1 概述
中国地域辽阔，火山分布广泛。在火山地区存在大量的火山渣资源。将其应用到公路路基中，对减少常规填料的开采，节约有限的国土资源，保护自然环境，降低工程造价等将具有十分可观的经济及社会效益。为研究火山渣的路用性能，我们在国道208线二连浩特至白音察干段于2000年对乌兰哈达火山的火山渣进行了应用，并在2004年3月（通车2年零6个月）进行了路面横向裂缝调查。
1.1 火山渣的物理性质
火山渣（Scoria）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，由孔隙、火山玻璃和矿物组成。孔隙是由于泡沫破裂、气体逃逸而形成。火山渣通常为黑色、深灰色、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而形成不规则排列，开采较容易。乌兰哈达火山渣的物理性质试验结果见表1-1。
表1-1乌兰哈达火山渣物理性质试验结果
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试验项目 |
干密度,g/cm3 |
比重,g/cm2 |
孔隙率,% |
烧失量,% |
压碎值,% |
|
试验结果 |
1.115 |
2.644 |
57.8 |
15 |
54.8 |
火山渣作为一种火山作用的残余物，由于形成时高温燃烧的作用，内部可燃物质充分燃烧，余下的火山残渣具有很高的孔隙率，较小的干密度，较高的压碎值。具有水渗透能力强、抗压碎能力差的工程性质，是一种典型的轻质材料。
1.2 天然火山渣的粒度成分
天然火山渣主要以粗颗粒分布，粒径较均匀，细颗粒含量很少，级配较差。在所使用的乌兰哈达火山渣中，15mm～60mm的颗粒占70%以上，0.075mm以下的颗粒小于2%；其有效粒径d10为1.5mm，粒径d30为15.4mm（d30为通过量30%时的粒径），限制粒径d60=37.9mm；不均匀系数Cu=30.2，曲率系数Cs=4.8。
1.3 试验路段及相邻路段概况
208线二连浩特至白音察干段为平原区二级公路，于2001年10月建成通车，路基宽12米，路面宽9.0米。火山渣试验段选择在火山附近约0.8km的K144+320～144+720段。该路段地形较平坦，地下水位较高，在设计中为水文地质不良路段。原设计中，路基采用湿地断面形式，地面以上50cm及地面下挤淤20cm用远运砂砾来填筑。试验段路基用火山渣填筑及挤淤，采用石灰、火山灰稳定级配碎石半刚性基层，其中火山灰由火山渣磨细而成。路面设计弯沉值40.8（0.01mm），试验路段及相邻路段路基、路面结构见表1-2。
表1-2 试验路段及相邻路段的路基、路面结构
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路段 |
相邻路段（原设计） |
试验路段 |
|
面层 |
中粒式沥青混凝土4cm |
中粒式沥青混凝土4cm |
|
基层 |
水泥稳定级配碎石18cm |
石灰、火山灰稳定级配碎石18cm |
|
底基层 |
石灰稳定砂砾20cm |
石灰稳定砂砾20cm |
|
土基 |
粘土，砂砾 |
天然火山渣 |
2 火山渣的击实性能
为了解试验方法对击实标准的影响和击实对火山渣级配的影响，分别采用了表面振动压实仪法和重型标准击实法进行对比试验；同时，在表面振动压实仪法中对火山渣进行了筛分试验。根据击实试验结果及击实中发现的现象，可得出以下认识：
2.3.2.52.1 火山渣的最大干密度比一般土质小，击实后仍有很大的孔隙率。
重型标准击实和表面振动击实，试验结果类似，火山渣的最大干密度分别为1.255g/cm3和1.200g/cm3；最大干密度时的孔隙率仍分别高达52.5和54.6%；具有最大干密度小、孔隙率大的特点。最大干密度小的原因主要有两方面：⑴火山渣颗粒内部的孔隙大。虽然击实中，一部分空隙被细颗粒填充，一些颗粒被挤碎，但击实后的颗粒内仍然有很大孔隙；⑵火山渣的级配较差。级配直接影响到最大干密度的大小。根据颗粒相互填充、挤密的原理，若级配不良，细颗粒含量较少时，大颗粒间空隙较大，无法达到空隙率最小的效果。
2.3.2.12.2 火山渣级配的变化是火山渣击实中产生的主要现象之一。
天然火山渣振动击实前后级配的变化见表2-1和表2-2。从表2-1中可以看出，击实前火山渣颗粒的粒径比较单一，颗粒较粗，级配较差。振动击实后火山渣粒径总体上减小，不均匀系数明显提高，并且有效粒径在0.5～0.6mm之间。这说明，振动击实后颗粒的粒径及颗粒之间的空隙总体上减小，粒径的分布范围加大，级配趋向密实。
