風(fēng)積沙摻量對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石力學(xué)性能與耐久性的影響

宋良瑞，李百毅

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，德陽 618000；2.西南交通大學(xué)，成都 610000)

0 引 言

我國沙漠面積約34萬km2，隔壁沙漠面積約116 萬km2，沙漠戈壁接近占國土面積的16%，戈壁沙漠廣泛分布在我國新疆、內(nèi)蒙、甘肅等西部省區(qū)。近年來，在“一帶一路”倡議和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)下，我國西部地區(qū)快速崛起，根據(jù)我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略和內(nèi)蒙、新疆、甘肅各省(自治區(qū))沙漠地區(qū)公路遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃，在“十三五”末期，我國高等級(jí)公路建設(shè)繼續(xù)向沙漠、戈壁等區(qū)域推進(jìn)，屆時(shí)我國將修筑相當(dāng)數(shù)量的沙漠公路。在沙漠地區(qū)修筑公路，優(yōu)質(zhì)填料極其匱乏，加之人煙稀少，后勤補(bǔ)給困難，遠(yuǎn)運(yùn)筑路材料十分艱難，大大增加了工程造價(jià)[1-3]。風(fēng)積沙作為一種特殊的筑路材料在沙漠區(qū)儲(chǔ)量相當(dāng)豐富，是沙漠地區(qū)修筑公路最重要的基礎(chǔ)材料，也是修筑公路的最佳選擇，將風(fēng)積沙應(yīng)用于沙漠地區(qū)公路建設(shè)具有低消耗、低排放、低污染、高效能、高效率、高效益等優(yōu)勢[4]。目前已有學(xué)者開展了大量有關(guān)風(fēng)積沙填筑路基的試驗(yàn)研究，風(fēng)積沙填筑路基的成套技術(shù)已經(jīng)成熟。也有學(xué)者嘗試將風(fēng)積沙替代機(jī)制砂(河砂)應(yīng)用于沙漠地區(qū)公路橋涵工程、路基路面和防護(hù)排水工程建設(shè)。董偉等[5]研究了0%～40%風(fēng)積沙替代同質(zhì)量河砂后水泥砂漿流動(dòng)度和強(qiáng)度特性。董瑞鑫等[6]研究了風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土孔隙特征和抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)理。李根峰等[7]研究了摻加風(fēng)積沙對(duì)混凝土收縮變形性能的影響，結(jié)果表明，增大風(fēng)積沙摻量導(dǎo)致混凝土收縮變形量逐漸增大。郭根勝等[8]研究了水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙基層的抗剪切強(qiáng)度。總體而言，目前對(duì)摻風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料基層的研究尚處于起步階段，有關(guān)摻風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料強(qiáng)度特性、力學(xué)性能、路用性能等研究較少，還沒有形成技術(shù)指導(dǎo)規(guī)范，導(dǎo)致實(shí)體工程對(duì)風(fēng)積沙替代填料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料是否可行，以及用于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的上限風(fēng)積沙摻量等問題仍有待解決。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)體工程驗(yàn)證，探討了不同風(fēng)積沙摻量對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料強(qiáng)度特性和耐久性能方面的影響，結(jié)合內(nèi)蒙古錫林浩特盟某高速公路改建工程試驗(yàn)段跟蹤檢測，對(duì)修筑風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層有一定參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：選用四川成都周邊生產(chǎn)的42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測水泥的初凝時(shí)間210 min，終凝時(shí)間395 min，28 d抗壓強(qiáng)度47.8 MPa，燒失量1.21%，其余各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)范要求。

(2)風(fēng)積沙：來自中國四大沙漠之一的巴丹吉林沙漠，風(fēng)積沙外觀為淡黃色，呈松散狀，堆積密度1.35 g/cm3，空隙率47%，含水率0.2%，細(xì)度模數(shù)0.64，含泥量1.9%，風(fēng)積沙主要化學(xué)成分見表1，風(fēng)積沙的最大粒徑0.493 mm，篩分級(jí)配見表2。

表1 風(fēng)積沙主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical components of aeolian sand

