基于振動法的砂巖質水泥穩定碎石力學性能研究*

馬慶偉 楊晨光 郭 平

(西安公路研究院 西安 710065)

0 引 言

高速公路(底)基層多選用收縮性低、抗沖刷能力佳的水泥穩定碎石，碎石一般采用石灰巖.近年來，陜北地區由于國家環保要求，區域內大部分料場關停，石灰巖石料嚴重匱乏，而采用外運集料經濟性不佳，考慮到本地區砂巖資源豐富，嘗試采用砂巖應用于水泥穩定碎石(底)基層.砂巖是巖石經風化剝蝕、解體而成的碎屑沉積而成，主要含有石英、粘土等，具有密度較低、孔隙率相對較高、單軸抗壓強度較小等特點，廣泛用于特殊地區的路堤建筑材料.研究人員曾將紅砂巖應用于國道323線、隨(州)岳(陽)高速公路的邊坡防護材料、將砂巖應用于達陜(萬源～達州)高速底基層，均取得了良好的工程效果[1-4].陳曉斌等[5]從微觀結構分析了砂巖作為路基填料時的剪切流變性；呂有盛等[6]結合湖南省紅砂巖特性，提出紅砂巖路基材料的施工要義；文素琴[7]結合衡棗高速公路，提出不同崩解等級下的砂巖路面施工要點.

傳統的成型試件方法與實際基層結構的差異較大，而采用振動法成型的試件與實際芯樣的力學相關性超過93%[8]，遠高于靜壓成型方法的36%[9]，具有較高的可靠性.且不同地區砂巖的礦質組成及力學性質差異較大，而砂巖作為陜西省高速公路路面基層材料的工程應用尚屬空白.鑒于此，本文采用垂直振動法成型試件，對陜北地區不同砂巖成型的水泥穩定碎石進行力學特性研究.

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1水泥

采用銅川市冀東水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，技術指標見表1.

表1 水泥技術指標

1.1.2集料

采用工程沿線分布的三處砂巖料場，選擇砂巖A、砂巖B、砂巖C及石灰巖D，水泥穩定碎石集料的技術指標見表2.

表2 集料技術指標

1.1.3級配

砂巖水泥穩定碎石采用的級配見表3.

表3 砂巖水泥穩定碎石配合比

1.2 振動試驗方法

1.2.1儀器及參數

采用振動試驗儀成型高15 cm、直徑15 cm的砂巖水泥穩定碎石試件.

振動試驗儀的參數設置為：30 Hz振動頻率，7.6 kN激振力，上車系統1.2 kN、下車系統1.8 kN.成型試件的壓實度為98%[10].振動試驗儀的結構見圖1.

圖1 振動試驗儀

1.2.2試驗方法

選用砂巖A、砂巖B、砂巖C三種砂巖以及3.5%，4.0%，4.5%三種水泥劑量，與水泥摻量為4.0%的石灰巖進行對比分析，分別成型水泥穩定碎石試件，其中，不同配合比的水泥穩定碎石試件需進行無側限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗及水穩定性試驗，應各成型3組平行試件，試件的養生齡期分別為7,28,60,90和180 d.

1) 無側限抗壓試驗 依據無側限抗壓強度試驗方法，依照1 mm/min的速率對試件進行逐漸加載，確定試件的破壞壓力P(kN)，通過破壞壓力與試件截面積之比，確定砂巖水泥穩定碎石無側限抗壓強度.水泥穩定碎石試件的無側限抗壓強度應取三次平行試驗的均值.

2) 劈裂抗拉試驗 將兩條劈裂條分別接觸試件的頂部及底部，保證劈裂條中線與試件中線一致，并在試件上方劈裂條上面放置球形支座.以1 mm/min的速率加載試件，確定試件的破壞拉力P(kN).水泥穩定碎石試件的劈裂抗拉強度應取三次平行試驗的均值，計算式為

(1)

式中：Ri為劈裂抗拉強度，MPa；d為直徑，mm；a為劈裂條寬度，mm；α為一半劈裂條的寬度對應的圓心角，(°).

3) 水穩定性試驗 劈裂抗拉強度的軟化系數通常用于表征路面材料的水穩定性，故需進行試件飽水前后劈裂抗拉強度測定.試驗養生齡期分別取7，28，60，90和180 d，飽水試件需浸水24 h，未飽水試件于自然環境下放置72 h，通過飽水與未飽水的劈裂抗拉強度之比確定飽水系數，研究水泥摻量、砂巖種類及齡期對混合料水穩定性影響.水泥穩定碎石試件的飽水系數應取三次平行試驗的均值.

