水泥穩(wěn)定珊瑚砂路面底基層材料研究

王紅凱尚濤胡勇

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710064；3.重慶路安特瀝青科技有限公司，重慶 404100）

近年來國家越來越重視海洋權(quán)益，島礁上的工程建設(shè)也逐步提上日程。但由于遠(yuǎn)海海島大多遠(yuǎn)離大陸，交通不便，如果用船舶從大陸運(yùn)輸天然砂石進(jìn)行工程建設(shè)，勢必會(huì)加大建設(shè)用費(fèi)，增加工期，這嚴(yán)重影響了海島開發(fā)進(jìn)程。為此可把珊瑚砂作為建材，來代替部分普通砂石用于工程建設(shè)［1］。國內(nèi)有部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)此開展研究，費(fèi)正岳等人研究了珊瑚砂礦物成分，發(fā)現(xiàn)珊瑚礁碎屑呈多孔狀，密度較小，孔隙率高［2］。陳飛翔研究表明，與河砂混凝土對(duì)比，珊瑚砂混凝土的抗壓強(qiáng)度偏低，但兩者抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度相差無幾［3］；李林研究表明珊瑚砂混凝土比普通混凝土強(qiáng)度發(fā)展快，具有早強(qiáng)效應(yīng)，養(yǎng)護(hù)前7d強(qiáng)度就可接近28d強(qiáng)度，后期強(qiáng)度發(fā)展較緩慢［4］。王磊分析了珊瑚混凝土早強(qiáng)快硬的原因［5-6］。然而，國內(nèi)學(xué)者現(xiàn)大多研究珊瑚砂用于混凝土，很少涉及用于路面基層與底基層［7-9］。研究將配置水泥穩(wěn)定珊瑚砂材料用于路面底基層，所用的珊瑚礁砂多為粒徑小于9.5mm細(xì)顆粒，其中也摻雜一些棒狀珊瑚碎屑。通過水泥穩(wěn)定珊瑚砂擊實(shí)試驗(yàn)和7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定了配和比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究其強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，為水泥穩(wěn)定珊瑚砂材料應(yīng)用于路面底基層可行性提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)用水泥為青銅峽水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O.42.5水泥，比表面積315m2/kg，初凝與終凝時(shí)間分別245min和313min。珊瑚砂為經(jīng)篩分后得到粒徑小于9.5mm固體顆粒，其基本物理性能見表1，篩分結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)所用水為自來水。

表1 珊瑚砂物理性能

表2 珊瑚砂篩分結(jié)果

珊瑚砂各項(xiàng)指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn)，珊瑚砂密度較小，脆性較大，主要礦物為文石和高鎂方解石，顆粒粒徑多為4.75mm以下。珊瑚砂表面較粗糙，凹凸不平、多孔隙、且整體表面附著大量細(xì)微顆粒。珊瑚砂這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)致使其具有較大的比表面積，在配置水泥穩(wěn)定材料時(shí)，需水量較大。較多孔洞及粗糙表面，使得材料內(nèi)部摩阻力較大，填充性能差，所成型材料密度較一般河砂低。

2.2 試驗(yàn)方案

2.2.1 水泥穩(wěn)定珊瑚砂擊實(shí)試驗(yàn)。依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)中粒土和細(xì)粒土的水泥用量的建議范圍，結(jié)合先前探索性經(jīng)驗(yàn)，采用4%、5%、6%、7%、8%五種水泥用量，按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009）進(jìn)行水泥穩(wěn)定珊瑚砂擊實(shí)試驗(yàn)，以確定最佳含水量和最大干密度。

2.2.2 水泥穩(wěn)定珊瑚砂強(qiáng)度試驗(yàn)。取實(shí)驗(yàn)所需量珊瑚砂烘干，用9.5mm篩進(jìn)行篩分，取9.5mm以下開展試驗(yàn)。然后根據(jù)已確定的最佳含水率和最大干密度，采用98%的壓實(shí)度靜壓成型試件。每種摻量下成型50mm×50mm試件各24個(gè)，在養(yǎng)護(hù)齡期的最后一天將試件浸水，測量7d、28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

