红砂岩是一种颜色呈红色的沉积岩。从岩石学的角度，红砂岩分为碎屑岩与黏土岩两大类。其中，黏土质红砂岩强度低、崩解性强，难以用于制备工程集料，改良后可用作路基填料^[1-4]。而碎屑质红砂岩硬度较高、崩解性弱，具有制备公路路面基层集料的潜质。

已有学者开展了碎屑质红砂岩在路面基层中的应用研究。研究发现，与石灰岩集料相比，红砂岩集料硬度较低、吸水率较高、吸水后软化较为严重^[5-6]，导致水泥稳定红砂岩集料抗压强度低、水稳性差^[7]。红砂岩集料吸水性强、失水率高，导致其制备的水泥稳定红砂岩路面基层材料抗干缩性差^[8]、抗冻性差^[9]。为解决水泥稳定红砂岩路面基层材料强度低、耐久性差的问题，杨志刚等^[10]、陈福玲^[11]均采用了红砂岩集料与石灰岩集料复配的方式制备路面基层材料，研究发现将9.5 mm以下红砂岩替换为石灰岩后，水泥稳定红砂岩路面基层材料的强度可显著提高。

山西省昔榆高速沿线山体多以红砂岩为主，优质石灰石集料缺乏，路基开挖过程中采出约1.8×10⁷ m³红砂岩弃渣，拟将其中硬度较高的碎屑质红砂岩用作路面基层集料。然而初步研究表明：昔榆高速沿线红砂岩成分复杂，整体硬度较高，但均匀性差，碎屑质红砂岩与黏土质红砂岩存在共存、伴生现象，人工挑拣难度高、效率低。如何采取高效破碎分选方法将碎屑质与黏土质分开，制备出高品质红砂岩集料，是红砂岩作为路面基层集料需解决的首要问题。其次，昔榆高速沿线石灰石匮乏，远调成本高，除将红砂岩与石灰岩复配使用外，还需寻找更为科学经济的措施解决红砂岩路面基层材料强度低、干缩率大、抗冻性差的问题。

昔榆高速周边电厂排出大量固废循环流化床(CFB)炉渣与飞灰(两者一起使用时简称为CFB灰渣)，未得到有效利用。CFB炉渣具有细集料的级配和一定水化活性、膨胀性，但疏松多孔、压碎值高，吸水率大。已有研究表明：电厂锅炉、煤气化炉产生的炉渣与CFB炉渣具有类似多孔吸水特性，作为细集料用于路面基层材料中，可起到吸水-缓慢释水的“内养生作用”，反而有利于提高路面基层材料抗裂性和抗冻性能^[12-13]。CFB飞灰与CFB炉渣同源，但呈高细度的粉体。已有研究表明，与普通粉煤灰相比，CFB飞灰具有更高的水化活性，但吸水性、膨胀性明显高于普通粉煤灰，不可大量用于高流态的混凝土材料，否则会严重影响混凝土流动性与体积稳定性^[14]，但可用于干硬性道路材料，压实后强度高且具有微膨胀性^[15-16]。若能充分利用CFB飞灰与CFB炉渣共有的活性、膨胀性及CFB炉渣特有的多孔集料特性，协同解决红砂岩集料低强度、收缩大、抗冻性的问题，便可“以废(电厂固废CFB灰渣)治废(道路固废红砂岩弃渣)”，实现全固废制备路面基层材料。

为此，本研究以昔榆高速沿线红砂岩、CFB灰渣为对象，首先研究经破碎后的红砂岩成分、力学性能随粒径的分布规律，探讨采用破碎分选工艺提高红砂岩均质性与集料品质。同时，以水泥稳定石灰岩集料为参照，对比研究红砂岩粗细集料、CFB炉渣细集料、CFB灰渣复合细集料对水泥稳定红砂岩集料力学性能与耐久性的影响规律。研究采用CFB灰渣改性红砂岩制备路面基层材料的可行性，可为固废红砂岩、固废CFB灰渣在路面基层工程中规模化应用提供理论和技术支撑。

昔榆高速沿线红砂岩均质性差，同一隧道开挖出的砂岩单轴饱水抗压强度最低为15 MPa，最高可达60 MPa。为研究破碎后不同粒级红砂岩的特性差异，采用反击式破碎机将同批次红砂岩破碎成0~4.75 mm，4.75~9.50 mm，9.50~19.0 mm，19.0~26.5 mm不同粒径后，研究了不同粒级红砂岩的物化性能。