从表2-2中可以看出，火山渣在振动击实过程中，颗粒受振动冲击作用，部分颗粒被压碎，被压碎颗粒主要为40mm以上的粒径。这是因为，火山渣在被压碎的过程中，由于粗颗粒之间的接触面积较小，接触应力较大，故粗颗粒将首先被压碎而使其粒径变小。同时，振动后4.75～9.5mm的颗粒增加较多，颗粒大小和形状也发生一定变化。
表2-1天然火山渣振动击实前后筛分结果
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级配情况 |
振动前 |
振动后 | ||||
|
土样2 |
土样3 |
土样5 |
土样2 |
土样3 |
土样5 | |
|
有效粒径d10,mm |
1.0 |
1.8 |
2.8 |
0.50 |
0.60 |
0.55 |
|
粒径d30,mm |
15.0 |
18.0 |
19.5 |
7.70 |
10.60 |
11.10 |
|
限制粒径d60,mm |
44.0 |
42.0 |
41.2 |
27.90 |
29.70 |
31.40 |
|
不均匀系数Cu |
44 |
23.33 |
14.71 |
55.8 |
49.50 |
57.09 |
|
曲率系数Cs |
5.11 |
4.29 |
3.3 |
4.25 |
6.31 |
7.13 |
表2-2 火山渣振动击实后分计筛余的增加值,%
|
孔径，mm |
土样编号 |
孔径，mm |
土样编号 | ||||
|
2 |
3 |
5 |
2 |
3 |
5 | ||
|
60 |
-9.17 |
-7.34 |
-0.71 |
2 |
2.43 |
1.65 |
1.44 |
|
40 |
-7.27 |
-7.87 |
-10.39 |
0.5 |
2.23 |
1.70 |
2.11 |
|
16 |
2.16 |
2.59 |
0.76 |
0.25 |
0.65 |
0.64 |
0.80 |
|
9.5 |
4.41 |
3.38 |
-0.27 |
0.075 |
1.29 |
1.47 |
2.76 |
|
4.75 |
2.79 |
2.39 |
2.70 |
||||
2.3 含水量对击实效果的影响
表2-3 击实曲线中 时含水量的变化范围（%）
|
压实系数K |
重型标准击实 |
表面振动击实 | ||||
|
最小值 |
最大值 |
变化范围 |
最小值 |
最大值 |
变化范围 | |
|
0.98 |
8.1 |
11.1 |
3.0 |
12.5 |
14.6 |
2.1 |
|
0.95 |
5.9 |
13.0 |
7.1 |
11.3 |
15.2 |
3.9 |
|
0.93 |
— |
— |
— |
9.2 |
17.0 |
7.8 |
火山渣的击实曲线见图2-1和图2-2。击实曲线中 时（ 为干密度， 为最大干密度，K为压实系数）含水量的变化范围见表2-3。试验表明⑴含水量对火山渣的干密度有一定的影响，但并不像粘性土那样明显；⑵压实系数K=0.93～0.95时，含水量的变化范围较大，即按一般路基压实标准的要求，在不过多增加压实功的情况下，火山渣在较小的含水量时也能压实；⑶对于击实曲线中达到同一压实系数时含水量的变化范围，振动击实较小而标准击实较大。这说明在振动中水对减小颗粒之间的抗剪强度影响较大。
3 火山渣路基的回弹模量
表3-1 火山渣路基回弹模量E0（MPa）值统计分析结果
|
回弹模量的测定和计算方法 |
最大值 |
最小值 |
平均值 |
标准差S |
偏差系数CV,% |
回弹模量设计值 | ||
|
Zα | ||||||||
|
2 |
1.648 |
1.5 | ||||||
|
承载板,不修正坐标原点 |
99.4 |
66.3 |
84.6 |
11.23 |
13.28 |
62.1 |
66.0 |
67.7 |
|
承载板,修正坐标原点 |
113.8 |
91.9 |
106.9 |
7.18 |
6.72 |
92.5 |
95.1 |
96.1 |
|
弯沉仪 |
130.6 |
64.0 |
94.1 |
14.30 |
15.20 |
65.5 |
70.6 |
72.7 |