水泥穩(wěn)定珊瑚砂擊實(shí)試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，隨著水泥含量逐漸增加，水泥穩(wěn)定珊瑚混合料最佳含水率和最大干密度都有所增加，但比普通水泥砂石材料擊實(shí)最佳含水率偏大，最大干密度偏小，這與珊瑚砂本身內(nèi)部多孔，吸水率較大，密度較小有關(guān)。

表3 材料最大干密度與最佳含水率

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

靜壓成型50mm×50mm圓柱體水泥穩(wěn)定珊瑚砂試件，養(yǎng)護(hù)3d、7d和28d，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，壓力機(jī)加載速率有效控制在1mm/min，其結(jié)果見表4所示。

表4 各齡期水泥穩(wěn)定珊瑚砂抗壓強(qiáng)度

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水泥用量從4%增加至8%，水泥穩(wěn)定珊瑚砂各個(gè)齡期強(qiáng)度都依次遞增，這是因?yàn)閮?nèi)部化學(xué)物質(zhì)逐漸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)形成的膠體、晶體逐漸填滿集料孔隙，使內(nèi)部密實(shí)。由數(shù)據(jù)分析表明早期強(qiáng)度發(fā)展迅速，3d強(qiáng)度可增長至28d強(qiáng)度80%，后期強(qiáng)度發(fā)展趨于平緩。水泥穩(wěn)定珊瑚砂早期強(qiáng)度發(fā)展較快主要是因?yàn)楹Ｋ泻幸恍o機(jī)鹽成分（氯鹽、硫酸鹽等），促進(jìn)水泥早期水化。另外，珊瑚砂表面粗糙，具有多棱角性，會(huì)增加與凈漿之間的物理結(jié)合，產(chǎn)生機(jī)械咬合作用，提高水泥穩(wěn)定珊瑚砂試件早齡期抗壓強(qiáng)度。依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中高速公路和一級(jí)公路7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度規(guī)定，底基層要求為3.0-5.0 MPa。從表4結(jié)果可知，7%水泥含量的水泥穩(wěn)定珊瑚砂已滿足底基層強(qiáng)度要求。

3.3 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

將養(yǎng)生至齡期且飽水后的水泥穩(wěn)定珊瑚砂試件放到試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 各齡期水泥穩(wěn)定珊瑚砂劈裂強(qiáng)度

從試驗(yàn)結(jié)果可看到，水泥穩(wěn)定珊瑚砂劈裂強(qiáng)度隨著水泥用量的增加而增大，且在水泥用量下相同的情況下，隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，劈裂強(qiáng)度增加，這與一般的水泥穩(wěn)定土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似，而當(dāng)水泥用量在4-8%變化時(shí)，水泥用量每增加1%，其3d、7d、28d齡期劈裂強(qiáng)度平均增大16.4%、14.8%、13.8%，可以看出水泥穩(wěn)定珊瑚砂試件早期劈裂強(qiáng)度增長較快，后期增長趨于緩慢，原因與抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定珊瑚砂材料最佳含水量比普通砂大，而最大干密度較小，這是由于珊瑚砂內(nèi)部多呈孔洞結(jié)構(gòu)，密度較普通砂石較小所導(dǎo)致。

通過不同水泥含量的水泥穩(wěn)定珊瑚砂強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定珊瑚砂早期強(qiáng)度發(fā)展較快，后期趨于穩(wěn)定，且水泥含量越多，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度越大，與普通水泥穩(wěn)定沙礫類似。當(dāng)水泥含量為7%時(shí)，強(qiáng)度滿足規(guī)范對(duì)于底基層強(qiáng)度要求，可用于路面工程建設(shè)，降低工程成本。

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