表2 風(fēng)積沙粒徑級(jí)配Table 2 Particle size gradation of aeolian sand

(3)4.75～9.5 mm、9.5～20 mm兩檔粗集料為花崗巖破碎礫石，0～2.36 mm、2.36～4.75 mm兩檔細(xì)集料為機(jī)制砂，粗集料壓碎值18.9%，針片狀含量7.9%，0.075 mm以下粉塵含量小于1%，軟石含量小于1%，細(xì)集料塑性指數(shù)12%，硫酸鹽含量小于0.1%，有機(jī)質(zhì)含量小于1%，顆粒篩分滿足JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(下文簡稱《細(xì)則》)要求。試驗(yàn)研究采用《細(xì)則》推薦的C-B-3骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石礦料級(jí)配(見表3)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用相同礦料級(jí)配，將集料、風(fēng)積沙逐檔篩分后按照表3礦料級(jí)配要求，反算各篩孔的篩余量。風(fēng)積沙以內(nèi)摻形式參與合成級(jí)配，調(diào)整風(fēng)積沙的摻配比例為0%、3%、6%、9%、12%(等質(zhì)量替換0～3 mm細(xì)集料)，基于7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定不同風(fēng)積沙摻量下水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的最佳水泥摻量，基于彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)、單軸壓縮模量試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)、溫縮試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、抗沖刷試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)風(fēng)積沙摻量對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料力學(xué)性能和耐久性的影響規(guī)律，為沙漠公路用于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的最大風(fēng)積沙摻量提供依據(jù)[9-12]。

表3 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石礦料級(jí)配Table 3 Mineral gradation of cement stabilized graded macadam

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)所有試件均在(20±2) ℃，相對(duì)濕度≥95%標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生至JTG E51—2009規(guī)定齡期。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用φ150 mm×150 mm圓柱體試件，試驗(yàn)方法參照T0805—1994進(jìn)行。彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用550 mm×150 mm×150 mm大梁試件，試驗(yàn)方法按照T08051—1994進(jìn)行。單軸壓縮模量試驗(yàn)采用φ150 mm×150 mm圓柱體試件，試驗(yàn)按照J(rèn)TG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E進(jìn)行。干縮試驗(yàn)環(huán)境箱溫度20 ℃，相對(duì)濕度為60%，試件尺寸采用550 mm×150 mm×150 mm大梁試件，試驗(yàn)方法按照T0854—2009進(jìn)行。溫縮試驗(yàn)溫度區(qū)間為60～-25 ℃，試件尺寸采用550 mm×150 mm×150 mm大梁試件，試驗(yàn)方法按照T0855—2009進(jìn)行。疲勞試驗(yàn)采用0.5、0.6、0.7、0.8四個(gè)應(yīng)力強(qiáng)度比，施加頻率為10 Hz的連續(xù)Havesine波，試驗(yàn)方法按照T0856—2009進(jìn)行。沖刷試驗(yàn)采用φ150 mm×20 mm圓柱體試件，動(dòng)水沖刷峰值力為0.5 MPa，沖刷頻率為10 Hz，沖刷時(shí)間30 min，試驗(yàn)方法參照T0860—2009。

2 力學(xué)性能

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料在不同水泥摻量下的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同風(fēng)積沙和水泥摻量下水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.1 7 d unconfined compressive strength of cement stabilized graded macadam mixture under different aeolian sand and cement content

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可知，(1)相同風(fēng)積沙摻量下，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量增大而線性增大，在相同水泥摻量條件下，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量增大呈兩階段下降趨勢，即0%～6%風(fēng)積沙摻量范圍內(nèi)增大風(fēng)積沙摻量，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈緩慢減小趨勢，超過6%風(fēng)積沙摻量后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值隨風(fēng)積沙摻量增大而快速減小，水泥摻加3%、4%、5%、6%、7%條件下，風(fēng)積沙摻量由0%增大至12%，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值降低了55.3%、57.1%、48.6%、51.1%、55.3%，可見增大風(fēng)積沙摻量會(huì)對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有顯著的負(fù)面影響。(2)按照《細(xì)則》中高速公路路面基層水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于4～6 MPa要求，對(duì)于摻加0%～6%風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料，水泥摻量達(dá)到4%時(shí)即可滿足，而摻加9%、12%風(fēng)積沙后，要達(dá)到《細(xì)則》最小設(shè)計(jì)強(qiáng)度4.0 MPa，水泥摻量應(yīng)不小于5%和6%，為了方便對(duì)比研究，下文中不同風(fēng)積沙摻量下的水泥摻量均取6%。

