伏亚亚、徐启志
中交一公局第六工程有限公司 天津? 300459
摘要：本项目地处贵州省黔东南苗族侗族自治州榕江县，地材以浅变质岩（板岩）为主，为了解决浅变质岩在路面底基层及基层使用当地地材，项目开展本研究课题，通过项目试验研究成果的推广应用达到降低工程风险，节约工程投资，提高工程施工及运行质量的目的，并使贵州地区路面水稳基层浅变质岩材料应用达到新的水平，对贵州地区建设的可持续发展起到示范与推动作用。因此，本项目的研究具有重大的工程意义和经济价值，其应用前景十分广泛。
关键词：浅变质岩（板岩）碎石，路面基层，应用
1 前言
1 项目背景及国内外研究现状
1.1 项目背景
贵州目前正处于大发展、大建设阶段，在高速公路、桥梁、隧道、铁路、工业与民用建筑工程等基础设施建设中，采用当地原材料用于基础设施建设，不仅可以缩短工程工期，而且可以减轻环境负荷、降低工程造价。现有研究表明这些岩石中普遍含有对混凝土具有极大危害性的碱活性成份，如果直接加以利用将造成结构物膨胀开裂，对基础设施的安全运营形成严重威胁。因此，如何有效预防和控制这些天然材料作为结构物骨料时的有害反应，开展相应的研究对于大大降低建设成本、合理保护当地环境都具有十分重要的现实和前瞻意义。
1.2国内外研究现状
目前国内外研究报告中并没有提到一起因为碱活性骨料用于路面基层而产生的碱集料反应，但碱集料反应是影响混凝土耐久性的一个重要的方面。项目研究成果的推广应用将达到降低工程风险，节约工程投资，提高工程施工及运行质量的目的，并使我国、尤其贵州地区路面水稳基层浅变质岩材料应用达到新的水平，对贵州地区建设的可持续发展起到示范与推动作用。因此，本项目的研究具有重大的工程意义和经济价值，其应用前景十分广泛。
1.3 贵州地区浅变质岩特性
1.3.1 浅变质岩的特性
地壳中原有的岩石受构造运动、岩浆活动或地壳内热流变化等内应力影响，使其矿物成分、结构构造发生不同程度的变化而形成的岩石。
（1）化学成分
浅变质岩的化学成分主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、H2O、CO2以及TiO2、P2O5等氧化物组成。
（2）矿物成分
除含有角闪石、碳酸盐类等主要造岩矿物外，与岩浆岩和沉积岩相比，浅变质岩中常出现铝的不含铁的镁硅酸盐矿物（红柱石、蓝晶石）；复杂的钙镁铁锰铝的硅酸盐矿物类；铁镁铝的铝硅酸盐矿物(堇青石、十字石等)；纯钙的硅酸盐矿物等；以及主要造岩矿物中的某些特殊矿物（蓝闪石、绿辉石、硬玉、硬柱石等）。
（3）结构构造
浅变质岩的结构是指浅变质岩中矿物的粒度、形态及晶体之间的相互关系，而构造则指浅变质岩中各种矿物的空间分布和排列方式。浅变质岩结构按成因可划分为下列各类：①变余结构；②变晶结构；③交代结构；④碎裂结构。
1.3.2 浅变质岩的物理力学性能
2 浅变质岩项目应用调研
2.1 路面基层采用原材料调研结果
2.1.1 水泥
所采用的水泥为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（缓凝），相关性能指标满足要求，试验结果如表2-1所示。
表2-1 水泥检测结果
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2.1.2 浅变质岩粗集料
针对所采用的粗集料主要为浅变质岩和石灰岩，且粗集料的密度及吸水率、压碎值、针片状含量以及集料0.075mm以下颗粒含量等相关性能指标试验结果如表2-2所示。
表2-2 粗集料基本物理性能试验结果
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为测试材料在环境恶劣时的性能，提出严苛试验条件（集料高温水煮8h＋常温浸泡16h，循环4次）压碎值变化，浅变质岩和石灰岩的粗集料压碎值试验结果见表2-3所示。
表2-3 粗集料的压碎值试验结果
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通过对比分析表，浅变质岩和石灰岩粗集料在正常条件以及高温水煮条件下的压碎值均不超过20%，均满足要求。针片状含量试验结果表明，级配间的浅变质岩和石灰岩粗集料的针片状含量不超过20%，符合规范要求。然而浅变质岩粗集料在5~10mm和10~20mm时，不满足高速公路和一级公路中用作基层的粗集料0.075mm以下颗粒含量不超过1.2%的要求，但在20~30mm时，浅变质岩粗集料在0.075mm以下颗粒含量为0.9%，满足标准要求。石灰岩粗集料在5~10mm和10~20mm时，其0.075mm以下颗粒含量满足规范要求，但在20~30mm时，不满足规范要求。