火山渣路基于2000年10月中旬完工，11月我们用弯沉仪对火山渣路基进行了回弹模量的测定工作，共选测点68个；2001年6月又用承载板对其进行了测定，共选测点8个。其统计分析结果见表3-1。用承载板测定的火山渣路基的回弹模量，不修正坐标原点时，单点值范围为66.3～99.4MPa之间，平均值为84.6MPa,回弹模量设计值为62.1～66.7MPa；承载板法修正坐标原点时，其单点值范围为91.9～113.8MPa之间，平均值为106.9MPa,回弹模量设计值为92.5～96.1MPa；用弯沉仪测定的回弹模量单点值范围为64.0～130.6MPa之间，平均值为94.1MPa, 回弹模量设计值为65.5～72.7MPa。
上述结果说明,承载板法不修正坐标原点时的回弹模量与弯沉仪法相比较,二者的结果较为接近,而承载板法修正坐标原点时的回弹模量偏高。回弹模量较一般土质要大，与碎石土、天然砂砾差不多。根据计算结果，在路面设计中火山渣路基的回弹模量可按公路等级选用60～70MPa。
4 火山渣路基的施工要点
4.1 铺筑与碾压方法
为保证火山渣路基的密实度与平整度，应注意以下几个方面：
⑴由于火山渣为粒状材料，颗粒级配对压实效果影响很大。因此，施工中应尽量选择级配良好、粒径较小的火山渣，必要时应破碎。
⑵为火山渣的大颗粒被压碎而形成良好的级配，宜用吨位较大的压路机碾压，最好不小于20吨。火山渣路基在最后一层施工时，先稳定压几遍，然后洒布一薄层细粒土再进行碾压。
⑶由于压实层上部颗粒较粗，细料偏少，火山渣路基分层碾压间隔时宜短，避免施工及其它车辆影响而造成火山渣路基松散，从而影响路基平整度及稳定性。
4.2 含水量的控制
施工中对含水量控制可以较宽一些，洒水不宜过多。从经济造价等方面考虑，在缺水的地区进行火山渣路基施工时，可不必洒水，而直接碾压，但需增加碾压遍数或压路机吨位。
4.3 压实度控制与检测
由于火山渣为粒状材料，松散、空隙大、易被压碎及火山渣颗粒的不均匀性，火山渣路基的压实度检测与一般土基相比较为困难。试验中所采用的灌水法，效果也并不理想，检测结果有一定的离散性。对于工地现场控制，可用灌水法作为辅助试验手段，以碾压遍数控制，当压实层顶面稳定，不再下沉(无轮迹)时，可判定为密实状态。
4.4 边坡处理
由于火山渣为粒状材料，颗粒之间的粘聚力极小，路堤边坡易受到人为、牲畜及流水作用会造成边坡松散，从而影响公路路基稳定，边坡应采取适当的封闭措施。施工时，为便于路基的碾压一般与路堤同步进行。根据火山渣路基的施工经验，对火山渣路基边坡表面进行30cm厚的粘土封闭，效果良好，能够起到保护边坡的作用。
5 火山渣在试验路中的应用效益
按原设计，试验段路基的土石方量为6311 m3，其中远运砂砾3217 m3，粘（砂）性土3094 m3。考虑运距、压实系数，按当时的情况，试验段路基使用火山渣后原材料的价格对比见表5-1。通过表5-1可以看出，试验路段路基用天然火山渣填筑，可节约经费10.2万元。可见，在火山附近修筑公路，特别是砂砾料缺乏地区，用天然火山渣填筑路基，其经济效益显著。
表5-1 试验段路基使用火山渣后原材料的价格对比
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材料 |
压实方，m3 |
压实系数 |
工程数量，m3 |
运距，km |
预算单价(元/m3) |
材料造价，元 |
|
火山渣 |
6311 |
1.35 |
8520 |
0.8 |
4.25 |
36210 |
|
天然砂砾 |
3217 |
1.30 |
4182 |
12.1 |
28.05 |
117305 |
|
粘（砂）性土 |
3094 |
1.25 |
3867 |
0.8 |
5.48 |
21191 |
从火山渣用于路面结构来看，试验段水泥稳定碎石较石灰火山灰稳定级配碎石便宜2508元，即二者造价相当，其效果并不理想。这主要是由于火山渣的加工费用造成的。
6 试验路使用状况
根据2004年3月对K143+820～K144+980段路面裂缝的调查，试验路经过了长达二年多的使用，路面无纵向裂缝。横向裂缝也都细小，基本都是1～2mm以下的裂缝。原设计段的横向裂缝间距在2.53～19.60之间，平均裂缝间距为9.27m，裂缝度为107.9m/1000m2；试验段（K144+320～144+720）的裂缝间距在6.57～22.82之间，平均裂缝间距为13.97m，裂缝度为73.3m/1000m2；从现场路表情况来看，路面平整，未有沉陷，碎裂，搓板等路面直观病害的发生。调查结果表明，试验段比原设计段较好，火山渣路基工作状况良好，完全可以满足行车要求。