2.2 彎拉強(qiáng)度

彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。圖2表明，隨著風(fēng)積沙摻量增大，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的彎拉強(qiáng)度呈二次函數(shù)關(guān)系遞減，擬合優(yōu)化度R2大于0.95。風(fēng)積沙摻量由0%增大至12%，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料彎拉強(qiáng)度由2.34 MPa降低至1.42 MPa，降低幅度達(dá)39.3%。在0%～9%風(fēng)積沙摻量下，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的彎拉強(qiáng)度滿足JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》水泥穩(wěn)定粒料類彎拉強(qiáng)度1.5～2.0 MPa設(shè)計(jì)推薦值，而風(fēng)積沙摻量達(dá)到12%后水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的彎拉強(qiáng)度小于1.5 MPa，可見過多的風(fēng)積沙摻量將嚴(yán)重劣化水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的彎拉強(qiáng)度，即使在水泥摻量為6%條件下，以JTG D50—2017規(guī)范最小彎拉強(qiáng)度1.5 MPa為約束條件，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的最大風(fēng)積沙摻量不超過9%。

圖2 不同風(fēng)積沙摻量下水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料7 d彎拉強(qiáng)度Fig.2 7 d bending strength of cement stabilized graded macadam mixture under different aeolian sand content

圖3 不同風(fēng)積沙摻量下水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料單軸壓縮模量Fig.3 Uniaxial compression modulus of cement stabilized graded macadam mixture under different aeolian sand content

2.3 單軸壓縮模量

圖4 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of splitting strength of cement stabilized graded macadam

單軸壓縮模量試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著風(fēng)積沙摻量增大，摻風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料單軸壓縮模量呈三次函數(shù)關(guān)系降低，擬合優(yōu)化度R2達(dá)到了0.99，風(fēng)積沙等質(zhì)量替代細(xì)集料摻量由0%增大至12%，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料單軸壓縮模量由26 000 MPa降低至16 700 MPa，降低幅度達(dá)35.8%。在0%～6%風(fēng)積沙摻量下，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的單軸壓縮模量滿足JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》水泥穩(wěn)定粒料類彈性模量18 000～28 000 MPa設(shè)計(jì)推薦值，而風(fēng)積沙摻量達(dá)到9%、12%后水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的彈性模量小于18 000 MPa，可見過多的風(fēng)積沙摻量將嚴(yán)重劣化水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的彈性模量，以JTG D50—2017規(guī)范最小彈性模量18 000 MPa為約束條件，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的最大風(fēng)積沙摻量不超過6%。

2.4 劈裂強(qiáng)度

對(duì)不同風(fēng)積沙摻量的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。圖4表明，隨著風(fēng)積沙摻量增大，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料劈裂強(qiáng)度呈線性關(guān)系減小，風(fēng)積沙摻量由0%增大至12%，劈裂強(qiáng)度由0.69 MPa減小至0.23 MPa，降低幅度達(dá)66.7%，由此可見，摻加風(fēng)積沙顯著降低了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的劈裂強(qiáng)度，以劈裂強(qiáng)度不小于0.5 MPa為設(shè)計(jì)劈裂強(qiáng)度下限要求，應(yīng)控制最大風(fēng)積沙摻量為6%為宜。分析以為，風(fēng)積沙級(jí)配不良，棱角性差，并且與水泥水化產(chǎn)物的黏結(jié)、裹附效果差，風(fēng)積沙的摻量和均勻性均影響混合料的黏聚力，因分散不均勻的風(fēng)積沙聚集對(duì)粗集料的骨架效應(yīng)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角和粘聚力降低。

3 不同風(fēng)積沙摻量水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料變形特性

溫度收縮和干燥失水收縮是水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的固有屬性，因水泥凝結(jié)硬化過程中失水收縮和服役期間溫度、濕度變化導(dǎo)致水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石膨脹、收縮引起的反射裂縫是我國半剛性基層瀝青路面早發(fā)性橫向開裂的主要病因。抗變形特性是水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料在溫度、濕度變化下抵抗溫縮變形、干縮變形的能力表征，目前國內(nèi)外普遍以溫縮試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的變形特性。

