西部交通科技项目管理中心.docx

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1、火山灰材料在道路工程中的应用研究汇报简本一、项目研究目的意义从上世纪90年代，我国公路建设进入了迅速发展时期，截至2023年终，公路通车总里程达357.3万公里，高速公路5.36万公里。公路建设有效的增进了经济的发展。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，加上某些地区缺乏砂石等老式筑路材料，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处理目前困境的重要途径。火山灰材料分布在我国东北、西北日勺诸多省份和地区，储量巨大，因此积极开展火山灰材料在公路工程中的应用，运用有限的资金增长公路总里程、提高公路建设质量具有重要的

2、意义。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，具有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2023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。重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绪,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，本课题研究成果可以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，经济和社会效益明显，研究意义重大。二、国内

3、外技术现实状况由于火山灰材料具有隔温性能优良、化学活性高、开采以便、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。古罗马人曾运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发售，直到二百年前，火山灰与石灰日勺混合物还被认为是世上最优良的胶粘建筑材料。止匕外，近年来国外也对火山灰替代水泥的混凝土性能进行了有关试验研究。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运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

4、研究火山灰材料在道路工程中日勺应用，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日勺应用研究，该课题获得了阶段性成果，但由于当时的研究手段和措施较落后，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），因此火山灰材料并未能在道路工程中得到广泛的应用O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2023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照价值。在火山灰改性沥青性能方面，某些资料中探讨了富含天然火山灰的特立尼

5、达(TLA)湖沥青性能研究、实体工程应用，而没有波及人为在沥青中添加磨细火山灰的有关报导。综上，国内外有关资料中未见对火山灰混合料填筑路基、基层以及有关设计参数与施工工艺进行系统的研究及亲密有关的报道。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经有火山灰用于道路工程日勺研究成果，重要研究内容如下：1、火山灰分布、材料性质调查及用于道路工程中日勺可行性分析；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日勺强度、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

6、日勺研究；6、总结项目成果，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一有代表性火山灰材料物理、化学性质及颗粒构成分析f火山灰在道路工程中应用方式可行性分析f火山灰基层实体工程使用性能调查f室内试验及理论分析f结合季冻区特点给出火山灰材料在道路工程中应用的参照指标一实体试验工程的修筑一跟踪测定及数据日勺分析和整顿，火山灰在道路工程中应用效果评价一总结设计施工工艺，形成指导文献。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，不一样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

7、层的耐久性、抗冻性；4、火山灰填筑路基的隔温性、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，依托工程的实行地点重要选择在吉林省东南部山区，详细为抚松县境内北岗至松江河三级公路、敏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51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(On)北岗至松江河公路路面基层1.16/7.57/15敏子河至安抚界路面基层1.06/7.57/15公路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

8、灰边坡防护路面基层水泥磴面层六、项目的重要成果项目组通过近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、基层的规定，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，获得了一系列的研究成果，完毕了项目协议所规定日勺内容，到达了预期目的。现将成果简要简介如下：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）选用有代表性的火山灰进行物理、化学性质及颗粒构成分析，根据火山灰物理、化学性质及天然级配构成分析成果，课题组推荐了火山灰材料拟在道路

9、工程中的应用范围。（3）已经有日勺某些火山灰基层试验工程使用性能有好有坏，阐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获得良好的效果。（4）目前火山灰运用方式狭窄，导致使用量少，丰富的火山灰资源没有充足被开发，应结合火山灰时隔温性、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时隔温作用；某些产地的火山灰满足水泥混凝土路面粗集料技术指标规定，可替代水泥混凝土中的部分粗集料承担骨架作用；火山灰天然级配靠近基层材料规定，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，可以用作板体性基层材料的结合料；磨

10、细火山灰内部孔隙仍占较大比例，用于沥青混合料能起到SMA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，研究成果表明：(1)火山灰材料经和某些细粒土或细粒灰掺配后，不小于现行公路路基设计规范(JTGD30-2023)中各级公路对路床土最小强度CBR的规定,压实度也满足规定，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一样土质掺配时，比例很重要，实际施工时应根据试验成果进

11、行填筑。口压实度（93%）压实度（95%）9 7 5 3 1 9 7 IA IA IA IA IA3 Io8 *0-点三 *09g-HH“测-3MOb“。9”出国法m图61压实度93%和95%时CBR值（4）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日勺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，成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。hO=O,9m4

12、.5H=31.O5图64边坡稳定分析滑动面示意图（6）结合试验路实体工程，简介了植草、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，提出了火山灰路堤合用时边坡防护型式及条件。如图6-5图68所示。图65植草皮防护效果图图6-6砌石防护效果图图67三维网护坡图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日勺力学性能、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，重要得出如下结论：(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，提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，

13、结合料中石灰剂量不得不不小于6%,应用时通过试验确定合适%!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日勺使用过程中具有一定的强度增长潜力。(3)火山灰路面基层抗压回弹模量分布为8701346MPa,低于老式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0.490.77MPa之间，和二灰碎石及水泥稳定砂砾的劈裂强度相近。(4)火山灰混合料具有很好的抗冻性能，可以抵御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，阐明火山

14、灰基层的抗疲劳性能靠近二灰碎石基层。三种混合料的疲劳曲线如图6-9所示。疲劳曲线 A组疲劳对双（A组疲劳） B组疲劳对数（B组疲劳）二灰碎石对数（二灰碎石）图69三种混合料疲劳曲线（6）火山灰稳定基层材料的干缩系数为老式半刚性基层干缩系数的1/31/2,温缩系数约为老式半刚性基层材料温缩系数的1/41/2,阐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构造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重要原因。如图6-10图6-11所示。图610火山灰基层混合料干缩系数3. 00E-052. 50E-052. 00E-051.50E-051. 00E-05

15、口二灰碎石水泥稳定砂砾石灰：火山灰粉：混合碎石=2：4：94水泥熟料：火山灰粉：混合碎石=3：3：94水泥：石灰：火山渣=2：8：90水泥：石灰：火山渣：碎石=2：8：40：50水泥：石灰：火山渣：碎石=2：10：48：40永泥：石灰:火山渣：碎石=2：8：50：405.00E-06O.OOE+OO图611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与火山灰中日勺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Ca?+生成难溶于水日勺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具有更多的Ca(OH)2,因此前者较后者具有更高的强度。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成果表明，火山渣替代水泥混凝土路面中日勺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