摻砂量對玄武巖石屑性能的影響

摘 要：為研究摻砂量對玄武巖石屑性能的影響，實驗室用中砂和玄武巖石屑制備了不同摻砂量的試件，研究摻砂量對抗壓強度、劈裂強度、抗凍性能以及干縮性能的影響。試驗結果與分析顯示：22%左右摻砂量抗壓強度最大；20%左右摻砂量劈裂強度最大；摻砂量越高，抗凍性能越差；干縮性能越好；20%的摻砂量可以使試件達到最佳的綜合性能。研究結果顯示，在石屑中摻加適當比例的中砂可以提高石屑的干縮性能、抗壓強度以及劈裂強度，這不但可以解決道路建設材料需求與供應的矛盾，還可以節約筑路成本，提高筑路質量。

關鍵詞：水泥穩定碎石；摻砂量；抗壓強度；劈裂強度；抗凍性能；干縮性能

中圖分類號：TU 528" " " " " 文獻標志碼：A

骨架-密實型水泥穩定碎石具有較高的強度、較好的抗收縮性能和施工和易性，目前已成為各等級道路首選的級配類型。但石屑的應用和供應存在如下問題：1）石屑用量大。級配使石屑的需求量增加，集料中石屑的用量一般在30%～35%。 2）石屑產量低。粗顆粒的顆粒形狀對骨架的形成至關重要，傳統的顎式破碎機生產的集料已禁止進入高等級公路建設的集料市場，集料的生產廠家紛紛采用反擊式、錐式以及錘式等破碎方式，使石屑的生產率變得很低，一般為16%～22%，與石屑的平均需求量為32%相比，石屑的凈缺口比例為14%。3）石屑級配偏粗。由于采用硬質巖石使石屑質量偏粗。因此評價石屑質量主要是采用級配、含泥量（或砂當量）以及與水泥反應后形成的強度，石屑級配的變化主要與母材巖性和破碎方式有關，調整的余地較小；含泥量（或砂當量）與集料生產組織有關，可以完善生產監控體系，調整的幅度較大；石屑與水泥反應后形成的強度，主要與石材的巖性有關。因此，在目前石料生產狀態下，業主單位對于石屑可控的指標只有含泥量，但石屑級配的好壞對水泥穩定碎石的強度影響巨大。4）石屑的含泥量大。含泥量越大，水泥穩定粒料混合料的干縮就越大，水泥穩定粒料基層開裂的可能性就越大；在實際施工過程中，應盡量降低水泥穩定粒料混合料中的含泥量水平，含泥量應控制在0%～1%[1]。雖然細集料的含量在集料破碎過程中是可檢可控的因素，但是在碎石集料大規模、粗放式的生產工程中，精確控制含泥量指標是不可能的。通過上面的分析可知，半剛性基層生產的實際與材料的供應存在極大的矛盾，無論是石屑的數量還是質量均滿足不了生產的需求，對于道路的建設產生了很大的影響。

本文通過室內試驗研究摻砂量對干縮性能、強度以及抗凍性的影響，研究其影響規律和對石屑的替代比例。

1 試驗方法

中砂是工地所用江砂，細集料采用玄武巖石屑。對細集料抗壓強度、劈裂強度以及抗凍性能的影響；摻砂量分別為0%、20%、40%、60%、80%以及100%，水泥劑量取4.5%，成型?10cm×10cm的圓柱型試件，養生7d，考察摻砂量對水泥穩定碎石細集料抗壓強度、劈裂強度以及抗凍性能的影響。

對水泥穩定碎石細集料干縮性能的影響；摻砂量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，水泥劑量取4.5%，成型5cm×5cm×20cm的小梁試件，考察摻砂量對水泥穩定碎石細集料干縮性能的影響。

2 摻砂量對玄武巖石屑性能的影響

試驗中所用細集料的表觀密度見表1。

2.1 物理指標

在玄武巖石屑中摻入中砂做擊實試驗，測定含砂率對細集料最佳含水率和最大干密度的影響。擊實試驗的結果見表2。

由表2可知，隨著摻砂量增加，最佳含水率隨之減少。這是由于砂的吸水性比石屑的吸水性差。最大干密度隨著摻砂量增加而增加，當50%時達到最大值，此時砂與石屑的密實性最好。

2.2 力學與功能指標

2.2.1 抗壓強度

根據擊實試驗的結果進行配料，并裝入塑料袋中，加入預加水量的2/3拌合均勻，密封4h以便集料充分浸潤，然后加入剩余水量，采用靜壓法制成10cm×10cm的圓柱試件。成型24h后脫模，用塑料袋封裝后放入養生室養生，6d后從養生室取出試件，浸水24h后采用壓力機靜壓至試件破壞，得到試件破壞的極限荷載，從而計算試件的抗壓強度。每個級配成型2個平行試件，最后結果取平均值，結果如圖1所示。

由圖1可知，當含砂率為20%時抗壓強度達到最高值，然后隨著含砂率提高，抗壓強度逐漸降低。砂與石屑的密實度越高，試件的空隙率越小，抗壓強度就越高，因此當摻砂率為20%時石屑與砂的密實性最好。