3.1 溫縮性能

溫縮試驗(yàn)結(jié)果見表4，由試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的溫縮系數(shù)與試驗(yàn)溫度區(qū)間和風(fēng)積沙摻量有關(guān)，30～40 ℃、高溫40～60 ℃和低溫-25～-10 ℃區(qū)間內(nèi)的溫縮系數(shù)相對(duì)較大，中溫10～20 ℃、20～30 ℃區(qū)間內(nèi)溫縮系數(shù)次之，在-10～0 ℃、0～10 ℃區(qū)間內(nèi)的溫縮系數(shù)相對(duì)較小，極端高溫和極端低溫均對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料抗裂性能影響最明顯，在0 ℃附近水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的溫縮變形最小。(2)相同溫度區(qū)間內(nèi)，隨著風(fēng)積沙摻量增大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料溫縮系數(shù)不斷增大，-25～-10 ℃、-10～0 ℃、0～10 ℃、10～20 ℃、20～30 ℃、30～40 ℃、40～60 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，風(fēng)積沙由0%增大至12%，溫縮系數(shù)分別增大了76.7%、84.7%、89%、72.9%、79.6%、76.4%、57.4%，可見摻加風(fēng)積沙對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料溫縮性能不利，風(fēng)積沙摻量越大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料抵抗溫度梯度變化產(chǎn)生溫縮開裂的性能越差。摻加0%、3%、6%、9%、12%風(fēng)積沙后水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石在-25～60 ℃的平均溫縮系數(shù)分別為5.2 με/℃、5.9 με/℃、6.8 με/℃、7.9 με/℃、9.1 με/℃，風(fēng)積沙摻量由0%增大至6%，平均溫縮系數(shù)由5.2 με/℃增大至6.8 με/℃，增大了30.8%，風(fēng)積沙摻量由6%增大至12%，平均溫縮系數(shù)由6.8 με/℃增大至9.1 με/℃，增大了33.8%，在0%～6%風(fēng)積沙摻量范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的平均溫縮系數(shù)滿足《細(xì)則》溫縮系數(shù)不大于7.5 με/℃的技術(shù)要求。風(fēng)積沙摻量超過6%后平均溫縮系數(shù)7.9～9.1 με/℃，不滿足《細(xì)則》溫縮系數(shù)不大于7.5 με/℃限值要求，因此從溫縮性能考慮，最大的風(fēng)積沙摻量為6%。

表4 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料溫縮試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Temperature shrinkage test results of cement stabilized graded macadam mixture

3.2 干縮性能

干縮性能試驗(yàn)結(jié)果見表5和圖5。

表5 風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料干縮試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Dry shrinkage test results of aeolian sand cement stabilized graded gravel mixture

續(xù)表5

圖5 不同風(fēng)積沙摻量下水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的干縮系數(shù)Fig.5 Drying shrinkage coefficient of cement stabilized graded macadam under different aeolian sand content

干縮試驗(yàn)結(jié)果表明，(1)隨著養(yǎng)生齡期延長，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的干縮系數(shù)先顯著增大，后趨于平緩，養(yǎng)生8 d后干縮系數(shù)基本穩(wěn)定，這是養(yǎng)生早期水泥水化膠凝材料的強(qiáng)度未完全形成，并且早期養(yǎng)生過程中水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料失水率大所致，由此可見，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的干縮變形主要發(fā)生在養(yǎng)生早期，在工程實(shí)踐中，及時(shí)加強(qiáng)早期的保水養(yǎng)生可以有效減少水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層干燥收縮開裂。(2)相同養(yǎng)生齡期，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的干縮系數(shù)隨風(fēng)積沙摻量增大而增大，這在一定程度上表明，風(fēng)積沙摻量越大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石干縮系數(shù)對(duì)含水量變化越敏感。尤其是在風(fēng)積沙摻量大于6%后，增大風(fēng)積沙摻量導(dǎo)致干縮應(yīng)變出現(xiàn)突變，說明在6%～12%風(fēng)積沙摻量范圍內(nèi)，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料干縮性能對(duì)風(fēng)積沙摻量變化更敏感。(3)養(yǎng)生7 d后，摻加3%、6%、9%、12%風(fēng)積沙后，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料干縮系數(shù)分別增大至85.92 με、92.33 με、98.65 με、102.34 με，相比不摻加風(fēng)積沙的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料(干縮系數(shù)78.97 με)分別增大了8.8%、16.9%、24.9%、29.6%，可見風(fēng)積沙摻量越大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的抗干縮性能越差。(4)在風(fēng)積沙摻量為0%～6%條件下，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的干縮系數(shù)滿足《細(xì)則》7 d干縮系數(shù)不大于100 με的技術(shù)要求。而風(fēng)積沙摻量超過6%后干縮系數(shù)達(dá)到了102.34～118.94 με，不滿足《細(xì)則》溫縮系數(shù)小于100 με限值要求，因此從干縮性能考慮，最大的風(fēng)積沙摻量為6%。

