火山灰材料在道路工程中的应用研究西部交通建设科技项目管理中心

1、火山灰材料在道路工程中的应用研究报告简本一、项目研究目的意义从上世纪90年代，我国公路建设进入了快速发展时期，截至2007年底，公路通车总里程达357.3万公里，高速公路5.36万公里。公路建设有效的促进了经济的发展。然而由于中西部地区面积大，自然环境恶劣，人口密度小，地方财政能力有限，并且缺乏投资价值，加上一些地区缺少砂石等传统筑路材料，使得中西部公路建设受到严重制约，经济发展也受到限制，提高地产材料的使用性能是解决当前困境的重要途径。火山灰材料分布在我国东北、西北的诸多省份和地区，储量巨大，因此积极开展火山灰材料在公路工程中的应用，利用有限的资金增加公路总里程、提高公路建设质量具有重要的意

2、义。吉林省火山灰资源十分丰富，是国内率先开展火山灰在道路工程中应用的省份之一，具备进行火山灰用于公路工程研究的物质、技术基础。吉林省交通科学研究所于2003年承担了西部交通建设科技项目火山灰材料在道路工程中的应用研究。主要进行了火山灰分布调查、火山灰物理化学性质测试、火山灰实体工程调查等工作，在此基础上制定科学的研究思路，开展了火山灰填筑路基、火山灰稳定路面基层材料、磨细火山灰改善水泥混凝土和沥青混凝土性能等方面的系统研究，并通过实体工程进行了验证，总结出切实可行的应用工艺措施，本课题研究成果能够成功的指导季冻区火山灰材料在公路工程中进行全方位应用，经济和社会效益显著，研究意义重大。二、国内外

3、技术现状由于火山灰材料具有隔温性能优良、化学活性高、开采方便、成本低廉、分布广泛、储量丰富等特点，使其在世界各国建筑业及工业中得到普遍应用。古罗马人曾利用火山灰制成粘结材料建起了高达10层楼的神庙，还用它建成了可容纳5万人的规模宏大的可里西剧场。此后，日本、瑞士、德国与法国都把火山灰当作建筑材料出售，直到二百年前，火山灰与石灰的混合物还被认为是世上最优良的胶粘建筑材料。此外，近年来国外也对火山灰替代水泥的混凝土性能进行了相关试验研究。火山灰材料在我国的应用起步相对较晚，应用时间最长、技术最成熟的方式是利用火山灰材料制作水泥，并已在实际工程中成功应用。公路交通部门从上世纪90年代初开始研究火山灰

4、材料在道路工程中的应用，吉林省交通科学研究所于19901992年承担了省交通厅项目火山灰混合料在道路基层中的应用研究，该课题取得了阶段性成果，但由于当时的研究手段和方法较落后，对火山灰混合料的抗冲刷、抗收缩、耐久性等研究的不够，并且应用范围较窄（仅用于道路基层），所以火山灰材料并未能在道路工程中得到广泛的应用。在国内，内蒙古的杨福珍等人分析了乌兰哈达火山渣的击实性能，并于2000年在国道208线二连浩特至白音察干段路基中进行了试验，提出了乌兰哈达火山渣路基的回弹模量及施工要点，对当地火山渣路基设计和施工具有参考价值。在火山灰改性沥青性能方面，一些资料中探讨了富含天然火山灰的特立尼达(TLA)湖

5、沥青性能研究、实体工程应用，而没有涉及人为在沥青中添加磨细火山灰的相关报导。综上，国内外相关资料中未见对火山灰混合料填筑路基、基层以及相关设计参数与施工工艺进行系统的研究及密切相关的报道。三、项目研究内容及技术路线1、研究内容本项目立足于吉林省丰富的火山灰资源和已有火山灰用于道路工程的研究成果，主要研究内容如下：1、火山灰分布、材料性质调查及用于道路工程中的可行性分析；2、火山灰填筑路基压实稳定技术、隔温性及边坡稳定技术的研究；3、火山灰用于道路基层的强度、抗冻性、抗收缩性、抗疲劳等路用性能研究；4、火山灰用于水泥混凝土路面中的应用研究；5、磨细火山灰改善沥青混合料性能的研究；6、总结项目成果

