水泥穩(wěn)定三峽庫區(qū)風(fēng)化砂CBR值試驗研究

楊　俊，劉世宜，張國棟

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌　443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌　443002)

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水泥穩(wěn)定三峽庫區(qū)風(fēng)化砂CBR值試驗研究

楊俊1,2，劉世宜1,2，張國棟1,2

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002)

以宜昌市三峽庫區(qū)風(fēng)化砂為研究對象，采用水泥對其進行穩(wěn)定改良，擬用作公路路面基層。在風(fēng)化砂中分別摻入3%，5%，7%，9%的水泥，在標準養(yǎng)護條件下，分別養(yǎng)護了7，14，21，28d，然后進行加州承載比(CBR)值試驗。試驗結(jié)果表明：水泥可以有效提高風(fēng)化砂的CBR值，且水泥摻量和養(yǎng)護齡期均對風(fēng)化砂的CBR值有很大影響；在養(yǎng)護齡期一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值隨水泥摻量的增加逐漸增大，CBR值與水泥摻量之間呈良好的對數(shù)關(guān)系；在相同的水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值隨養(yǎng)護齡期的增長穩(wěn)步提高，CBR值與養(yǎng)護齡期之間基本呈線性關(guān)系。綜合考慮經(jīng)濟性和風(fēng)化砂的力學(xué)特性，風(fēng)化砂中摻入7%的水泥能使CBR值達到最大值。

風(fēng)化砂；CBR；水泥摻量；養(yǎng)護齡期；三峽庫區(qū)

1　研究背景

巖石受大氣、降水、生物等一系列因素的影響，會逐漸發(fā)生物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化，最終形成風(fēng)化砂。風(fēng)化砂在我國大部分的山地、丘陵等地區(qū)分布十分廣泛。由于各個地區(qū)巖層的原生礦物和所受自然環(huán)境影響不同，造成風(fēng)化砂的特點不盡相同。但一般情況下，風(fēng)化砂具有如下共同特點：風(fēng)化砂自身強度較低，其顆粒表面常常伴隨有微型裂縫，在粒徑較大時容易破碎；風(fēng)化砂大部分是由花崗巖風(fēng)化而成的；砂顆粒沒有規(guī)則的幾何形狀，造成風(fēng)化砂自身顆粒變異性較大，顆粒之間極不穩(wěn)定；各個地區(qū)的風(fēng)化砂風(fēng)化程度差異性很大，目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的方法和標準對風(fēng)化砂風(fēng)化程度加以界定[1]。

由于風(fēng)化砂整體穩(wěn)定性和強度都較低，使得它在大多數(shù)情況下不能直接應(yīng)用于工程建設(shè)。國內(nèi)外很多學(xué)者對風(fēng)化砂的強度進行了大量研究[2-4]。綜合一些學(xué)者的研究成果可得出：由于風(fēng)化砂具有顯著的棱角，使得它能相互咬合緊密而產(chǎn)生一定的整體強度。如果加入適當?shù)臒o機結(jié)合料，增強其黏聚性，則能大幅度提高其承載能力。湖北省宜昌市三峽庫區(qū)分布著大量風(fēng)化砂，一直以來未得到有效開采利用。隨著三峽庫區(qū)經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，筑路材料的需求量越來越大。本研究擬在庫區(qū)風(fēng)化砂中加入適量水泥，用作庫區(qū)道路基層。表征路用材料強度的指標有抗剪強度、無側(cè)限抗壓強度、CBR、回彈模量等。其中CBR值是路基、路面材料強度的最關(guān)鍵評價指標[5-8]。

本文以湖北省宜昌市夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)百歲溪處風(fēng)化砂為研究對象，采用水泥對其進行穩(wěn)定改良，研究了不同養(yǎng)護齡期、不同水泥摻量對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值的影響。在大量試驗研究的基礎(chǔ)上，建立了水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與水泥摻量及養(yǎng)護齡期間的數(shù)學(xué)模型，為水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂用作公路路面基層提供一定的理論依據(jù)。

2　試驗材料

2.1風(fēng)化砂

2.1.1風(fēng)化砂的級配組成

圖1　風(fēng)化砂顆粒組成分布Fig.1　Particle distribution of weathered sand

試驗用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)百歲溪處。該風(fēng)化砂由花崗巖風(fēng)化而成，風(fēng)化較嚴重，大顆粒在外力作用下易碎。其顏色呈黃褐色，顆粒粒徑大小分布不均勻，形狀不規(guī)則，棱角較明顯，呈層狀分布。室內(nèi)實驗風(fēng)化砂的顆粒組成分布如圖1所示。

2.1.2風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)

通過對風(fēng)化砂進行天然含水率、含泥量測試，得到風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1　風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)Table 1　Basic physical properties of weathered sand