采用X射线荧光光谱、X射线衍射半定量检测及岩相分析等方法，检测了不同粒径红砂岩的化学组成、矿物含量和岩相，结果见表 1、表 2和图 1。

图 1 红砂岩岩相 Fig. 1 Lithofacies of red sandstone

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分析表 1、表 2可以看出，不同粒径红砂岩的化学成分和矿物组成基本一致，均由硅质石英、硅铝质钠钾长石、钙质方解石以及高岭石、伊利石黏土矿物构成。但不同粒径化学组成、矿物含量呈现规律性变化。红砂岩粒径越大，化学组成中SiO₂含量逐渐减少，CaO含量增加，这与矿物组成砂粒碎屑(石英、长石的含量和)含量增加，方解石含量增加，黏土矿物大幅减少相一致。具体地，最大粒级为19~31.5 mm的黏土矿物含量仅为最小粒级为0~4.75 mm的24%。

砂岩一般由砂粒碎屑和胶结质两部分组成，砂粒碎屑含量与胶结质类型对砂岩性能影响巨大。砂粒含量高、胶结质呈硅质胶结或钙质胶结的强度高、稳定性好，砂粒含量低、胶结质呈泥质的强度低、稳定性差^[17]。红砂岩碎屑砂粒含量总体较高，在60%左右，因而强度可达15~60 MPa。但是，原生的红砂岩成分复杂，不同类型红砂岩混杂一起，人工无法挑拣。上述结果表明红砂岩母岩在反击式破碎时存在明显破碎分选、分级类聚现象，碎屑含量低、胶结质中黏土矿物含量高的红砂岩碎裂程度高、粒径更小，在细集料中富集。而碎屑质含量高、胶结质中方解石含量高的红砂岩不易破碎，在粒径更大的粗集料中富集。这在图 1岩相中有明显表现，19.0~26.5 mm砂岩粗集料微观较为均齐，砂粒含量高，胶结质均匀分布在周围，且胶结质黏土含量少。而0~4.75 mm砂岩细集料的砂粒与胶结质分界明显，胶结质占比高，甚至存在黏土层超过50%的情况，如图 1(d)所示。

为探究成分变化对不同粒级砂岩工程特性的影响，检测了不同粒级红砂岩的压碎值与塑性指数，如表 3所示。其中，检测塑性指数时先将红砂岩粉磨至0.075 mm方孔筛通过率100%。

由表 3可见，随着粒径的降低，红砂岩压碎值与塑性指数逐渐增大，且当粒径低于9.5 mm时，增幅显著变大。由压碎值可看出，红砂岩粗集料约为20%，满足路面基层用粗集料要求，红砂岩细集料压碎值高达40%，尽管路面基层对细集料无压碎值要求，但明显高于石灰石细集料压碎值(一般低于30%)。从塑性指数看，红砂岩集料的塑性指数均超过7%，这说明红砂岩集料含泥量偏高，尤其是细集料的塑性指数高达10%，这与1.1节中细集料矿物组成中黏土矿物含量高于粗集料的结论相一致。可见，红砂岩母岩种不同岩相的组分在破碎过程中分离，硬度高、含泥量低的形成粗集料，软弱的、含泥量大的形成细集料。

无侧限抗压强度、干缩性能、抗冻性能是评价路面基层性能的关键指标。以水泥稳定石灰岩粗集料(编号L)、细集料(编号L)为对照，研究了红砂岩粗集料(编号S)、细集料(编号S)掺入对路面基层材料性能的影响，以及CFB炉渣(编号BA)、CFB飞灰与CFB炉渣复合集料(简称CFB灰渣复合集料，编号FBA)对水泥稳定红砂岩集料性能的影响。

首先，固定水泥用量外掺5%，参考《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)的推荐级配C-B-1的中值，将各档集料0~4.75，4.75~9.50，9.5~19.0，19.0~26.5 mm按照37%，20%，26%，17%的比例配制水泥稳定石灰岩(LL)作为基准。接着，在LL基础上，用红砂岩粗集料取代25%(S₂₅L)，50%，75%，100%(SL)石灰岩粗集料，用红砂岩细集料取代25%(L₂₅S)，50%，75%、100%(LS)石灰岩细集料，分别探究红砂岩粗、细集料取代石灰岩集料对混合料强度的影响。然后，在粗、细集料全为红砂岩(SS)基础上，采用CFB炉渣细集料取代25%(SBA₂₅)，50%，75%，100%(SBA)红砂岩细集料，并在细集料全为CFB炉渣(SBA)基础上，外掺4%，6%，8%(SF₈BA)，10%CFB飞灰，探究CFB炉渣作细集料及CFB灰渣复合集料对混合料强度的影响。最后，选取LL，SL，LS，SBA，SF₈BA典型配合比，研究红砂岩粗集料取代、红砂岩细集料取代、CFB炉渣细集料取代、CFB灰渣复合集料取代对混合料长期强度、抗干缩和抗冻性能的影响。混合料配合比见表 4。