6、，撰写公路火山灰材料设计与施工技术指南。2、技术路线国内外火山灰资源分布及储量调查有代表性火山灰材料物理、化学性质及颗粒组成分析火山灰在道路工程中应用方式可行性分析火山灰基层实体工程使用性能调查室内试验及理论分析结合季冻区特点给出火山灰材料在道路工程中应用的参考指标实体试验工程的修筑跟踪测定及数据的分析和整理，火山灰在道路工程中应用效果评价总结设计施工工艺，形成指导文件。四、项目的关键技术本项目的关键技术如下：1、火山灰材料路用性能的特殊性，不同产地火山灰的变异性；2、火山灰混合料用于道路工程中的设计参数与施工工艺；3、火山灰混合料用于路面基层、面层的耐久性、抗冻性；4、火山灰填筑路基的隔温性

7、、抗冻性；5、总结项目成果，公路火山灰材料设计与施工技术指南编写。五、项目的依托工程本课题在研究过程中，依托工程的实施地点主要选择在吉林省东南部山区，具体为抚松县境内北岗至松江河三级公路、砬子河至安抚界三级公路及长白县境内的长白山南坡旅游公路，详见表5-1所示。表5-1 试验路试验概况试验路施工路线试验路内容试验路长度（km）路面/路基宽度（m）路面面层/基层厚度（）北岗至松江河公路路面基层1.16/7.57/15砬子河至安抚界公路路面基层1.06/7.57/15长白山南坡边防旅游公路填筑路基8.957/8.5（沥青）7/20（水泥）20/20火山灰边坡防护路面基层水泥砼面层六、项目的主要成果

8、项目组通过近4年的研究工作，针对火山灰材料的性质，结合季节性冰冻气候对路基、路面、基层的要求，通过大量的试验研究和对依托工程进行跟踪观测，以及系统的理论分析和效果评价，取得了一系列的研究成果，完成了项目合同所规定的内容，达到了预期目标。现将成果简要介绍如下：1、火山灰分布与性质及在道路工程中应用的可行性（1）通过调查得知世界范围内火山灰资源十分丰富，尤其是我国东北及西部地区，火山灰材料分布比较集中，且储量巨大。（2）选取有代表性的火山灰进行物理、化学性质及颗粒组成分析，依据火山灰物理、化学性质及天然级配组成分析结果，课题组推荐了火山灰材料拟在道路工程中的应用范围。（3）已有的一些火山灰基层试验

9、工程使用性能有好有坏，说明火山灰可以成功的应用于道路基层，但应根据火山灰的属性来确定基层混合料配比、最大粒径以及集料级配才能取得良好的效果。（4）目前火山灰利用方式狭窄，造成使用量少，丰富的火山灰资源没有充分被开发，应结合火山灰的隔温性、多孔性等进行多种方式应用。如火山灰孔隙率大，用作垫层及填筑路基时能具有良好的隔温作用；一些产地的火山灰满足水泥混凝土路面粗集料技术指标要求，可替代水泥混凝土中的部分粗集料承担骨架作用；火山灰天然级配接近基层材料要求，硬度较高，可用作石灰、水泥稳定类基层集料；火山灰的活性较大，能够用作板体性基层材料的结合料；磨细火山灰内部孔隙仍占较大比例，用于沥青混合料能起到S

10、MA中的纤维作用，改善沥青混合料性能。 2、火山灰修筑路基稳定技术的研究针对火山灰用作路基填料的压实技术、抗冻性、隔温性及边坡防护技术进行了系统的研究，研究结果表明：（1）火山灰材料经和一些细粒土或细粒灰掺配后，大于现行公路路基设计规范（JTG D30-2004）中各级公路对路床土最小强度CBR的要求，压实度也满足要求，如图6-1所示。（2）火山灰、火山渣与碎石混合时，混合料粗细颗粒搭配合理，碎石形成骨架，火山灰、火山渣填充其内，经碾压可形成密实度、强度高的路基。（3）火山灰材料填筑路基与不同土质掺配时，比例很重要，实际施工时应根据试验结果进行填筑。图6-1 压实度93%和95%时CBR值（4