從表1可知：風(fēng)化砂不均勻系數(shù)Cu=10.21，曲率系數(shù)Cc=3.08，初步判定該風(fēng)化砂為級配不良砂。

2.2水泥

本試驗水泥采用宜昌市場上銷售的32.5號普通硅酸鹽水泥，水泥的各項基本指標見表2。

表2　水泥的各項物理試驗指標Table 2　Physical test indexes of cement

該水泥的和易性、保水性、耐磨性、抗凍性等性質(zhì)良好，表2中水泥的各項技術(shù)指標符合規(guī)范要求。

3　試驗過程

試驗參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》(JTGE51—2009)和《公路土工試驗規(guī)程》(JTGE40—2007)，擬定的水泥摻量分別為3%，5%，7%，9%，按如下步驟進行。

(1) 重型擊實試驗：首先根據(jù)室內(nèi)重型擊實試驗，得出各個水泥摻量下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的最佳含水率和最大干密度。

(2) 試件制備：根據(jù)步驟(1)中得出的最佳含水率，采用外摻法，噴灑每個試件所需的含水量，并拌合均勻，悶料一晝夜，然后加入所需的水泥質(zhì)量和預(yù)留水分進行擊實制樣，每種水泥摻量制作3組試件，進行平行試驗。

(3) 養(yǎng)護：每組試件在標準恒溫恒濕養(yǎng)護間分別養(yǎng)護7，14，21，28d，養(yǎng)護完成并浸水4d。

(4)CBR試驗：將浸水4d后的試件在路面強度測定儀上進行CBR貫入試驗，試驗完成后計算、處理試驗數(shù)據(jù)。若貫入量為5mm的CBR值大于2.5mm的CBR值，試驗應(yīng)重做；若重做的CBR值仍然如此，則應(yīng)采用5mm時的CBR值作為最終結(jié)果。其中CBR值的計算公式為

式中：CBR為加州承載比(%)；p為單位壓力(kPa)。

4　試驗結(jié)果分析

通過不同水泥摻量和養(yǎng)護齡期下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR試驗研究，得到了各個摻量和養(yǎng)護齡期下的CBR值，試驗結(jié)果見表3。

表3　不同水泥摻量和養(yǎng)護齡期下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBRTable 3　CBR values of cement-stabilized weathered sandunder different cement contents and curing ages

根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，以水泥摻量為橫坐標、CBR值為縱坐標，可以得到在養(yǎng)護齡期一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與水泥摻量之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR與水泥摻量之間關(guān)系曲線Fig.2　Curves of CBR value of cement-stabilized weathered sand vs.cement content

由圖2可知：

(1) 水泥可以顯著提高風(fēng)化砂的CBR值，在養(yǎng)護齡期一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值隨水泥摻量的增加迅速增大。不同齡期水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂，其CBR值隨著水泥摻量變化的曲線線型基本一致。

(2) 當水泥摻量由3%增加到9%，在養(yǎng)護齡期分別為7，14，21，28d的情況下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值均增長了大約1倍。在各不同養(yǎng)護齡期下，當水泥摻量由3%增長到5%時，CBR值的增長幅度在30%左右；當水泥摻量由5%增長到7%時，CBR值的增長幅度約50%；當水泥摻量由7%增長到9%時，CBR值的增長幅度約20%。由此可以看出：雖然摻入9%的水泥會使CBR值更大，但增長的幅度卻明顯下降，而且水泥用量越多，收縮性會越強，使得水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂出現(xiàn)干縮裂縫。綜合考慮經(jīng)濟性以及水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的收縮特性，最佳的水泥摻量宜控制在7%。

根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，以養(yǎng)護齡期為橫坐標、CBR值為縱坐標，可以得到在水泥摻量一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與養(yǎng)護齡期之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR與養(yǎng)護齡期之間關(guān)系曲線Fig.3　Curves of value of CBR of cement-stabilized weathered sand vs.curing period

由圖3可以看出：

(1) 養(yǎng)護齡期對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值影響較為顯著，其CBR值在齡期7～28d內(nèi)基本呈線性增長，可見，對于水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂，適當延長養(yǎng)護齡期可以顯著提高其CBR值。

(2) 當水泥摻量一定時，隨著養(yǎng)護齡期的增長，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值有了明顯的增大。當養(yǎng)護齡期由7d增大到28d，水泥摻量為3%時，CBR值增長了50%；水泥摻量為5%時，CBR值增長了54%；水泥摻量為7%時，CBR值增長了67%；水泥摻量為9%時，CBR值增長了76%。由此可見，在相同養(yǎng)護齡期下，隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值增長幅度也逐漸增大。

(3) 在相同的水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值在養(yǎng)護齡期由7～14d之間的增長幅度最大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是由于水泥的早期強度增長往往較快所致。

