二灰穩定風化砂無側限抗壓強度特性影響研究

劉 紅 鄒大成

(1.三峽大學三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

1 概述

風化砂是由地表巖石經過一系列風化作用而形成顆粒大小不同、堆積松散、棱角分明的礦物質。風化砂分布廣泛、取材方便、成本及運輸價格低廉，但風化砂顆粒容易一捏就碎，自身強度較低，因此圍繞這一問題國內學者對風化砂的力學性能展開了研究分析。安彥卿對二灰穩定風化砂以及施工工藝展開了研究分析，試驗結果得出：石灰、粉煤灰質量分數比分別為4∶8,5∶10及4∶12的比例二灰穩定風化砂抗壓強度均能滿足高等級公路路面底基層的要求，且后期強度仍有很大程度提高[1]。楊萬里[2]對于風化砂的工程性質及水泥穩定風化砂的物理力學性質作出研究，研究結果表明混合料的7 d無側限抗壓強度和劈裂強度均隨著水泥摻量的提高而增大。郭應杰等[3]針對某高速公路沿線的風化砂展開研究，針對其物理力學性質和水泥穩定之后的強度特性和路用性能采取了試驗研究，結果表明風化砂經過水泥穩定之后強度增長明顯，且水穩定性及抗凍性均較好。

然而二灰穩定風化砂在不同比例、養護齡期作用下對其強度的影響研究較少。因此本文通過二灰穩定風化砂采取不同比例，在不同的養護齡期作用下對其進行無側限抗壓強度試驗，研究其強度演化規律，并分析作用機理，為以后在實際工程中應用提供可靠依據。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料

2.1.1風化砂

本文所用的風化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區某砂料場，大部分風化砂是由花崗巖風化而成，本身強度較低，較大的顆粒在外力作用下易破碎，呈棱角狀，風化砂顆粒內部分布著大量的細小裂縫及孔隙，且含有少量的細土粒。風化砂的基本性質如表1所示。

表1 風化砂基本物理性質

2.1.2石灰

本試驗所用石灰為宜昌地區生產的生石灰在高溫煅燒而成的，外面為白色粉末狀，其中有效CaO含量為82.4%>80%，MgO含量4.5%<5%，屬于Ⅱ級鈣質石灰。

2.1.3粉煤灰

本次試驗所用粉煤灰來自宜昌某燃煤電廠，顏色呈灰褐色，主要成分SiO2,Al2O3,Fe2O3占總含量的75.6%，燒矢量為7.2%，表面積為2 649 cm2/g，液限8.1%，塑限為41.2。

2.2 試驗方案

由JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術細則中的規定，基層或底基層采用石灰粉煤灰穩定材料時，石灰和粉煤灰的比例應為1∶2～1∶4。因此在二灰穩定風化砂力學試驗中，采用石灰摻量為4%,5%,6%,7%,8%，石灰粉煤灰比例為1∶2,1∶3,1∶4的二灰穩定風化砂分別在7 d,14 d,21 d,28 d養護齡期后的無側限抗壓強度，各摻量和比例的二灰穩定風化砂質量分數如表2所示。

表2 二灰穩定風化砂質量分數表

本文中無側限抗壓強度采用的試模尺寸為：直徑×高=φ100 mm×100 mm。試驗前將所需風化砂放入干燥烘箱中烘干24 h以去除水分，保證試樣混合料中含水率的準確性，若風化砂在常溫下的風干含水率小于1%，則可以直接用于試驗。試驗過程分別如圖1所示。

3 二灰穩定風化砂無側限抗壓強度特性影響研究及機理分析

石灰摻量為4%，5%，6%，7%，8%，石灰和粉煤灰比例為1∶2，1∶3，1∶4的二灰穩定風化砂分別在7 d，14 d，21 d，28 d養護齡期后(其中最后一天泡水)，按照規范JTG E51—2009公路工程無機結合料穩定材料試驗規程規定的試驗過程對試件進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如表3所示。