11、）进行火山灰材料冻胀率及导热系数试验、火山灰和粘土路基冻深观测，如图6-2图6-3所示。得出火山灰填筑路基比粘土路基具有更好的稳定性和抗冻性的结论，并结合火山灰路基填料的特点给出了火山灰路基最小填土高度。 图6-2 导热系数测定仪 图6-3 温度传感器埋设（5）对火山灰路基边坡进行了稳定性验算，结果表明混合填筑的火山灰路基边坡具有一定的稳定性。边坡稳定滑动面示意图如图6-4所示。图6-4 边坡稳定分析滑动面示意图（6）结合试验路实体工程，介绍了植草、粘土包边、叠拱防护、三维植被网等边坡防护方式在火山灰路基上的施工工艺和效果，提出了火山灰路堤适用的边坡防护型式及条件。如图6-5图6-8所示。 图

12、6-5 植草皮防护效果图 图6-6 砌石防护效果图 图6-7三维网护坡 图6-8 粘土包边防护效果图3、火山灰稳定类基层的研究通过对火山灰基层混合料的力学性能、抗收缩性能、抗疲劳性能、抗冻性能、抗冲刷性能、反应机理的研究，主要得出以下结论：（1）石灰火山灰类基层与水泥石灰火山灰类基层较水泥火山灰类基层强度增长均匀、后期强度高，建议实际工程中使用石灰火山灰类基层与水泥石灰火山灰类基层，结合料中石灰剂量不得小于6%，应用时通过试验确定合适的配合比。（2）火山灰混合料360d龄期强度较180d龄期强度有10%20%的提高，证明火山灰基层在施工结束后的使用过程中具有一定的强度增长潜力。（3）火山灰路面

13、基层抗压回弹模量分布为8701346MPa，低于传统半刚性基层的抗压回弹模量，但位于适合沥青路面的基层模量范围内。火山灰混合料劈裂强度分布于0.490.77 MPa之间，和二灰碎石及水泥稳定砂砾的劈裂强度相近。（4）火山灰混合料具有较好的抗冻性能，能够抵抗重冰冻地区中湿和潮湿段对基层混合料产生的冻融破坏。（5）火山灰混合料的疲劳曲线和二灰碎石混合料的疲劳曲线出现了交叉，说明火山灰基层的抗疲劳性能接近二灰碎石基层。三种混合料的疲劳曲线如图6-9所示。图6-9 三种混合料疲劳曲线（6）火山灰稳定基层材料的干缩系数为传统半刚性基层干缩系数的1/31/2，温缩系数约为传统半刚性基层材料温缩系数的1/4

14、1/2，说明火山灰稳定基层具有良好的抗收缩性能，火山灰材料的多孔隙结构和基层混合料中较多的粒料成分是火山灰稳定基层混合料具有良好的抗收缩性能的主要原因。如图6-10图6-11所示。图6-10 火山灰基层混合料干缩系数图6-11 火山灰基层混合料温缩系数（7）火山灰稳定基层强度形成的本质是石灰、水泥等材料提供的Ca(OH)2与火山灰中的活性组分进行火山灰反应，即Ca(OH)2对火山灰材料中的玻璃体所含的硅氧、铝氧微晶格作用，使其崩解、溶解，与Ca2+生成难溶于水的二次水化物水化硅酸钙、水化铝酸钙等。石灰火山灰稳定基层混合料较水泥火山灰稳定基层混合料含有更多的Ca(OH)2，因此前者较后者具有更高

15、的强度。4、火山灰在水泥混凝土路面中的应用（1）火山渣替代水泥混凝土中部分粗集料室内试验结果表明，火山渣替代水泥混凝土路面中的部分粗集料是可行的，最佳掺配比例为80%。实体工程如图6-12图6-13所示。 图6-12 辉南万线火山渣水泥路面 图6-13 辉南万线火山渣水泥路面芯样（2）磨细火山灰用作水泥混凝土掺料的研究对不同掺配比例的水泥混凝土进行了工作性、力学性能及耐久性试验。得出在合适的掺量下，磨细火山灰对水泥混凝土的工作性、力学性及耐久性确实有积极的提高作用，并且减少了水泥用量，降低了造价，最佳掺量为15%。实体工程图片如图6-14图6-15所示。 图6-14 水泥混凝土预制块 图6-1