4 耐久性能

4.1 抗沖刷性能

不同沖刷時(shí)間的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石沖刷質(zhì)量損失結(jié)果見圖6。

由圖6可知，(1)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的沖刷損失質(zhì)量隨沖刷時(shí)間延長而增大，相同風(fēng)積沙摻量下，沖刷損失質(zhì)量與沖刷時(shí)間之間有良好的線性關(guān)系，由此可見，動(dòng)水沖刷時(shí)間越長，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料越容易出現(xiàn)松散破壞現(xiàn)象。對(duì)比沖刷損失質(zhì)量與沖刷時(shí)間線性擬合方程的斜率和截距可以發(fā)現(xiàn)，斜率和截距均隨風(fēng)積沙摻量增大而增大，表明風(fēng)積沙摻量越大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料在動(dòng)水沖刷作用后的質(zhì)量損失越大，同時(shí)風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料沖刷損失質(zhì)量對(duì)沖刷時(shí)間越敏感，可見摻加風(fēng)積沙對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的水穩(wěn)定性有劣化影響，風(fēng)積沙摻量越大，劣化影響程度越嚴(yán)重。(2)動(dòng)水沖刷30 min后，3%、6%、9%、12%風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的沖刷質(zhì)量損失分別為34.6 g、37.3 g、43.2 g、49.3 g，相比未摻加風(fēng)積沙的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料(沖刷損失質(zhì)量26.4 g)分別增大了30.8%、42.3%、65.4%、88.5%。(3)在風(fēng)積沙摻量為0%～6%條件下，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的沖刷損失質(zhì)量滿足《細(xì)則》30 min動(dòng)水沖刷損失質(zhì)量不大于42 g的技術(shù)要求。而風(fēng)積沙摻量超過6%后沖刷損失質(zhì)量達(dá)到了43.2～49.3 g，不滿足《細(xì)則》沖刷損失質(zhì)量小于42 g限值要求，因此從半剛性基層水穩(wěn)定性考慮，最大的風(fēng)積沙摻量為6%。

圖6 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石沖刷試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Scouring test results of cement stabilized grade macadam

圖7 疲勞壽命對(duì)數(shù)(lg(Nf))與應(yīng)力強(qiáng)度比(R/S)擬合方程Fig.7 Fatigue life logarithm (lg(Nf)) and stress intensity ratio (R/S) fitting equation

4.2 疲勞性能

疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表6，疲勞壽命對(duì)數(shù)(lg(Nf))與應(yīng)力強(qiáng)度比(R/S)擬合方程見圖7。

表6 風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Fatigue test results of aeolian sand cement stabilized graded macadam mixture

疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同應(yīng)力強(qiáng)度比(R/S)條件下，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的疲勞壽命隨風(fēng)積沙摻量增大而顯著減小。在0.5應(yīng)力強(qiáng)度比條件下，風(fēng)積沙摻量由0%增大至12%，疲勞壽命由507 199次衰減至123 653次，疲勞壽命降低幅度達(dá)80%；在0.8應(yīng)力強(qiáng)度比條件下，風(fēng)積沙摻量由0%增大至12%，疲勞壽命由48 885次衰減至3 872次，疲勞壽命降低幅度達(dá)92%，摻加風(fēng)積沙對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料疲勞性能有不利影響。分析其原因，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的疲勞壽命受細(xì)集料含量和填料與粗集料的裹附狀況有關(guān)，風(fēng)積沙替代細(xì)集料后，由于風(fēng)積沙與水泥水化產(chǎn)物的黏附性、裹附效果較差，不能形成有效的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而削弱了水泥砂漿的結(jié)構(gòu)膜厚度。從SEM照片(圖8(a)、(b))可以看出，摻加12%風(fēng)積沙后，由于風(fēng)積沙分布不均勻結(jié)團(tuán)而導(dǎo)致水泥砂漿過渡相結(jié)構(gòu)松散，內(nèi)部有空隙；風(fēng)積沙與水泥水化產(chǎn)物黏結(jié)性差，導(dǎo)致粗集料表面水泥砂漿膜厚分布不均勻，風(fēng)積沙水泥砂漿內(nèi)部有空隙，結(jié)構(gòu)松散；水泥砂漿膜厚分布不均勻，導(dǎo)致其受荷時(shí)易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，破壞裂紋沿風(fēng)積沙聚集處貫穿，影響疲勞壽命。未摻加風(fēng)積沙的水泥砂漿中(圖8(c)、(d))集料與水泥砂漿渾然一體，粗細(xì)集料嵌固于水泥水化產(chǎn)物中，結(jié)構(gòu)致密均勻，水泥水化產(chǎn)物富集于集料表面，形成均勻的掛漿狀態(tài)，粗集料表面水泥水化反應(yīng)更充分，水泥砂漿結(jié)構(gòu)更加均勻、致密[13-15]。隨著風(fēng)積沙摻量增大，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料疲勞擬合方程的截距減小，同時(shí)擬合方程斜率的絕對(duì)值增大，表明摻加風(fēng)積沙不僅降低了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的疲勞壽命，也增強(qiáng)了疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度。