2.1.3 浅变质岩细集料
针对水泥稳定浅变质岩碎石路面基层试验段中所采用的浅变质岩细集料进行了调研，所采用的细集料主要为浅变质岩和石灰岩，且细集料的MB值、塑性指数、硫酸盐、有机质含量以及集料0.075mm以下颗粒含量等相关性能指标试验结果如表2-4、2.5所示。
表2-4 细集料的基本物理性能试验结果
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由表2-4可知，浅变质岩和石灰岩细集料等各项指标上均满足相关要求。
2.1.4 石匠冲料场岩石的岩相分析
2.2 浅变质岩路面基层配合比试验结果
2.2.1 浅变质岩粗细集料组合设计
浅变质岩集料用在路面基层项目中采用的集料组合方案如表2-5所示。
表2-5 路面基层浅变质岩集料试验方案组合
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为了避免级配的差异性对试验结果带来影响，项目在优选矿质集料组成方案的试验过程中采用的是单级配配料的方法，保证试验方案的混合料级配大致相同，所采用的浅变质岩集料级配如表2-6所示，其级配曲线如图2-2所示。
表2-6 浅变质岩及石灰岩混合料统一级配要求
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※说明：为减小试验偏差，根据原材料筛分试验，确定各原材料比例，再按比例称取各原材料，用19mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm标准筛分成单档材料，按每个试件的材料用量根据合成级配结果，计算配料试验。
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图2-2 级配曲线
2.2.2 浅变质岩集料用于路面基层的可行性验证试验
为了验证浅变质岩作为公路路面基层筑路材料的可行性，项目设计了A、C方案以配合比设计的水泥剂量c＋0.5%、c＋1.0%，B方案按配合比设计的水泥剂量c，详细试验方案见表2-7，结果见表2-8所示。
表2-7 水泥稳定浅变质岩碎石混合料的试验方案
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通过试验检测结果得出各组混合料7d无侧限抗压强度无侧限抗压强度均符合要求，且强度随龄期呈增长趋势，符合水泥强度增长规律。表明浅变质岩在干湿循环条件下，情况未发生明显劣化，各龄期无侧限抗压强度均符合要求。
2.2.3 水泥稳定浅变质岩碎石混合料的施工配合比
通过分析项目已发布施工的水泥稳定浅变质岩碎石路面基层配合比审批报表等文件资料得出配合比如下表2-9所示。
表2-9 水泥稳定浅变质岩集料路面基层配合比
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2.3 路面基层用浅变质岩碱活性试验结果
根据速碱集料反应监测中心对料源碱活性的长期监测结果可知，石匠冲料场、兴旺料场和宰帮料场的岩石在14d试件的膨胀率基本均在0.2%～0.3%之间，属于含有潜在的碱硅酸反应类集料，且各料场试件的膨胀率均小于0.3%，满足TBT 3275-2018《铁路混凝土》中集料碱活性小于0.3%的要求。
3 现场检测和芯样试验研究
3.1 路面基层现场钻芯
针对水泥稳定基层试验段进行了钻芯取样，见表3-1，芯样试件见图3-1。
表3-1 路面基层现场钻芯取样表
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图3-1现场钻芯及芯样照片
3.2 芯样力学性能检测
为了验证水泥稳定基层试验段是否满足《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20-2015中要求，针对试验段进行钻芯取样检测10d龄期无侧限抗压强度，试验过程见图3-2，结果见表3-2和图3-3。