16、5现浇水泥混凝土5、磨细火山灰改善沥青混合料性能的研究（1）磨细火山灰改性沥青性能研究对不同填料类型的沥青胶浆进行DSR、BBR试验，如图6-16图6-17所示。 图6-16 沥青胶浆DSR试验 图6-17 沥青胶浆BBR试验试验结果表明磨细火山灰对沥青胶浆高温性能改善效果比较明显。粉胶比1.0时，掺有火山灰的沥青胶浆车辙因子平均提高程度已经达到了66.64%，且提高程度随着粉胶比的增大而增大。同时在低温性能方面也有一定程度的改善。（2）磨细火山灰对沥青混合料性能的改善将磨细火山灰以填料的形式替代矿粉掺入沥青混合料中，进行了两次试验。综合两次试验结果可知：掺加火山灰对沥青混合料的水稳性改善效果

17、不十分明显。在高温性能方面，无论掺有哪种类型火山灰的沥青混合料动稳定度相对于只掺加矿粉的混合料都有较大程度的提高，平均提高程度53.9%。在低温性能方面，不同类型以及不同掺配比例的火山灰改善效果差别比较大。（3）磨细火山灰改性沥青机理的分析火山灰的多孔隙结构以及比表面积大的特点，使其具有很强的吸附功能，可以将沥青中的油分吸入孔中，从而改变了沥青中各成分的平衡关系。同时，和吸入孔的成分产生机械锁力，因而增加沥青的粘度，使沥青能有效地附着在集料表面，降低沥青的流动性，增加流变阻力，这也是火山灰能够起到改性作用的根本原因。图6-18图6-19分别为抚松火山灰及长白火山灰在电镜下的微观结构。砬子河火山

18、灰放大30000倍砬子河火山灰放大15000倍 北岗火山灰放大10000倍北岗火山灰放大30000倍 图6-18 抚松火山灰扫描电镜照片放大30000倍放大10000倍 图6-19 长白火山灰扫描电镜照片 6、火山灰试验路施工及关键技术研究介绍了火山灰试验路的方案、施工过程及检测结果，试验路的检测结果验证了室内试验研究结果的正确性，并且针对火山灰路基、基层的特点总结了关键施工技术，为编写施工技术指南奠定了基础。火山灰在路基、基层及水泥混凝土路面应用中的关键技术主要包括以下内容。（1）火山灰路基基底处理火山灰质轻、相互间粘结力小，应对基底为火山灰材料的路段进行处理，确保基底达到稳定状态。可针对不

19、同情况采取直接碾压、换填后碾压、耕起碾压等方式处理。掺配试验由于火山砂、火山渣沿路线物理性质及颗粒组成变化较大，并且和其他材料的掺配比例对压实质量影响明显，应提前选定足够的取料地点，按照公路土工试验规程（JTG E402007）对借土场和料场的料进行含水量、密度、颗粒大小分析等试验及掺配试验。摊铺与碾压由于火山渣为粒状材料，颗粒级配对压实效果影响很大，因此在施工中应尽量选择级配良好、粒径较小的火山渣，必要时要进行碾碎；为使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进行碾压，最好不小于14t，火山渣路基在最后一层施工时，先稳定碾压几遍，然后再洒布一薄层细粒土进行碾压；由于压实层上

20、部颗粒较粗，细料偏少，火山渣路基分层碾压间隔时间宜短，避免施工及其他车辆影响而造成火山渣路基的松散，从而影响路基平整度及稳定性。含水量控制在火山灰路基的施工中，对含水量控制可放宽一些，洒水不宜过多。也可不洒水，直接进行碾压，但需增加碾压遍数或压路机的吨位。压实度控制由于火山渣为粒状材料，由于松散、孔隙大、易被压碎等特性及火山灰颗粒的不均匀性，火山渣路基的压实度检测与一般土基相比较为困难。试验中所采用的灌沙法效果也不会太理想，检测结果必定会有一定的离散性。所以可进行工地现场控制，以碾压遍数控制，当顶面压实稳定，无轮迹时可判定其为密实状态。边坡稳定验算由于火山灰密度小、相互之间的粘结力小，影响路基

