最大干密度液限塑性指数自由膨胀率CBR(96%MDD)11.5%1.37g/cm335.6%6.5%-2%58.8%由表(1)可得出，天然火山渣具有以下工程特性：天然干密度小、空隙率大经过击实后的火山渣

4、干密度有所增加，但仍有较大孔隙率有一定的抗压碎能力、抗腐蚀性能和抗磨耗性能，具有轻质集料的一些良好工程性质液限、塑性指数较低，无自由膨胀率，具有良好的透水性CBR值较高，有较高的抗剪强度和水稳定性。1.2 天然火山渣的颗粒分析火山渣级配变化是火山渣击实过程中的重要现象，参照公路土工试验规程(JTG E40-2007)对其进行颗粒分析。(击实采用重型击实方法)表 (2) K29+500料场火山渣的颗粒分析样品描述通过下列筛孔的百分率%60.040.020.010.05.02.01.00.50.250.075天然火山渣10010095.284.969.037.227.124.69.72.730次击

5、实后10010097.387.071.442.132.029.613.34.950次击实后10010098.989.374.146.635.833.216.06.898次击实后10010099.492.979.555.744.741.621.69.3注：1、天然火山渣级配：不均匀系数Cu=16.3>5;曲率系数Cv=1.55=13;属于级配良好砾。2、30次击实后级配：不均匀系数Cu=22.5>5;曲率系数Cv=0.35<13;属于级配不良砾。3、50次击实后级配：不均匀系数Cu=26.3>5;曲率系数Cv=0.39<13;属于含细粒土砾。4、98次击实后级配：不

6、均匀系数Cu=30.1>5;曲率系数Cv=0.57<13;属于砂类土-含细粒土砂。图（1）级配随击实功的变化曲线 图（2）各筛孔变化幅度曲线由图(1/2)可得出：天然火山渣主要是以粗颗粒分布为主,细颗粒少,属于级配良好砾。随击实功的增大，整体变细，不均匀系数增加，曲率系数降低，由级配良好砾先是转变为级配不良砾，再转变为细粒土砾，最后转变为砂类土击实后的火山渣0.52.0mm变化幅度最大，火山渣粒径变得比较均匀、单一，级配较差。2. 改善火山渣工程特性技术方案的研究及分析根据库伦提出的抗剪强度公式：=c+tg，可知土体的强度是由内摩阻力和粘聚力两部分所构成。内摩阻力的大小在材料强度、

7、形状、表面粗糙度、压实度一定的情况下主要取决于材料的颗粒组成（级配），材料的级配越合理内摩阻力就越大。粘聚力与材料的细颗粒含量、塑性指数又有很强的关联性。由此可分析得出造成天然火山渣具有不良工程特性的原因：细粒含量少、塑性指数低，导致火山渣颗粒之间粘结非常脆弱，在外力作用下，火山渣颗粒间容易产生滑动和位移，从而丧失承载能力火山渣在压实过程中大颗粒逐渐被压碎变成次级颗粒，使天然良好级配变为不良级配。针对火山渣不良工程特性的内在原因，提出两种技术方案对其进行改善：第一种方案：掺拌细粒土对其改善。利用细粒土粘结性好、细料含量多的特点达到提高其细料含量、增加颗粒间粘结力进而解决火山渣不良工程特点。第二

8、种方案：合成密级配火山渣。通过机械破碎、分档、合成密级配火山渣，增大颗粒之间的摩擦阻力、改善级配降低其空隙率进而改善其工程特性。3.1 火山渣掺拌细粒土方案的实验结果及分析3.1.1 火山渣-细粒土混合料结构分析当火山渣掺入细粒土时，随着细粒土的不同掺配量可形成四种结构形式，见下图： 第一种形式为骨架空隙结构，见图 a)，当细粒土掺量很少时，火山渣颗粒相互接触，骨架完整，颗粒间空隙很大；材料强度依靠颗粒间的摩擦力和嵌挤获得。该结构透水性、水稳定性好。但颗粒间缺乏粘结性、施工压实困难、整体板结性差且压实后表面松散。第二种形式为骨架密实结构,见图 b)，随着细料土掺量的增加，细料逐渐填充于火山渣颗