表3 二灰穩定風化砂無側限抗壓強度試驗結果

根據表1中的試驗結果，以石灰摻量為橫坐標，以二灰穩定風化砂無側限抗壓強度值為縱坐標，繪制出石灰與粉煤灰為1∶2，1∶3，1∶4的比例下二灰穩定風化砂無側限抗壓強度在經過7 d，14 d，21 d，28 d養護齡期后隨著石灰摻量由4%增加到8%而變化的關系曲線，如圖2所示。

由表3，圖2可知：在不同養護齡期下，當二灰比例為1∶2及1∶3時，二灰穩定風化砂無側限抗壓強度均隨著石灰摻量的增加而呈現增大的趨勢，強度增長速率較平緩；當二灰比例為1∶4時，二灰穩定風化砂無側限抗壓強度隨著石灰摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢，在石灰摻量達到7%時，無側限抗壓強度值開始低于二灰比例為1∶3的強度值。二灰比例為1∶2，石灰摻量由4%增加到8%時，養護齡期7 d～28 d對應的無側限抗壓強度分別增加了0.55 MPa，0.43 MPa，0.42 MPa，0.33 MPa；二灰比例為1∶3，石灰摻量由4%增加到8%時，養護齡期7 d～28 d對應的無側限抗壓強度分別增加了0.53 MPa，0.56 MPa，0.51 MPa，0.47 MPa；二灰比例為1∶4，石灰摻量由4%增加到8%時，養護齡期7 d～28 d對應的無側限抗壓強度分別增加了0.18 MPa,0.25 MPa,0.31 MPa,0.35 MPa。

產生該現象的原因是：二灰比例為1∶2及1∶3時，二灰穩定風化砂中的石灰和粉煤灰發生火山灰作用，生成活性硅酸鈣和活性鋁酸鈣等礦物，這些膠凝礦物具有很好的粘結能力，能夠把風化砂顆粒相互膠結在一起，因此提高了材料的強度和整體性。石灰摻量由4%增加到8%時，具有活性的膠凝礦物越多，二灰穩定風化砂顆粒與顆粒之間的粘結作用也越強，表現為材料整體強度的增大。在相同的石灰摻量下，當二灰比例由1∶2變化到1∶3時，二灰穩定風化砂中粉煤灰的量增多，石灰與粉煤灰經火山灰作用生成膠凝礦物的同時，多余的粉煤灰顆粒中具有活性的SiO2和Al2O3遇水后會發生水化反應，形成水化二氧化硅和水化三氧化二鋁，活性的水化物與風化砂持續發生反應，強度繼續增加。因此在相同石灰摻量下，二灰比例為1∶3的二灰穩定風化砂強度高于二灰比例為1∶2的強度。

當二灰比例為1∶4，石灰摻量由4%增加到6%時，二灰穩定風化砂混合料的結構仍能形成一個較完整的水化反應體系，導致二灰穩定風化砂強度值提高。但石灰摻量由6%增加到8%時，石灰及粉煤灰在風化砂混合料結構體系中占比量較大，而風化砂占總量比例減少，導致風化砂顆粒之間無法緊密接觸，使得風化砂顆粒之間的嵌擠作用形成的摩阻力降低，最終導致材料整體的骨架強度下降。

4 結語

本文對二灰穩定風化砂力學性能試驗展開研究，試驗得出結論如下所示:

1)當二灰比采取1∶2,1∶3時，二灰穩定風化砂無側限抗壓強度均隨著石灰摻量的增加而呈現增大的趨勢，且強度增長幅度較為平緩。

2)當二灰比采取1∶4時，石灰摻量增加到6%時，二灰穩定風化砂無側限抗壓強度仍然有所增強，在石灰摻量達到6%后其強度值有所降低，且低于二灰比1∶3時所對應的強度值。

3)當二灰比例分別為1∶2,1∶3,1∶4，石灰摻量從4%增加至8%時，所制備的二灰穩定風化砂7 d,14 d,21 d,28 d無側限抗壓強度均滿足作為一級公路底基層的強度指標要求。