洞渣硬質砂巖水泥穩定碎石力學性能研究

楊虎陳 晏 永

（1.云南云路工程檢測有限公司，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 653100）

1 引言

我國高速公路的設計和施工采用了“強基薄面”的思路，水泥穩定碎石因其成本低、收縮性低、抗沖刷能力好等特點而被選作高等級公路基層，其所用碎石往往采用性能良好的石灰巖。近年來，云南省高速公路逐步往金沙江流域及各類自然保護區建設，由于建設區域內國家環保要求嚴格、區域礦料資源分布不均等情況，項目建設常常出現石灰巖石料嚴重短缺的情況。考慮到金沙江流域高速公路隧道比例大，隧道洞渣多為硬質砂巖，本文嘗試在水泥穩定碎石中應用洞渣硬質砂巖進行研究，以解決施工過程中遇到的風險和困難。

砂巖是由各種砂粒膠結而成的沉積巖，主要是因其含有硅、鈣、黏土和氧化鐵。絕大部分砂巖由石英或長石組成，具有密度低、孔隙率相對較高、單軸抗壓強度小等特點，廣泛應用于特殊地區的路堤建筑材料。王孟華等曾將紅砂巖應用于323國道線、隨（州）岳（陽）高速公路的邊坡防護材料，取得了良好的工程效果。呂有盛等結合湖南省紅砂巖特性提出了紅砂巖路基材料的施工要點。文素琴結合衡棗高速公路提出了不同崩解等級下的砂巖路面施工要點。陳曉斌等從微觀結構分析了砂巖作為路基填料時的剪切流變性。叢卓紅等采用Pearson簡單相關系數分析了水泥穩定碎石路用性能指標與原材料技術指標的相關系數，提出了硬質砂巖在水泥穩定碎石中應用的關鍵性指標。

鑒于此，本文采用垂直振動法成型試件，對云南金沙江流域地區不同隧道產洞渣砂巖成型的水泥穩定碎石進行力學特性研究，以期對工程應用提供指導和依據。

2 試驗方案

2.1 原材料

（1）水泥。《公路路面基層施工技術細則》（JTG/T F20-2015）中規定水泥穩定碎石宜使用C32.5、C42.5兩個強度等級的水泥，其中初凝時間宜大于3h，終凝時間6～10h。本文所用水泥為云南某水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5），技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

（2）集料。采用高速公路沿線的3個隧道洞渣破碎場，選擇隧道A、隧道B、隧道C及路面標自購石灰巖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

（3）級配。水泥穩定碎石采用C-B-3型配合比，各砂巖水泥穩定碎石級配見表3。

表3 水泥穩定碎石配合比

2.2 振動試驗方法

（1）成型方式的選取。周勇研究了成型方式對混合料的性能影響，振動成型能夠得到強度更高的水泥穩定砂巖碎石混合料，振動成型的試件與實際工程中的水泥穩定碎石密度及排列方式更加接近。因此，本研究對水泥穩定砂巖碎石混合料力學性能的研究采用振動成型方式。

（2）儀器及參數。所用設備為ZY-4液壓振動壓實成型機，水泥穩定碎石試件尺寸高150mm、直徑150mm。振動試驗儀的參數設置為：振動頻率30Hz、激振力7.6kN、上車系統1.2kN、下車系統1.8kN。成型試件的壓實度為98%。

（3）試驗方法。選用A、B、C、D四種礦料，按合成級配以及3.0%、4.0%、5.0%三種水泥計量進行水泥穩定碎石拌制，并利用振動壓實儀將其壓成標準試件后置于養護室中養護，測試前飽水浸泡1d，試件的養生齡期為7d、28d、60d、180d。

3 試驗分析

3.1 無側限抗壓強度

無側限抗壓強度是水泥穩定碎石的控制性指標，它代表了水泥穩定碎石的承載能力。本節對不同隧道出產洞渣砂巖（A、B、C、D）、不同水泥劑量（3%、4%、5%）拌制、成型后養護不同時間（7d、28d、60d、180d）的水泥穩定碎石標準試件進行無側限抗壓強度測試。試驗結果見圖1。

圖1 無側限抗壓強度

本節將分別從砂巖類型、水泥劑量、養護時間三個方面分析其對無側限抗壓強度的影響。如圖1所示，3%水泥劑量、7d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰巖D的無側限抗壓強度分別 為 3.0MPa、2.8MPa、3.0MPa、3.8MPa， 石 灰巖的水泥穩定碎石無側限強度最高，比砂巖高出27%～36%；5%水泥劑量、120d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰巖D的無側限抗壓強度分別為 9.1MPa、8.4MPa、8.8MPa、10.4MPa，石灰巖的水泥穩定碎石無側限抗壓強度最高，比砂巖高出14%～24%，其他劑量和齡期的水泥穩定碎石均呈現該規律。但隨著水泥劑量的加大和齡期的延長，石灰巖的增長幅度逐漸減小，原因主要有以下兩點：