9、粒之间形成的空隙，但并未破坏火山渣原有的骨架结构，材料依然能够从颗粒接触获得强度，其塑性指数、粘结力、密实度明显提高，但水稳定性略有下降，透水性变差，施工时较第一种结构容易压实，表面松散和整体板结性差的特点得到了明显改善。第三种形式为悬浮密实结构,见图 c)，随着细料土掺配比例的增多,火山渣颗粒之间的接触逐渐被破坏,原有的颗粒骨架结构已不再完整，骨料之间的摩擦力也大大减低。此结构的材料强度、水稳定性比第二种结构大大降低，但在施工时最容易压实。第四种形式为悬浮结构，见图 d)，混合料以细料为主，火山渣颗粒之间没有接触，就像悬浮在细料之中,未起到骨架作用。此时火山渣的良好工程特性不能显现，混合料的

10、整体性能以细粒土工程特性为主。这类混合料密实度较低、透水性和水稳定性差。 3.1.2 最佳细粒土掺配率的试验过程及确定从火山渣-细粒土结构分析可知，掺配细粒土能有效改善混合料的工程特性。但掺量过低起不到填充密实和增加粘结性的作用；掺量过大势必影响其使用性能，造成工程隐患。因此通过混合料压实性能、水稳定性能、整体板结性、透水性等各性能的试验研究，参考不同施工部位的技术要求，提出不同施工部位的最佳掺拌比例和范围。(火山渣、细粒土来源于K29+500借土场，细粒土掺量按10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%和50%进行试验)表（3）不同施工部位对混合料各技术指标的要求(施工经

11、验)施工部位透水系数 (ml/Min)风干72h抗压(KN)CBR(%)CBR膨胀率(%)压实度（%）93%MDD96%MDD30次击实50次击实路基封水层025301.59092普通路基1530351.59093路基开平层0835401.588921).混合料的颗粒组成分析将不同掺配比例的混合料在击实前、98次重型击实后的颗粒分析汇总如下：表（4）不同比例混合料的级配分析结果火山渣/细粒土掺配比例通过下列筛孔的百分率%604020105210.50.250.07590：10击实前10010094.684.270.740.631.228.915.91098次击实10010099.493.179

12、.65848.345.727.215.685：15击实前10010095.385.872.242.734.532.818.913.298次击实10010099.594.582.559.249.346.829.420.380：20击实前10010095.988.274.246.537.935.123.117.198次击实10010097.59078.958.649.647.833.524.175：25击实前10010096.789.275.450.242.339.325.720.798次击实10010098.391.780.959.751.848.934.826.770：30击实前1001009

13、6.990.278.154.346.444.330.425.198次击实10010098.892.382.463.2555338.831.165：35击实前10010097.391.878.958.150.447.334.928.898次击实10010099.493.683.966.458.656.142.835.160：40击实前10010098.192.780.261.354.652.439.632.598次击实10010099.794.383.566.360.758.745.435.755：45击实前10010098.792.782.764.458.855.444.136.598次击实1

14、0010099.493.986.169.564.160.448.439.550：50击实前10010098.693.283.76761.359.747.540.898次击实10010099.295.185.270.164.862.551.144.1图(3)击实前的级配曲线 图(4)98次击实后的级配曲线图 (5)各筛孔击实前后的变化由表（3）、图（3/4/5）可得出如下结论：随着细粒土掺量的逐渐增大，细料的含量逐渐增多，击实前后混合料级配逐渐变细，火山渣颗粒之间的接触面积变小，火山渣颗粒被击碎的比例逐渐下降，各筛孔的变化幅度逐渐降低击实后的火山渣0.52.0mm变化幅度最大，被压碎的颗粒主要为

15、0.5mm2.0mm的颗粒。 2).混合料的技术指标根据试验结果，分别绘制最大干密度、孔隙率、CBR(93%MDD)、CBR(96%MDD)、压实度、单轴抗压强度与掺配比例的关系曲线，然后根据不同的施工部位（不同的技术指标要求）作图求出能满足各项指标要求的掺配比例范围(OACmax，OACmin)，计算该范围的中值为OAC作为最佳掺配比例。表（5）不同掺拌比例火山渣:细粒土混合料的技术指标汇总标指例比火山渣：细粒土混合料掺拌比例（质量比）100:090:1085:1580:2075:2570:3065:3560:4055:4550:500:100土最佳含水率(%)13.216.318.119.