红砂岩粗集料、细集料取代不同比例石灰岩粗集料、细集料的7 d无侧限抗压强度见图 2。

图 2 红砂岩取代率对水泥稳定石灰岩无侧限抗压强度的影响 Fig. 2 Influence of red sandstone replacement rate on unconfined compressive strength of cement stabilized limestone

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由图 2可见，随着红砂岩粗、细集料取代率的增加，路面基层材料的强度不断降低，且细集料取代引起的强度降低幅度大于红砂岩粗集料取代。如水泥稳定石灰岩粗细集料的7 d无侧限抗压强度为4.3 MPa，红砂岩粗集料取代率为100%时，强度降低了0.8 MPa，降幅为14%。而红砂岩细集料取代率为100%时，强度降低了1.81 MPa，降幅为41%。红砂岩粗集料虽压碎值与石灰石粗集料相近，但水稳性差对强度有一定影响，这是因为基层材料强度检测前需浸水1 d。而红砂岩细集料压碎值大、含泥量高，遇水软化更为严重，从而对水稳基层强度影响更为显著。

CFB灰渣对水泥稳定红砂岩集料无侧限抗压强度的影响见图 3。由图 3(a)可见，水泥稳定红砂岩7 d无侧限抗压强度仅为2.2 MPa。采用CFB炉渣取代红砂岩细集料，随着取代率升高，强度逐渐提高，当取代率为100%时，强度提高至3.2 MPa，增幅为45%。在此基础上，随着CFB飞灰的加入，强度继续增长，CFB飞灰最佳掺量为8%，此时路面基层材料的强度达到5.2 MPa，比同条件下水泥稳定石灰岩强度高0.8 MPa。可见，CFB灰渣复合细集料对水泥稳定红砂岩集料具有显著的增强作用。

图 3 CFB灰渣对水泥稳定红砂岩集料无侧限抗压强度的影响 Fig. 3 Influence of CFB fly ash and bottom ash on unconfined compressive strength of cement stabilized red sandstone aggregate

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CFB灰渣对水泥稳定红砂岩集料抗干缩性能的影响见图 4。

图 4 CFB灰渣对水泥稳定红砂岩集料抗干缩性能的影响 Fig. 4 Influence of CFB fly ash and bottom ash on drying shrinkage resistance of cement stabilized red sandstone aggregate

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由图 4(a)可以看出，红砂岩粗、细集料替代石灰石集料，混合料收缩增大，红砂岩细集料替代干缩增大幅度高于红砂岩粗集料替代。SL和LS的干缩应变分别为792.0×10^―6和1 111.6×10^―6，比LL分别增大54%和116%。而用CFB炉渣细集料、CFB灰渣复合细集料取代石灰石细集料，混合料的干缩应变大幅降低，其中SF₈BA的干缩应变仅为260×10^―6，比LL还要低49.5%。

由图 4(b)可见，水泥稳定红砂岩集料失水率明显高于石灰岩(LL)，尤其是细集料(LS)，累计失水率为LL的1.4倍。这是因为红砂岩集料含黏土矿物，黏土矿物吸水量大，失水率随之提高，因而收缩大。CFB灰渣掺入后失水率更高，但是CFB灰渣掺入后，路面基层混合料的成型含水率大幅提高，失掉水后还有大量的剩余水，即型最佳含水率与累计失水率的差值。

由图 4(c)可见，CFB炉渣细集料、CFB灰渣复合细集料取代石灰岩细集料，失水后剩余含水率仍有4.0%和5.3%，甚至高于LL的初始成型最佳含水率。可见CFB灰渣多孔吸水、储水能力强，在干燥养生环境下，孔内水缓慢释放弥补了黏土矿物失水产生的收缩，一定程度上提高了水泥稳定红砂岩粗集料的抗干缩能力。

LL，SL，LS，SBA，SF8BA典型配合比的标准养护28 d强度与28 d龄期抗冻性能见表 5。其中，抗冻性能按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)采用标准养护28 d后冻融循环5次后的强度与标养28 d强度的比值，即冻融残留抗压强度比(BDR)表征。BDR越大，表明抗冻性越好。

用CFB炉渣或CFB灰渣复合取代红砂岩细集料后，路面基层混合料的强度与抗冻性大幅提高，其中CFB灰渣复合细集料(SF₈BA)的28 d强度达到9.5 MPa，比水泥稳定石灰岩28 d强度提高了64%，且抗冻性相近。