表3-2 芯样无侧限抗压强度试验结果
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图3-3 水泥稳定基层试验段芯样无侧限抗压强度试验结果
由表3-2和图3-3可知，水泥稳定基层试验段上基层的无侧限抗压强度均值为4.9MPa，下基层的强度均值为6.8MPa，其均大于设计要求4.0MPa，表明浅变质岩用于公路水泥稳定材料可满足其强度要求。
4 基于快速砂浆棒法的路面基层用集料碱活性试验
4.1 碱活性试验内容
4.1.1 原材料基本性能试验
4.1.1.1 水泥
针对调研所取水泥试样进行了相关的验证性试验，试验结果见表4-1。
表4-1 水泥凝结时间和碱含量检测结果
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由表4-1可知，所取水泥试样的初凝时间和终凝时间均满足《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20-2015中的要求。水泥碱含量不大于0.6%满足《预防混凝土碱骨料反应技术规范》GB/T50733-2011中水泥对碱含量的要求。
4.1.1.2 集料
浅变质岩粗集料取至石匠冲料场，对料场的粗细集料的压碎值、表观密度、吸水率、针片状含量、亚甲基蓝值（MB值）、软石含量以及小于0.075mm颗粒含量（%）等性能开展相关验证试验分析，试验结果见表4-2、4-3和4-4。
表4-2 石匠冲料场三级破碎粗集料基本性能检测结果
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由表4-2和4-3可知，石匠冲料场各粒径级配下粗集料的针片状含量、软石含量以及小于0.075mm颗粒含量均满足要求。粗集料经过高温水煮后，测量压碎值，结果表明其压碎值指标普遍降低，提升了粗集料的抗压碎能力，从而表明经过高温水煮后的粗集料越坚固。
4.1.2 集料化学组成分析
为了进一步论证石匠冲岩石的岩相分析结果，项目组委托中国科学院地球化学研究所对所取石匠冲料场的岩石进行了化学组成分析，分析结果如表4-5所示。
表4-5 石匠冲集料化学组成分析结果（w %）
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通过对比表4-5和表4-6可看出，针对石匠冲料场岩石的化学组成的两次检测检测结果基本是一致的。其岩石主要由SiO2和Al2O3组成，且SiO2含量为65.53%，Al2O3的含量为 16.79%，含有1.77%的MgO和0.12%的SO3。
4.1.3 骨料碱活性试验
基于快速砂浆棒法对水稳基层用集料碱活性进行检测评价。采用《铁路混凝土》TB/T 3275-2018中附录B的快速砂浆棒法（试验方案见表4-7），结合实际水稳基层的水泥用量，室内试验制备砂浆棒，观测14d试样外观和膨胀率。实验方案见表4-8。
表4-7 快速砂浆棒法试验方案
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备注：水泥占比指水泥的质量与水泥和集料总质量之比；集料来源于石匠冲料场。改进型试验方法水泥用量相比现场实际用量放大了4～6倍，且添加了1%减水剂，原因为便于成型试件。经试验水泥用量太小无法成型。
按照试验方案，对所取岩石样品进行碱活性评价，具体试验结果见表4-9。
表4-9 基于快速砂浆棒法对水稳基层用集料碱活性试验结果
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图 4-1 砂浆试件中产生的凝胶
图4-1显示在试验中大多数砂浆棒都析出凝胶的情况，在养护的14d期间内，各组砂浆棒试件析出不同程度的凝胶，但各组试件均未出现裂纹。
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图4-2 各组砂浆棒试件的膨胀率测试结果
由图4-2可看出，相同集料的砂浆棒试件的膨胀率随着水泥用量的增大而增大，但各组砂浆棒试件在14d的膨胀率均未超过0.1%，其中最大值为0.073%。各组砂浆棒试件膨胀率在3～10d时间段内快速增长，而在10～14d的膨胀率增长量相对之前都有变慢的趋势，这可以从侧面说明快速砂浆棒法能够加快碱活性骨料的反应速度，能够较科学的评价反应较慢的活性骨料，对于各类结构工程选用骨料具有积极的作用。