2 試驗分析

2.1 抗壓強度

2.1.1試驗結果

通過變化砂巖水泥穩定碎石試件的養護齡期、水泥摻量及砂巖類型，分別進行7，28，60，90及180 d無側限抗壓強度試驗，試驗結果見表4.

表4 砂巖水泥穩定碎石抗壓強度結果

2.1.2砂巖產地對試件無側限抗壓強度的影響

砂巖集料巖性相同，但是由于產地、碎石加工工藝等不同而導致其物理力學特性略有不同，制備水泥穩定碎石試件力學強度也有所差異.不同砂巖產地的試件7 d無側限抗壓強度試驗結果見表5.

由表5可知：

表5 不同砂巖產地的試件無側限抗壓強度

1) 當礦料級配一定時，砂巖水泥穩定碎石7 d無側限抗壓強度與砂巖的含水率及飽水抗壓強度相關.砂巖的含水率越低，其飽水抗壓強度及抗壓強度越大.

2) 不同產地的砂巖無側限抗壓強度均有差異，三種產地砂巖的含水率普遍高于石灰巖，飽水抗壓強度顯著低于石灰巖碎石，砂巖水泥穩定碎石7 d無側限抗壓強度明顯小于石灰巖.這是由于產地不同導致的巖石礦質組成各異，微觀礦質組成及含量的差異導致了對應的砂巖水泥穩定碎石強度不同，而石灰巖的主要礦物組成為方解石，與硅酸鹽水泥成分相近，較砂巖更易與水泥漿形成牢固的化學過渡膠結層[11].

3) 水泥摻量取4.5%時，三種砂巖的最佳無側限抗壓強度均達到最大值.與采用砂巖A、砂巖B的砂巖水泥穩定碎石相比，采用砂巖C及4.5%的水泥成型的砂巖水泥穩定碎石具有最佳無側限抗壓強度.

2.1.3水泥摻量與無側限抗壓強度的關系

根據表4中試驗結果，以砂巖A為例，繪制砂巖水泥穩定碎石無側限抗壓強度與水泥摻量的關系曲線，分析不同齡期及水泥摻量下的水泥增強因子，與石灰巖D的抗壓強度進行分析對比，結果見下圖2～3和表6.

圖2 不同水泥摻量下砂巖A的無側限抗壓強度

圖3 砂巖A、石灰石D的無側限抗壓強度

表6 砂巖A的水泥穩定碎石抗壓強度水泥增強因子

由圖2～3和表6可知：

1) 養護齡期一定時，水泥摻量與試件無側限抗壓強度呈現正相關.齡期一定時，無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線走勢基本一致.

2) 對于水泥增強因子而言，當齡期一定時，隨著水泥摻量的增長，水泥增長因子呈增大趨勢.4.0%～4.5%水泥摻量下的水泥增長因子為3.5%-4.0%水泥摻量的6.6倍.當水泥摻量取4.0%-4.5%時，水泥增強因子為0.1～6.7%，平均增強因子為3.0%；當水泥摻量取4.0%-4.5%時，水泥增強因子為15.2～22.1%，平均增強因子為19.9%.

3) 相同水泥摻量條件下，砂巖試件的無側限抗壓強度低于石灰巖試件，石灰巖試件的抗壓強度約為砂巖試件的1.7倍.

2.1.4養護齡期對砂巖水泥穩定碎石無側限抗壓強度的影響

選擇砂巖A分別成型水泥劑量3.0%，3.5%，4.0%及4.5%的砂巖水泥穩定碎石試件，齡期取7，28，60，90和180 d.不同養護齡期下砂巖水泥穩定碎石的無側限抗壓強度見圖4，強度隨齡期的增長率見表7.

圖4 砂巖A與石灰巖D的水泥穩定碎石無側限抗壓強度

表7 試件的無側限抗壓強度隨齡期變化的增長率

由圖4和表7可知：

1) 不同砂巖水泥穩定碎石的無側限抗壓強度均隨養護齡期的增加而增長.

2) 28 d齡期時，砂巖A與石灰巖D的無側限抗壓強度增長率均為最大.28 d后試件無側限抗壓強度增長趨于穩定.

3) 水泥摻量為3.5%和4.0%的曲線幾乎重合，該摻量范圍內砂巖水泥穩定碎石無側抗壓強度增長速率緩慢，水泥摻量超過4.0%時，無側限抗壓強度快速增長.

2.2 劈裂強度

2.2.1試驗結果

不同養護齡期、水泥摻量及砂巖類型下的飽水與非飽水砂巖水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度試驗結果見表8～9.