16、019.520.020.421.322.223.027.3最大干密度(g/cm3)1.371.451.481.501.521.511.501.481.461.451.41颗粒比重(g/cm3)2.5322.5412.5462.5512.5562.5612.5662.5722.5762.5812.636孔隙率(%)45.942.941.941.240.541.041.542.443.343.846.5击实前液限(%)35.636.237.439.442.448.250.352.854.656.873.0塑指(%)6.57.18.210.011.415.816.417.518.820.226.5击

17、实后液限(%)33.434.335.737.540.145.647.951.954.156.973.5塑指(%)4.55.36.58.19.413.415.216.818.920.127.2压实度(%)30次击实85.486.988.590.091.492.191.791.291.191.086.550次击实91.292.493.294.094.794.093.793.693.292.492.2CBR(93%MDD)48.349.952.550.339.235.331.830.829.226.93.6CBR(96%MDD)58.863.961.558.644.640.135.433.931.9

18、29.15.3CBR膨胀率(%)00000.020.030.040.10.81.67.9透水性系数(ml/Min) (ml/Min)45016.22.850.40.12000000单轴抗压(KN)饱水后未成型7.478.798.167.497.186.796.155.665.07未成型风干72h未成型12.4513.9115.4817.8820.5624.0728.3331.9835.6741.92注：1、火山渣：细粒土掺拌比例为风干材料的质量比（风干火山渣和风干细粒土含水率分别为1.0%、9.5%）。2、以混合料的最大干密度和孔隙率来评价混合料的密实性。3、以混合料在30次、50次击实得到的

19、压实度来评价混合料的压实性能。4、以混合料的CBR、CBR膨胀率、液塑限、塑性指数来评价混合料的水稳定性。5、以混合料饱水后的抗压能力和阴凉通风环境中风干72H后的抗压能力评价混合料的整体板结性能(试件尺寸:15.2*12cm、最佳含水量达到100%压实度)。6、透水性系数试验过程参考公路路基路面现场测试规程(JTG E60-2008 T0971-2008）,数据只能用于对比分析和参考。(试件:最佳含水量达到96%压实度)图(6)各技术指标与细粒土土掺配比例的关系曲线由表(5)、图(6)可得出如下结论:承载力在掺量10%15%达到峰值；混合料在掺量25%时为最密实状态；掺量25%30%时达到最

20、佳压实状态；掺量达到15%时，粘聚力与骨架作用为最佳组合，此时饱水单轴抗压最大，而后虽然粘聚力增强，但由于火山渣骨架作用形成强度的损失比粘聚力的增加大，整体饱水单轴抗压能力下降随着掺量的逐渐增大，混合料液塑限、塑性指数、CBR膨胀率逐渐升高，由于击实前后各比例混合料级配都有不同程度的改变，导致击实后液限、塑性指数有所下降。路基封水层：OACmin=30%，OACmax=45%，OAC=37.5%；普通路基：OACmin=20%， OACmax=35%，OAC=27.5%；路基开平层：OACmin=15%， OACmax=25%，OAC=20%；4.2级配火山渣方案的实验结果及分析参照埃塞公路局

21、对天然底基层料级配要求,考虑K29料场火山渣级配的状况，初选C级配做为火山渣的级配控制范围。将级配差的天然火山渣经轧石机重新破碎分档形成05mm、525两中粗细不同的火山渣，然后按照不同的比例将其组合形成粗中细三种级配，分别进行混合料级配、密实性、压实性能、水稳定性能、整体板结性能、透水性能的试验研究。1).级配火山渣的颗粒组成分析表（6）不同级配火山渣的级配分析结果级配火山渣级配类型通过下列筛孔的百分率%25409.54.7522.00.50.4250.075C型级配(ERA-5104)1005185356525511530515级配1 (细)击实前10075.958.242.829.911

22、.730次击实10079.464.051.232.612.550次击实10083.969.256.136.114.098次击实10085.272.259.738.214.9级配2 (中)击实前10068.850.435.023.09.030次击实10077.159.344.226.49.350次击实10078.262.849.430.110.798次击实10082.371.657.834.712.8级配3 (粗)击实前10062.543.628.216.16.230次击实10071.552.839.921.77.750次击实10078.859.844.723.98.898次击实10080.96