21、边坡的稳定性，即使在掺配其它细料作为路基填料时，对于较陡的路基边坡也应根据混合料的性质进行路基边坡稳定验算。边坡防护火山灰路基边坡抗冲刷能力较差，应结合路基经过地区的边坡防护材料分布采取因地制宜的防护措施。（2）火山灰稳定基层配料由于火山灰稳定基层混合料的性能和各组分的构成比例密切相关，并且火山灰资源分布范围广，各地火山灰性质有一定差异，因此施工过程中要结合火山灰基层混合料的配比作适当的验证性试验后再施工。即遇到火山灰物理化学性质、颗粒组成等有变化时，重新做配比试验。拌和由于火山灰材料吸湿性强，对火山灰稳定基层混合料要采用厂拌，厂拌能够保证配料比例准确、拌和均匀、含水量容易调整，由于拌和均匀，

22、无机结合料可以充分进行水化作用，从而加速混合料的早期成型。火山灰粒径过大不仅使混合料易产生离析，并且摊铺碾压困难，因此为了准确计量和确保材料级配，在原有设备的投料斗上加一道粉碎机，用来粉碎粒径超过37.5cm以上的火山渣材料。摊铺火山灰基层混合料摊铺采用推土机和平地机结合的方法。混合料运输到现场之后，先用推土机推平，对于道路边缘则由人工铲料来填平，同时粒径较大的碎石，由工人随时拣出，推土机将混合料推平之后，再由平地机来进行找平，找平之后压路机进行碾压。防离析由于火山灰集料与碎石相比缺少棱角性，与细粒土相比缺少粘结性，因此在火山灰拌合、运输、摊铺过程中，存在火山灰大料离析现象的发生。其主要发生在

23、拌合过程中，集料传送、运输过程的混合料装卸料，以及摊铺过程中。集料离析将造成局部细集料和结合料偏少，势必会造成混合料的摊铺难以成型，如离析面积过大，将引起路面的破坏。所以离析是火山灰基层混合料施工的一个关键问题。分析解决措施如下：控制最大粒径，二级及以上公路的火山灰基层混合料最大粒径应小于32.5mm，三级以下公路混合料最大粒径应小于37.5mm；控制火山灰集料的级配，避免混合料中细集料过少或某一档集料空缺；装卸料及摊铺过程中应注意车辆的移动及速度，以减小混合料的离析；加强对摊铺后离析的检测，一旦发生离析应及时处理。压实度控制采用灌沙法测定火山灰稳定基层压实度。由于室内试验冲击力的作用，部分火

24、山渣被打碎，造成最大干密度较高，因此实测压实度较其它半刚性基层略低，故建议火山灰混合料基层要求达到的压实度为94%95%，若采用振动压路机，其压实度应适当提高。养生湿度、温度条件对火山灰稳定基层强度形成过程、特别是早期强度影响较大，因此要加强碾压后的早期养生，确保混合料基层强度的增长；由于火山灰稳定基层早期强度较低，所以养生过程中要封闭交通，待基层强度达到要求后才可开放。试验路检测 图6-20 北岗至松江河试验路芯样 图6-21 砬子河至安抚界试验路芯样 火山灰基层试验路经过3年的运行后，对其强度和成型情况进行了检测，经过检测，弯沉值均满足设计要求，而芯样也具有良好的强度，见图6-20图6-2

25、2。 图6-22 长白山南坡旅游公路试验路芯样（3）火山灰用于水泥混凝土路面水灰比控制火山灰吸水性强，用于水泥混凝土路面时水灰比较大，大的水灰比影响水泥混凝土的抗冻性，在满足和易性时尽量降低水灰比。火山渣技术指标控制压碎值、吸水率及磨耗值等指标是决定火山渣是否能够作为粗集料替代部分碎石的标准，应控制施工现场的检测密度与频率，确保工程质量。加强防离析控制火山渣密度明显小于碎石，在混凝土装卸过程中易于产生离析，影响工程质量，应加强防离析控制。水泥混凝土预制块施工平整基层：基层应坚实、平整，防止漏空造成砌块倾斜翘起，影响结构整体受力。在基层顶面铺5cm标号为M7.5水泥砂浆用于稳定防水，抹平，使基层