2.2.2 劈裂強度

根據擊實試驗的結果進行配料，并裝入塑料袋中，加入預加水量的2/3拌合均勻，密封4h以便集料充分浸潤，然后加入剩余水量，采用靜壓法制成10cm×10cm的圓柱試件。成型24h后脫模，用塑料袋封裝后放入養生室養生，6d后從養生室取出試件，浸水24h后采用壓力機靜壓至試件破壞，得到試件破壞的極限荷載，從而計算試件的劈裂強度。每個級配成型2個平行試件，最后結果取平均值，結果如圖2所示。

由圖2可知，當含砂率為20%時，劈裂強度達到最高值，隨著含砂率提高，劈裂強度逐漸降低。砂與石屑的密實度越高，試件的空隙率越小，劈裂強度就越高，因此當摻砂率為20%時石屑與砂的密實性最好。分析試件的抗壓強度和劈裂強度可知，抗壓強度和劈裂強度隨著含砂量增加，其變化規律曲線基本一致，這是由于抗壓強度和劈裂強度都是體現材料本身的力學特性，都與材料的密實性有正相關的關系。

2.2.3 抗凍性能

按成型要求制成10cm×10cm的圓柱試件，成型24h后脫模，用塑料袋封裝后放入養生室養生，第六天從養生室拿出試件，浸水24h后放入溫度為-18℃的低溫箱中，凍結時間為16h。然后立即放入20℃的恒溫水槽中進行融化，融化時間為8h。至此一次凍融循環結束。凍融組進行4次凍融循環后用壓力機進行無側限抗壓強度試驗，測得其抗壓強度，并與沒進行凍融循環的對照組進行對比，結果如圖3、圖4所示。

由圖4中可知，隨著含砂率提高，試件的抗凍性能逐漸降低。由于砂中粉料含量少，與水泥的黏結性比石屑差，并且摻砂量越高，試件表面孔隙越多，在凍融循環中表面孔隙容易駐留水分導致表面松散，因此隨著摻砂量提高，集料抗凍性隨之降低。

2.2.4 干縮性能

根據擊實試驗的結果成型5cm×5cm×20cm的小梁試件。以最佳含水量拌合后裝入試模，用壓力機靜壓到要求的高度為止，表面覆蓋塑料紙養生1天后脫模，用塑料紙封閉包裝，安裝支架、千分表、稱重以及量長，千分表調零后開始觀測干縮數據，每天觀測一次數據，15天后去掉薄膜，繼續觀測，繪制干縮應變和干縮系數的變化曲線，如圖5、圖6所示。

試驗中試件用塑料膜覆蓋養生284h后，脫去塑料膜。此時，水分散失加快，由圖5可以看出累計干縮應變快速增加，此時，容易發生收縮裂縫。

由圖可知，隨著含砂率提高，干縮應變逐漸變小，即試件的干縮性能逐漸提高。

半剛性基層材料中固相部分的收縮系數取決于各固相的成分及其含量配比，就組成固相的礦物顆粒而言，原材料中砂粒以上顆粒的溫度收縮系數較小，粉粒以下顆粒，特別是黏土礦物的溫度收縮性較大；粉煤灰的脹縮性較小，新生膠結物具有較大的溫度脹縮性。因此，減少混合料中細集料含量或通過摻加脹縮性小的材料，可以減少混合料溫縮系數，從而提高半剛性材料的抗裂性能[2]。優質石屑的含泥量極少，而且石屑粒料多棱角，內摩角大，又多細料（0.075 mm篩孔的通過率占1.2%），與骨料結合在一起易形成密級配，從而切斷孔隙通道，使水分不易散失。砂的表面光滑，無棱角，內摩角小，吸水性差。同時，通過篩分發現通過0.075 mm篩孔僅為0.8%。由于砂的存在，使試件中的液相水容易散失，從而導致液相體積減少；也使毛細管作用加劇，材料礦物晶體或凝膠體減少。一般認為，氣相中大部分空隙貫通，也與大氣相通，不考慮它的變化[3]。

2.3 試驗小結

由以上試驗可以獲得摻砂量對試件性能的影響規律：對干縮性能來說，摻砂量越高，干縮性能越好；對抗壓強度來說，22%左右摻砂量抗壓強度最大；劈裂強度上，20%左右摻砂量劈裂強度最大；對抗凍性能來說，摻砂量越高，抗凍性能越差。由此可知，20%的摻砂量可以使玄武巖石屑和中砂試件的性能達到最好。

3 結論

采用合適比例的中砂代替石屑是可行的，在石屑中摻加適當比例的中砂可以提高石屑的干縮性能、抗壓強度以及劈裂強度。從該試驗所用材料來看，20%的摻砂量可以使玄武巖石屑和中砂試件的性能達到最好。對于砂儲量豐富的地區，可以通過試驗確定工程所用細集料的最佳摻砂量，采用部分中砂代替石屑。這不但可以解決道路建設材料需求與供應的矛盾，而且可以節約筑路成本，提高筑路質量。

參考文獻

[1]廖公云，黃曉明，傅智.含泥量對水泥穩定粒料干縮特性的影響[J].公路交通科技，2005，22（1）：22-26.

[2]陳冬燕.半剛性基層材料抗裂性能研究[D].西安：長安大學，2005.

[3]劉超飛，徐江萍，曾石發.摻砂對水泥穩定碎石干縮性能的影響[J].黑龍江交通科技， 2006（6）：1-5.