（1）石灰巖集料的無側限強度高于洞渣砂巖，其在水泥穩定碎石中提供的內摩擦力更強，使砂巖水泥穩定碎石的無側限抗壓強度低于石灰巖水泥穩定碎石。但隨著水泥用量的增加和養護時間的延長，水泥穩定碎石中的水泥充分水化，強度提高，巖性對無側限抗壓強度的影響逐漸減小。

（2）砂巖的表面比較粗糙、孔洞較多，使其在相同粒徑范圍下比表面積更大，所需水量更高，在相同水泥劑量條件下水灰比更高，從而影響水泥水化產物的強度，造成水泥穩定碎石的無側限抗壓強度更低。

3.2 間接拉伸強度

間接拉伸強度是水泥穩定碎石的主要指標，其代表了水泥穩定碎石的抗開裂能力。本節對上述水泥穩定碎石標準試件進行間接拉伸強度測試。試驗結果見圖2。

圖2 間接拉伸強度

本節將分別從砂巖類型、水泥劑量和養護時間三個方面分析其對間接抗拉強度的影響。如圖2所示，3%水泥劑量、7d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰巖D的間接拉伸強度分別為0.34MPa、0.28MPa、0.32MPa、0.38MPa，石灰巖的水泥穩定碎石間接拉伸強度最高，比砂巖高出12%～36%；5%水泥劑量、120d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰巖D的間接拉伸強度分別為 0.92MPa、0.84MPa、0.91MPa、1.03MPa，石灰巖的水泥穩定碎石間接拉伸強度最高，比砂巖高出12%～23%，其他劑量和齡期的水泥穩定碎石均呈現該規律。但隨著水泥劑量的加大和齡期的延長，砂巖和石灰巖水泥穩定碎石的間接拉伸強度趨于相同。砂巖能夠提供水泥穩定碎石較好的間接拉伸強度，其原因主要有以下三點：

（1）水泥穩定碎石混合料的間接拉伸強度主要由水泥水化產物提供，集料的強度對其影響有限，故集料類型對其影響明顯低于水泥劑量和養護時間。

（2）砂巖的表面比較粗糙、孔洞較多。一方面，該特性使其在相同粒徑范圍下比表面積更大，所需水量更多，在相同水泥劑量條件下水灰比更高，從而影響水泥水化產物的強度，造成水泥穩定碎石的間接拉伸強度更低。另一方面，粗糙的表面在制約集料的相互錯動方面具有優勢，但間接拉伸過程中主要考察的是水化產物與集料之間的黏結強度，粗糙的表面反而制約了水化產物與集料表面的黏結強度。

（3）長期養護后的砂巖水泥穩定性更高，給試件內部的水泥水化反應提供了更充分的水，使其在長齡期條件的間接拉伸強度與石灰巖水泥穩定碎石相近。

3.3 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量是水泥穩定碎石的主要指標，其是高速等級公路瀝青路面結構設計的重要參數。本節對上述水泥穩定碎石標準試件進行抗壓回彈模量進行測試。試驗結果見圖3。

圖3 抗壓回彈模量

本節將分別從砂巖類型、水泥劑量和養護時間三個方面分析其對抗壓回彈模量強度的影響。如圖3所示，3%水泥劑量、7d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰巖D的抗壓回彈模量分別為 572MPa、537MPa、554MPa、591MPa，石灰巖的水泥穩定碎石抗壓回彈模量最高，比砂巖高出3%～10%；5%水泥劑量、120d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰巖D的抗壓回彈模量分別為2 178MPa、2 014MPa、2 103MPa、2 321MPa， 石灰巖的水泥穩定碎石抗壓回彈模量最高，比砂巖高出7%～15%，其他劑量和齡期的水泥穩定碎石均呈現該規律。隨著齡期的增長，各巖性、各水泥劑量的水泥穩定碎石的抗壓回彈模量不斷增長，前期增長較快，60d后的增長趨于平緩。相同水泥劑量和養護齡期下的各巖性水泥穩定碎石的抗壓回彈模量不超過15%，差異較小，足以說明使用砂巖作為水泥穩定碎石用集料并不會對路面設計厚度結果產生明顯影響。在實際工程中可用水泥穩定碎石計算的基層厚度進行施工，無需重新調整設計。

4 結語

（1）砂巖用于水泥穩定碎石會使無側限抗壓強度和間接拉伸強度下降，但可通過適當增加水泥劑量獲得同等的承載力。（2）隨著養護試件的延長，砂巖對水泥穩定碎石造成無側限抗壓強度和間接拉伸強度的影響會明顯減小，可推測在長期性能方面與石灰巖水泥穩定碎石相當。（3）砂巖對水泥穩定碎石的抗壓回彈模量影響較小，在實際工程中，無需重新調整設計。（4）在砂巖水泥穩定碎石的應用過程中應考慮最佳含水率對其干縮性能的影響，避免過高含水率造成實體工程大面積干縮開裂。