26、表面平整。嵌缝：嵌缝用砂应过筛去掉2.5mm以上粒径的砂子，采用小型振动器灌砂，嵌缝灌砂直至密实为止。搬运铺装：搬运铺装过程中，避免边角断裂损伤，影响外观，并使接缝工作量加大。现浇水泥混凝土路面施工水泥混凝土搅拌：含水量的变化对混凝土坍落度的影响是显而易见的，由于磨细火山灰地加入，使得此时混凝土与传统混凝土略有不同，应引起施工者足够的重视。摊铺前的准备工作：洒水量要根据基层材料、空气温度、湿度、风速等诸多因素来确定洒水量，即保证摊铺混凝土前基层湿润，而且尽可能洒布均匀，尤其在基层不平整之处禁止有存水现象。 摊铺后的养护：磨细火山灰水泥混凝土吸水率大，在气温高、风速大的季节施工，在养护过程中，要

27、保证水泥混凝土的需水量，确保水化反应充分进行。七、经济、社会及环境效益分析 结合该课题中各专题的研究成果及试验实体工程，分析本项目所能够产生的经济效益、环保效益和社会效益。1、经济效益火山灰填筑路基，可以利用挖方段挖余的火山灰，这样既可以减少弃方又可以减少填筑路堤的借方运土，既降低工程造价，又节约取、弃土占地。同时一些路段由于填筑火山灰路基，明显降低了道路冻深，降低了路堤高度，节约了造价和占地。（1）火山灰填筑路基长白山南坡旅游边防公路是连接省道朝长公路和长白山天池的旅游边防公路，全长46.601km，路基宽度8.5m，原设计采用粘土填筑路基，但由于路线位于长白山国家级自然保护区内，为保护长白

28、山自然环境，保护区内禁止取土和弃土。在长白山南坡旅游公路路基施工期间，采用了本项目的研究成果，用60%的火山灰掺加40%的碎石土填筑路基9km，减少借方效益1217.634万元，减少弃方效益1033.653万元，节约占地效益283.5261万元，合计2534.8131万元。在长白山南坡K18K24段，由于火山灰填筑路基降低0.6m的填土高度，减少借方效益576.06万元，减少碾压效益35.52万元，节约占地效益394.2595万元，合计1005.8395万元。由上述分析可见火山灰填筑路基降低了工程造价，具有显著的经济效益。火山灰基层由于近几年基础设施建设大规模开展，砂石材料供应紧张，一些砂砾需

29、长距离远运。鉴于这种原因，相关管理部门决定，长白山南坡旅游公路、北岗至松江河和砬子河至安抚界公路全部采用火山灰混合料基层，替代原水泥稳定砂砾基层。长白山南坡旅游边防公路路线长度46.601km，路面基层宽度7.5m，基层厚度20cm，共节约工程造价1006.4073万元。北岗至松江河、砬子河至安抚界两条路线长度合计71.407km，路面基层宽度6.5m，基层厚度15cm，共节约工程造价711.1556万元。通过火山灰基层与水稳砂砾基层经济性对比分析可得出对砂砾类等材料缺乏地区，采用火山灰混合料修筑道路基层，其经济效益显著。火山灰水泥混凝土路面吉林省辉南县交通局于2003年利用火山渣替代80%碎

30、石修筑的29km火山渣水泥砼路面实体工程，全线共节约246.5万元。样万线三级公路现已运营5年以上，目前使用状况良好。项目组在长白山南坡旅游公路K43+100K43+600、K35+700K36+200区间内应用了磨细火山灰作为水泥混凝土掺料技术，共节约1.18万元。可见火山灰材料在水泥混凝土路面中的两种应用方式均可带来明显的经济效益。综上所述，在项目研究期间，利用已成熟的研究成果，结合实际工程的需要，在工程中应用火山灰材料筑路，累计节约造价5505.8955万元，经济效益显著。2、环境效益火山灰的合理应用对环境保护可起到一定的作用，特别是对旅游区及自然保护区内公路，主要包括以下三个方面：（1）减少火山灰弃方火山灰分布在火山口方圆几十至几百公里的范围内，且火山灰覆盖层厚几米至几十米不等，而公路一般的填挖高度为几米至十几米，因此在火山灰分布地区修筑公路，若仅采用传统筑路材料，则会出现挖方的火山灰没处堆放，而填方所需的材料又需要远距离外运，而采用火山灰填筑路基、铺筑基层则可大大减少弃方，不会大程度影响沿线自然景观，对保护环境极为有益。（2）减少借方取土场占地如（1）中所述，填方所需的材料需要在沿线取得，会出现深坑大挖，破坏了原有的植被，若