5　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值數(shù)學(xué)模型分析

圖4　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR與水泥摻量擬合曲線Fig.4　Fitting curves of CBR value of cement-stabilized weathered sand vs.cement content

通過上述試驗以及對試驗結(jié)果的分析，可以建立起水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

在養(yǎng)護齡期相同時，通過將水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值與水泥摻量進行擬合，可知水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值與水泥摻量之間呈現(xiàn)良好的對數(shù)關(guān)系，如圖4所示。

水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與水泥摻量之間的數(shù)學(xué)表達式為

CBR=Alnx+B。

(1)

式中：A，B為對數(shù)擬合參數(shù)，其值見表4；x為水泥摻量(%)。

表4　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與水泥摻量對數(shù)擬合參數(shù)Table 4　Logarithmic fitting parameters of CBR value ofcement-stabilized weathered sand and cement content

圖5　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CB與養(yǎng)護齡期擬合曲線Fig.5　Fitting curves of CBR value of cement-stabilized weathered sand vs.curing period

由表4可以看出，該表達式能較好地反映水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與水泥摻量之間的函數(shù)關(guān)系。

通過觀察圖3，可以看出：在水泥摻量一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值與養(yǎng)護齡期之間基本呈線性關(guān)系，因此，可以將其CBR值與養(yǎng)護齡期用線性函數(shù)表示，如圖5所示。

其線性關(guān)系表達式為

CBR=am+b。

(2)

式中：a，b為線性擬合參數(shù)，其值見表5；m為養(yǎng)護齡期(d)。

表5　水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與養(yǎng)護齡期線性擬合參數(shù)Table 5　Linear fitting parameters of CBR value ofcement-stabilized weathered sand and curing period

由表5可以看出，該表達式能較好地反映水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與養(yǎng)護齡期之間的函數(shù)關(guān)系。

6　結(jié)　論

通過不同水泥摻量和養(yǎng)護齡期下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR的試驗研究，可以得出以下結(jié)論：

(1) 水泥可以顯著提高風(fēng)化砂的CBR值，在不同養(yǎng)護齡期下，隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值均迅速增大，且水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值增長幅度也逐漸增大，綜合經(jīng)濟性和力學(xué)特性考慮，最佳水泥摻量應(yīng)控制在7%。

(2) 在相同的水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值在養(yǎng)護齡期由7～14d之間的增長幅度最大。

(3) 養(yǎng)護齡期對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的CBR值影響較為顯著，CBR值在齡期7～28d內(nèi)基本呈線性增長。

(4) 水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與水泥摻量之間呈良好的對數(shù)關(guān)系；水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂CBR值與養(yǎng)護齡期之間呈良好的線性函數(shù)關(guān)系。

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(編輯：黃玲)

Experimental Study on CBR Value of Cement-treated Weathered Sandof the Three Gorges Reservoir

YANG Jun1,2，LIU Shi-yi1,2，ZHANG Guo-dong1,2

(1.CollaborativeInnovationCenterofGeologicalHazardsandEcologicalEnvironmentinThreeGorgesAreainHubeiProvince,Yichang443002,China；2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

TheweatheredsandfromtheThreeGorgesReservoirinYichangcitywasstabilizedbycementandwasusedforhighwaypavementbase.Weatheredsandwasmixedwith3%, 5%, 7%, 9%cement,respectively,andmaintainedfor7days, 14days, 21days,and28daysunderstandardcuringcondition,andthentestontheCaliforniabearingratio(CBR)valueofthetreatedweatheredsandwascarriedout.ExperimentalresultshowsthatcementcaneffectivelyimprovetheCBRvalueofweatheredsand,andcementcontentandcuringagebothhavegreatinfluenceontheCBRvaluesofweatheredsand.Underthesamecuringage,theCBRvalueofcement-treatedweatheredsandincreaseswiththegrowthofcementdosagegradually.CBRvalueandcementdosageshowsgoodlogarithmicrelation.Underthesamedosageofcement,theCBRvalueofcement-treatedweatheredsandincreaseswiththegrowthofcuringagesteadily,andtherelationshipbetweenCBRvalueandcuringageislinear.Incomprehensiveconsiderationofeconomyandmechanicalpropertiesofweatheredsand,adding7%cementcouldmaximizetheCBRvalue.

weatheredsand；CBR；cementcontent；curingperiod；ThreeGorgesReservoir

2015-07-02；

2016-01-15

湖北省教育廳自然科學(xué)研究重點項目(D20131304)

楊俊(1976-)，男，湖北武漢人，副教授，博士，研究方向為道路與橋梁工程，(電話)15971646394(電子信箱)wangjing750301@163.com。

10.11988/ckyyb.20150552

2016,33(09):98-101

TU443

A

1001-5485(2016)09-0098-04