表8 飽水試件劈裂抗拉強度

表9 未飽水試件劈裂抗拉強度

2.2.2砂巖產地對砂巖水泥穩定碎石劈裂抗拉強度的影響

不同集料巖性下水泥穩定碎石劈裂抗拉強度見表10.

表10 集料類型對水泥穩定碎石7 d劈裂抗拉強度影響

由表10可知，在礦料級配一定時，水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度與集料的飽水抗壓強度成正比例關系，飽水抗壓強度高的砂巖具有較大的劈裂抗拉強度.此外，砂巖水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度明顯低于石灰巖水泥穩定碎石.這是由于不同產地的砂巖礦質組成不同物理及化學性質各異，導致對應的砂巖水泥穩定碎石劈裂抗拉強度各不相同[12-13].

2.2.3水泥摻量對砂巖水泥穩定碎石劈裂抗拉強度的影響

根據表8～10可知，選取砂巖A為代表，繪制水泥穩定碎石無側限抗壓強度與水泥摻量的關系曲線，見圖5.不同水泥摻量下，砂巖試塊與石灰石試塊劈裂抗拉強度對比關系見圖6.

圖5 砂巖A水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度-水泥劑量

圖6 砂巖A、石灰巖D水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度

由圖5～6可知：

1) 同一齡期各混合料隨著水泥劑量的增加劈裂強度呈現不同程度的增長趨勢.

2) 對于相同水泥摻量的砂巖和石灰巖的混合料，在各個齡期石灰巖的劈裂強度均遠大于砂巖的劈裂強度，這是由于砂巖的粘土含量遠高于石灰巖，粘土裹覆在砂巖與水泥顆粒表面，降低水泥水化反應速度，阻礙巖石和水泥間黏結力的而形成，導致砂巖水泥穩定碎石強度低于石灰巖.

3) 飽水后砂巖和石灰巖試件的劈裂強度均呈現不同程度的下降，砂巖試件飽水后劈裂強度下降更顯著，這是由于陜北地區沿線的砂巖的沉積和成巖時間較短，孔隙率和吸水率遠高于石灰巖，導致本地區砂巖水泥穩定碎石的飽水抗壓強度不佳.

2.2.4齡期對砂巖水泥穩定碎石的劈裂抗拉強度影響

水泥穩定碎石劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線見圖7.

由圖7可知，隨著養護齡期的增加，不同水泥摻量下的水泥穩定碎石劈裂抗拉強度均逐漸增加，且28 d后強度增長趨勢逐漸變緩.

圖7 水泥穩定碎石劈裂抗拉強度-養生齡期關系

2.3 水穩性能

變化養護齡期、水泥摻量及砂巖類型，在劈裂抗拉強度測定的基礎上，進行砂巖水泥穩定碎石的軟化系數測定，結果見表11.

表11 劈裂抗拉強度軟化系數

由表11可知：

1) 砂巖水泥穩定碎石的軟化系數隨齡期而變化，并存在極大值對應的養生齡期，該齡期下試件的飽水劈裂抗拉強度接近飽和.不同水泥劑量的軟化系數極大值對應的齡期不同.

2) 砂巖試件在同一齡期同一水泥劑量下的軟化系數與石灰巖試件有相同的變化趨勢.

3) 對砂巖而言，吸水率和孔隙率對砂巖影響較大，對其混合料影響也很大，必須對砂巖的吸水率和孔隙率加以限制.

3 結 論

1) 相同的養生齡期下，石灰巖的抗壓和劈裂強度均大于砂巖的強度，但砂巖水泥穩定碎石的力學性能符合規范中基層要求，可用于水泥穩定碎石基層的設計與施工.

2) 飽水過后的砂巖和石灰巖混合料的抗壓和劈裂強度均呈現不同程度的下降，砂巖飽水后強度下降程度更顯著.4.0%的水泥摻量是無側限抗壓強度隨齡期變化的重要節點，水泥摻量低于4.0%的試件強度增長速度平緩，建議砂巖水泥穩定碎石的水泥摻量高于4.0%.

3) 隨著養護齡期的增加，不同水泥摻量下的砂巖水泥穩定碎石劈裂抗拉強度均逐漸增加，且28 d后強度增長趨勢逐漸變緩.

4) 砂巖水泥穩定碎石的軟化系數隨齡期而變化，并存在極大值對應的養生齡期，該齡期下試件的飽水劈裂抗拉強度接近飽和.不同水泥劑量的軟化系數極大值對應的齡期不同.