4.2 不同加工工艺对膨胀率的影响
4.2.1 颗粒形貌
为了充分分析石匠冲料场不同加工工艺生产的机制砂颗粒形貌特征，利用IPP6.0软件对石匠冲三级破碎、二级破碎以及拌合站的粒径在2.36～4.75mm和1.18～2.36mm间的细集料颗粒进行形状分析，主要分析参数见表4-10。
表4-10 选择的具有代表性的测试指标
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石匠冲不同加工工艺下制备细集料颗粒的直径、面积、长宽比、圆度、半径比等参数分析结果如下表4-11～4-12及图4-3～4-6。
表4-11 石匠冲料场不同工艺下制备的细集料的颗粒面积与圆度分析结果
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图4-3 石匠冲料场不同工艺下制备的细集料2.36～4.75mm的粒形分析结果
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图4-6 石匠冲料场细集料1.18～2.36mm颗粒的长宽比分布范围分析结果
通过IPP6.0软件处理对比可知，石匠冲料场三级破碎得到的细集料在2.36～4.75mm和1.18～2.36mm两个级配间颗粒的圆度、长宽比和半径比值均小于石匠冲料场二级破碎和拌合站细集料的各参数值，表明石匠冲三级破碎得到的细集料的颗粒形貌较优于石匠冲二级破碎后得到的细集料。
4.2.2 不同破碎工艺的试验分析
为进一步研究不同加工工艺对集料14d膨胀率的影响程度，利用快速砂浆棒法检测各组在14d的膨胀率，分析不同加工工艺对集料碱活性的影响作用，结果见图4-7所示。
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图4-7 石匠冲料场不同工艺生产的集料碱活性检测结果
从图4-7可以看出，不同的加工工艺对其集料砂浆棒试件的膨胀率有一定的影响。
5 研究结论
5.1研究表明石匠冲料场变质岩各项参数进行试验检测，结果表明各项指标满足《公路路面基层施工技术细则》JTG/TF20-2015要求。
5.2利用变质岩集料制备的水泥稳定碎石路面基层材料7d无侧限抗压强度在4.2～5.8MPa之间，14d无侧限抗压强度在4.5～6.2MPa之间，28d无侧限抗压强度在5.2～7.2MPa之间，各龄期无侧限抗压强度均符合规范的要求。
5.3石匠冲料场、兴旺料场和宰帮料场的岩石在14d试件的膨胀率基本均在0.1%～0.2%之间，属于含有潜在的碱硅酸反应类集料，但各料场试件的膨胀率均小于0.3%，满足TBT 3275-2018《铁路混凝土》中集料碱活性小于0.3%的要求。
5.4路面基层芯样经过模拟加速试验后，各组浅变质岩作为骨料的水泥稳定路面基层结构物芯样的14d膨胀率均低于0.1%，各组水泥稳定变质岩碎石路面基层结构物芯样目前未发生疑似的碱骨料反应。
5.5水泥稳定变质岩碎石基层和水泥稳定灰岩碎石基层中骨料与水泥浆体的粘接较为紧密，结构紧凑。水泥稳定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，且无蜂窝状的碱–硅酸凝胶存在，则表明目前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。
5.6石匠冲拌合站、二级破碎和三级破碎的粗集料经过高温水煮后，其压碎值指标普遍提高，表明高温水煮可提升粗集料的抗压碎能力。
5.7本研究提出的基于快速砂浆棒法对水稳基层用集料碱活性进行检测评价，石匠冲（三级破碎）、石匠冲（二级破碎）和石匠冲（拌合站）集料的砂浆棒试件在14d的膨胀率均为超过0.1%。
5.8利用IPP6.0软件分析石匠冲料场三级破碎集料颗粒的圆度、长宽比和半径比值均小于石匠冲料场二级破碎和拌合站细集料的各参数值，表明石匠冲料场三级破碎的细集料颗粒的粒形优于二级破碎的细集料颗粒。
5.9针对目前拟用的石匠冲骨料及施工配合比，试验数据表明石匠冲料场变质岩集料可应用于公路路面基层。