圖8 摻加風(fēng)積沙前后水泥砂漿微觀形態(tài)Fig.8 Microscopic morphology of cement mortar before and after adding aeolian sand

5 實(shí)體工程應(yīng)用

基于室內(nèi)研究成果，在2016年將摻加6%風(fēng)積沙的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石應(yīng)用于內(nèi)蒙古錫林浩特盟某高速公路改建工程，試驗(yàn)段長度500 m，路基寬26.5 m，鋪筑層位為高速公路路面基層，鋪筑面積15 500 m2。室內(nèi)采用振動(dòng)成型確定最佳含水量為6.7%，最大干密度為2.265 g/cm3，水泥劑量為5%，配合比設(shè)計(jì)7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度6.6 MPa，滿足設(shè)計(jì)5.5 MPa要求。現(xiàn)場施工攤鋪、碾壓工藝與相鄰段未摻加風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層無異。鋪筑完成后實(shí)測基層壓實(shí)度大于98%，平整度滿足《細(xì)則》要求，濕潤養(yǎng)生7 d后鉆芯測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為7.2 MPa，養(yǎng)生10 d后鋪筑上層瀝青混凝土(18 cm厚瀝青層)。試驗(yàn)段于2016年10月1日通車，目前已經(jīng)服役近3年，近2年經(jīng)歷了極端最低氣溫-35 ℃，極端高溫36 ℃，目前試驗(yàn)段僅有橫向開裂病害。2019年7月份實(shí)測風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層瀝青路面反射裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)，風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石左右幅1 000 m范圍內(nèi)貫通裂縫11條，非貫通裂縫5條，橫向裂縫間距71.4 m，裂縫總長度269 m，相比普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層試驗(yàn)段前后1 000 m范圍內(nèi)橫向貫通縫裂縫10條，非貫通裂縫6條，裂縫總長度257 m。可見6%風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層的反射裂縫病害長度與臨近路段普通水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石差別不大，試驗(yàn)段取得了滿意效果，達(dá)到了研究應(yīng)用目的。因此將6%風(fēng)積沙等質(zhì)量替代細(xì)集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層是可行的。

6 結(jié) 論

(1)摻加風(fēng)積沙對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料力學(xué)性能(無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、單軸壓縮模量)有顯著劣化影響。風(fēng)積沙摻量由0%增大至12%，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度降低幅度達(dá)66.7%，單軸壓縮模量降低幅度達(dá)35.8%，彎拉強(qiáng)度降低幅度達(dá)39.3%。

(2)風(fēng)積沙摻量越大，水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的抗干縮性能、溫縮性能和水穩(wěn)定性越差。從干縮性能考慮，適宜的風(fēng)積沙摻量為6%～9%，從溫縮性能和半剛性基層水穩(wěn)定性考慮，最大的風(fēng)積沙摻量為6%。

(3)摻加風(fēng)積沙對(duì)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料疲勞性能有劣化影響，摻加風(fēng)積沙不僅降低了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的疲勞壽命，也增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度。

(4)工程實(shí)踐表明，將6%風(fēng)積沙等質(zhì)量替代細(xì)集料應(yīng)用于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層是可行的，研究成果為沙漠公路用于水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石混合料的最大風(fēng)積沙摻量提供依據(jù)。