23、6.952.829.910.9图（7）级配火山渣的级配变化曲线由表(6)、图(7)可知：随着击实功的增加，级配火山渣逐渐变细；细料含量增多，火山渣颗粒之间的接触面积变大，火山渣颗粒被击碎的比例逐渐下降击实后的火山渣0.425mm2.0mm之间的颗粒增加明显，被压碎的颗粒主要集中在9.525mm。 2).级配火山渣的技术指标表（7）级配火山渣的物理力学特性指标 比例标指火山渣：细粒土混合料掺拌比例（质量比）级配1(细)级配2(中)级配3(粗)最佳含水率(%)19.518.316.4最大干密度(g/cm3)1.491.451.42颗粒比重(g/cm3)2.5582.5472.539孔隙率(%)41

24、.843.144.1击实前液限/塑指(%)29.5/4.8压实度(%)30次击实88.687.686.650次击实93.392.491.5CBR(93%MDD)99.978.059.7CBR(96%MDD)115.388.371.4CBR膨胀率(%)000透水性系数(ml/Min)56.1126.8360.0单轴抗压(KN)饱水后7.826.765.35风干72h10.048.486.61注：1、以孔隙率评价材料的密实性; 30次、50次击实得到的压实度来评价其的压实性能。2、以混合料的CBR、CBR膨胀率、液塑限、塑性指数来评价混合料的水稳定性。3、透水性系数试验过程参考公路路基路面现场测试

25、规程(JTG E60-2008 T0971-2008),数据只能用于对比分析和参考。(试件:最佳含水量达到96%压实度)4、以混合料饱水后的抗压能力和静置阴凉通风处风干72H的抗压能力评价材料的整体板结性能。(试件尺寸:15.2*12cm、最佳含水量达到100%压实度)。图(8)各技术指标与级配的关系曲线由表(7)、图(8)可得如下结论:在一定的级配范围内，火山渣随着级配由粗变细，其最大干密度逐渐升高，孔隙率逐步降低，级配火山渣逐渐填充密实。随着级配火山渣的级配逐渐由粗到细，材料的结构形式发生变化，压实性逐渐改善，在相同的击实功下得到的压实度逐渐提高。随着火山渣级配由粗到细，材料的水稳定性（C

26、BR）和整体板结性能（单轴抗压）有了明显改善但材料的透水性能也有了明显的下降。结论：当火山渣应用于对材料透水性、承载力、水稳定性、整体板结性有较高要求的时候，火山渣级配范围宜选择在细级配与中级配之间的范围作为控制界限。4.3 两种改良方案的优越性和局限性分析为了更好地对比两种改良方案的优越性和局限性，将各施工部位的技术要求汇总如下： 表(8) 不同施工部位对回填材料的技术指标要求 技术指标施工部位坚固性 (%)洛杉矶磨耗(%)液限 (%)塑性指数 (%)压实度 (%)CBR (%)0.075mm通过率(%)结构物台背1550309615天然底基层506、129530满足级配路基开平层(030)

27、5050269615火山渣-细粒土掺拌方案的优越性：方便就地取材、减少了挖方段的弃土方量，降低了工程运输费用和对生态环境的破坏。火山渣-细粒土混合料应用于路基回填彻底解决了火山渣不易板结、压实后表面松散、抗冲刷能力弱等缺陷，并能够根据路基施工部位的不同选择不同的掺配比例火山渣-细粒土掺拌方案的局限性：火山渣-细粒土混合料与普通路基回填料相比多了一道掺拌程序，相应增加了工成本,同时也影响了施工速度。火山渣-细粒土混合料在掺拌过程中的均匀与否直接影响到路基施工的质量，增加了质量控制的难度。级配火山渣方案的优越性：相比火山渣-细粒土混合料，具有更好的水稳定性和透水性。应用范围广泛：级配火山渣特有的良好工程特性，能够应用与路基各结构层、结构物台背回填、天然底基层。级配火山渣应用于底基层或者台背回填，极大地降低了工程造价，减少了对机轧碎石或者天然砂砾的依赖。级配火山渣方案的局限性：与火山渣-细粒土混合料相比，成本高，生产周期较长，不适用于大方量的结构部位。级配火山渣整体板结性虽然有了大幅度改善，但其内部缺乏粘结力，抗剪切能力差，施工完成的结构层