水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石路用性能

於德美　吳志鴻　郭曉　張峰　邱仁輝

摘要：為推廣凝灰?guī)r在道路工程中的應(yīng)用，采用凝灰?guī)r機(jī)制砂替代細(xì)集料，設(shè)計(jì)混合料級(jí)配，通過擊實(shí)實(shí)驗(yàn)確定水泥穩(wěn)定碎石最佳含水量和最大干密度，并制備試件，測(cè)試混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)性及抗凍性等路用性能。結(jié)果表明：3%和5%水泥用量的水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石可分別滿足底基層和基層的強(qiáng)度要求;在較短齡期內(nèi)，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定天然集料的略高，劈裂強(qiáng)度相差不大，水穩(wěn)系數(shù)接近;水泥用量對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響顯著。由此說明水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石總體性能滿足道路基層使用要求。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定基層;凝灰?guī)r機(jī)制砂;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;劈裂強(qiáng)度;耐久性能

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2019）02-0099-08

Mixture of Graded Crushed Stone and Tuff Sands by Mechanical?Extraction and its Application in Road Base Engineering

YU Demei?1， WU Zhihong?2， GUO Xiao?2， ZHANG Feng?2， QIU Renhui?1*

（1. College of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350108;?2. Strait Construction and Development Co.， Ltd.， Fuzhou 350000）

Abstract：In order to promote the application of tuff mines in road engineering， the performance of cement-stabilized mixture of tuff sands by mechanical extraction and graded macadam was investigated. The unconfined compressive strength （UCS）， cleavage strength， water stability and frost resistance of the mixture were tested and compared with those of fine aggregates. The optimum water content and maximum dry density of cement-stabilized macadam with tuff sands were determined by compaction experiments. Results showed that the 3% and 5 % cement stabilized tuff sands mixed with graded macadam could meet the strength requirements of the sub-base and the base course， respectively. The UCS of tuff sands mixture was slightly higher than that of the cement-stabilized natural aggregate in a short period. The cleavage strength had insignificant difference between those of tuff sands mixture and fine aggregates mixture， while the cement usage had significant effects on it. The coefficient of water stability of cement-stabilized tuff sands mixture was very close to that of the cement-stabilized natural aggregates. Therefore， the tuff sands mixture was feasible for application in road base engineering basically.

Keywords：Cement stabilized base; tuff sands by mechanical extraction; unconfined compressive strength; cleavage strength; durability

0引言

凝灰?guī)r是一種分布廣泛的細(xì)?；鹕剿樾紟r，在東南沿海地區(qū)儲(chǔ)量豐富。凝灰?guī)r機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用已有研究?[1-2]，Messaouda等?[3]研究通過選用鈣質(zhì)凝灰?guī)r代替天然河砂來進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，驗(yàn)證了鈣質(zhì)凝灰?guī)r配制混凝土的可能性。Liguori等?[4]論證了采用凝灰?guī)r配置環(huán)境友好型膠凝材料的可行性。李響等?[5- 6]對(duì)凝灰?guī)r混凝土強(qiáng)度形成機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r對(duì)復(fù)合膠凝材料抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)更多體現(xiàn)在水化初期。溫小棟等?[7]對(duì)凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能及機(jī)理進(jìn)行了研究，但目前鮮有凝灰?guī)r機(jī)制砂在道路工程應(yīng)用方面的研究。水泥穩(wěn)定類材料具有一定的強(qiáng)度及較好的承載力和疲勞性能，因此在道路基層中得以廣泛應(yīng)用?[8-10]，但其易產(chǎn)生裂縫?[11-12]，并最終引發(fā)路面的反射裂縫?[13-14]。北方地區(qū)的晝夜溫差和季節(jié)溫差對(duì)水泥穩(wěn)定碎石材料有直接的影響?[15]，容易發(fā)生凍融破壞?[16]。而道路建設(shè)需耗用大量石料，若能利用凝灰?guī)r巖質(zhì)、成分及物理化學(xué)特性，將其開發(fā)成為建筑材料，代替部分天然細(xì)集料，不僅可以達(dá)到緩解天然集料緊缺的狀況，還起到節(jié)約資源、節(jié)能減排的作用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。鑒于此，本文對(duì)水泥凝灰?guī)r機(jī)制砂穩(wěn)定類材料性能進(jìn)行研究，采用凝灰?guī)r機(jī)制砂替代細(xì)集料制備混合料，通過測(cè)試混合料的擊實(shí)特性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及抗凍特性，評(píng)估其在道路基層中應(yīng)用的可行性。

1原材料及配合比組成設(shè)計(jì)

1.1原材料

普通硅酸鹽水泥（安徽海螺牌P.O 42.5）化學(xué)成分見表1，技術(shù)指標(biāo)見表2。粗集料為花崗巖，細(xì)集料分別為凝灰?guī)r機(jī)制砂和天然砂。凝灰?guī)r機(jī)制砂技術(shù)指標(biāo)見表3。

凝灰?guī)rXRD物相檢測(cè)如圖1所示，由圖1可知凝灰?guī)r的礦物成分主要有石英（SiO2）、鉀長(zhǎng)石（K2O·Al2O3·6SiO2）、鈉長(zhǎng)石（NaAlO2·3SiO2）、硅酸鋁鹽（Al2Si2O5（OH）4）。凝灰?guī)r放大一萬倍的形貌（SEM）狀態(tài)如圖2所示，由圖2可知，凝灰?guī)r結(jié)構(gòu)為層片狀結(jié)構(gòu)。能譜分析如圖3所示。由圖3可知該凝灰?guī)r的化學(xué)元素有Si、O、Al、Na、K、Ca、Mg、Fe等。