红砂岩作粗集料(SL)以及红砂岩作粗集料、CFB炉渣作细集料并掺入CFB飞灰(SF₈BA)的28 d龄期扫描电镜(SEM)图像如图 5所示。结合SEM与宏观性能测试结果分析了CFB灰渣改性水泥稳定红砂岩集料的机理。

图 5 SL和SF8BA扫描电镜图像 Fig. 5 SEM diagrams of SL and SF8BA

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红砂岩粗集料虽压碎值与石灰岩相近，但由于少量颗粒是由黏土胶结而成，易于吸水膨胀软化，与水泥胶结失效。从图 5(a)~(c)明显可见：红砂岩集料表面黏土层在浸水后几乎脱落，而且红砂岩表面胶凝矿物较少，仅有少量水泥水化形成的C-S-H凝胶与针棒状AFt，从而导致水泥稳定的强度更低、干缩更大、抗冻性更差。

CFB飞灰与CFB炉渣均具有水化活性与膨胀性^[15]，在养护过程中，CFB灰渣水化产物与水泥水化产物搭接联生，形成紧密的界面结构。由图 5(d)~(f)明显可见: CFB炉渣之间界面结合紧密，过渡区有大量针棒状AFt、絮状C-S-H凝胶，这与周明凯等人将CFB炉渣用作混凝土细集料可增加界面强度的结论相一致^[18]，故SF₈BA的7~28 d强度增长率高达67%。

对比图 5中的SL和SF₈BA可见，SF₈BA的结构更加致密，这是因为CFB飞灰与CFB炉渣复合细集料细度高，较普通细集料而言充填更为致密，加之水化形成大量的针棒状AFt形成过程伴随着体积膨胀，起到了化学膨胀致密作用。有害储水孔隙减少后，冻胀压力降低，基体强度增大，抗冻性随之增强。这与胡富平等^[12]利用多孔煤气化炉渣骨料制备的水稳混合料抗冻性较高的结论一致。CFB炉渣孔内自由水缓慢释放，弥补了红砂岩粗集料黏土矿物失水产生的收缩，与化学膨胀作用协同，使得水泥稳定红砂岩集料的干缩应变比水泥稳定石灰岩干缩更低。

针对红砂岩均质性差、红砂岩集料性能和水泥稳定红砂岩集料路用性能不明确的问题，研究了红砂岩破碎筛分后集料物理化学特性随粒径变化的规律。探究采用破碎分选措施分离不同类型红砂岩，提升红砂岩集料品质的可行性，研究了红砂岩粗、细集料替代率及CFB灰渣与红砂岩粗集料复合对水泥稳定红砂岩集料路用性能影响规律，利用CFB灰渣增强改性水泥稳定红砂岩集料。最后，采用SEM微观手段结合宏观试验规律，揭示CFB灰渣对水泥稳定红砂岩集料的改性机理。

(1) 昔榆高速沿线红砂岩弃渣均匀性差，部分碎屑质红砂岩与黏土质红砂岩伴生，经破碎后，黏土矿物含量高、硬度低的砂岩在0~4.75 mm细集料中富集，4.75 mm以上粗集料碎屑含量高、硬度高。利用此破碎分选特性可选出优质红砂岩粗集料，提高红砂岩集料的稳定性与工程性能。

(2) 水泥稳定红砂岩集料强度受红砂岩粗集料影响大于细集料，红砂岩粗、细集料分别替代100%石灰岩粗、细集料，混合料7 d无侧限抗压强度分别降低14%、41%。红砂岩细集料含泥量大、硬度低，使混合料干缩大幅增大, 抗冻性大幅降低，不宜作细集料用于水泥稳定基层。

(3) 用CFB灰渣复合作细集料与红砂岩粗集料配合使用，可大幅提高水泥稳定红砂岩集料的路用性能。红砂岩粗集料、CFB炉渣、CFB飞灰的适宜配合比为63%∶37%∶8%。与同水泥掺量水泥稳定石灰石集料相比，经CFB灰渣改性后的水泥稳定红砂岩集料7 d无侧限抗压强度提高0.8 MPa，干缩应变低49.5%，抗冻性持平。

(4) CFB飞灰不仅起到充填密实作用，而且生成了大量AFt和C—S—H。CFB炉渣水化增硬，并与外部水化产物搭接联生，形成了紧密的界面黏接。这是CFB灰渣复合细集料增强的主要原因。AFt形成过程会产生体积微膨胀，进而使孔隙率降低，加之CFB炉渣多孔吸水-释水形成“内养生作用”，这是CFB灰渣复合细集料提高抗冻性能与抗干缩性能的主要原因。