1.2材料組成

對(duì)水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石基層材料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)?[17]，對(duì)照組采用相同級(jí)配的天然細(xì)集料，級(jí)配組成如圖4所示。

2擊實(shí)實(shí)驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方案

依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》?[18]，選用水泥劑量為3%、4%、5%、6%的混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案見表4。

2.2確定最佳含水量和最大干密度

對(duì)試樣進(jìn)行稱重并測(cè)定含水量，繪制試樣干密度與水泥劑量、含水率關(guān)系曲線圖（圖5）。

根據(jù)干密度與含水量擬合曲線（圖5）確定最佳含水量與最大干密度，并確定后續(xù)試驗(yàn)的配合比，結(jié)果見表5。

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于相同水泥劑量的混合料，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石最佳含水量總體上大于水泥穩(wěn)定天然集料的，這是因?yàn)槟規(guī)r機(jī)制砂的吸水率較大所導(dǎo)致的;但水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r混合料最大干密度略小于水泥穩(wěn)定天然集料的，這是由于凝灰?guī)r機(jī)制砂表觀密度較小。隨著水泥劑量的增加，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石和水泥穩(wěn)定天然集料級(jí)配碎石兩種混合料的最大干密度和最佳含水率也隨之增加。

3力學(xué)性能及耐久性能

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)所確定的集料混合料的最佳含水量和最大干密度，制備試樣，開展水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石路用性能試驗(yàn)研究。

3.1力學(xué)性能

以7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，評(píng)價(jià)水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂碎石基層的力學(xué)強(qiáng)度;以劈裂強(qiáng)度為指標(biāo)驗(yàn)證道路穩(wěn)定基層抗應(yīng)力收縮能力。

3.1.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

靜壓成型150 mm×150 mm圓柱形試件，按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)生處置;測(cè)試水泥試樣7、14、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。計(jì)算水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石7、14、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6試驗(yàn)結(jié)果可知：3%水泥劑量的試樣力學(xué)強(qiáng)度可滿足底基層要求;5%水泥劑量的可滿足基層強(qiáng)度要求?[17]。在較短齡期內(nèi)，凝灰?guī)r水泥試樣的7、14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體上比水泥穩(wěn)定天然集料的略高;28 d齡期的凝灰?guī)r試樣力學(xué)強(qiáng)度略低于天然砂試樣;水泥劑量對(duì)無側(cè)限強(qiáng)度有顯著影響，相同級(jí)配下，隨著水泥劑量的增加，兩組試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均不斷增加;兩組混合料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期而增長(zhǎng)，且前期增長(zhǎng)速率較快，后期增長(zhǎng)速率減慢，說明水泥穩(wěn)定基層強(qiáng)度主要在前期形成，7、14、28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸趨緩。

3.1.2劈裂強(qiáng)度

水泥穩(wěn)定碎石基層在車輛荷載和溫濕度變化的長(zhǎng)期作用下，容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，破壞了基層的整體性，還容易造成面層的反射裂縫。衡量水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強(qiáng)度常采用彎拉試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，劈裂試驗(yàn)程序較簡(jiǎn)單，本研究采用劈裂強(qiáng)度來衡量基層的抗彎拉性能。試驗(yàn)前將養(yǎng)生7、14、28 d的試件飽水24 h后用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)量其劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強(qiáng)度均隨齡期而增長(zhǎng)，且前期增長(zhǎng)速率較快，后期增長(zhǎng)速率趨慢，說明水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的劈裂強(qiáng)度主要在前期形成，7、14、28 d后的強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸趨緩。隨著水泥劑量增加，劈裂強(qiáng)度增大，不同水泥劑量的試件各齡期強(qiáng)度差值很大，證實(shí)水泥劑量的提高對(duì)試件劈裂強(qiáng)度的增大影響顯著。結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，水穩(wěn)試件劈裂強(qiáng)度伴隨無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增大，但并非呈嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者隨齡期增大的規(guī)律性不顯著。由各齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度各段斜率可以看出，在7～14 d期間，兩者的增長(zhǎng)率均較高，14 d以后增長(zhǎng)速度趨緩，各階段劈裂強(qiáng)度增長(zhǎng)率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率無顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也說明劈裂強(qiáng)度不能單純由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征。

3.2耐久性能

3.2.1水穩(wěn)性

試驗(yàn)采用靜壓方式成型150 mm×150 mm圓柱形試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7、28 d后采用1 d飽水、2 d風(fēng)干的循環(huán)方式進(jìn)行5次干濕循環(huán)，最后飽水24 h進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。用于對(duì)比試驗(yàn)的非干濕循環(huán)試件，在到達(dá)齡期的前一天先飽水一晝夜后測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。水穩(wěn)定性試驗(yàn)采用水穩(wěn)定性系數(shù)表示，按公式（1）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

S=P1P2?。（1）

式中：?S?為水穩(wěn)定系數(shù)，%;?P?1為試件干濕循環(huán)后的飽水強(qiáng)度，MPa;?P?2為未經(jīng)干濕循環(huán)試件的飽水強(qiáng)度，MPa。

相同水泥劑量的混合料經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，齡期7 d的凝灰?guī)r試樣水穩(wěn)系數(shù)比水泥穩(wěn)定天然集料的略高。隨著水泥劑量的增加，其水穩(wěn)系數(shù)增加。這是因?yàn)榛旌狭吓c水接觸時(shí)，水泥水化產(chǎn)物與集料的粘結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致了水穩(wěn)系數(shù)下降（小于1）。隨著水泥摻量增加，28 d齡期的混合料水穩(wěn)定系數(shù)與7 d變化規(guī)律相似，均隨著水泥摻量的增加不斷增大，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r級(jí)配碎石水穩(wěn)系數(shù)與水泥穩(wěn)定天然集料非常接近。

3.2.2凍穩(wěn)性

基層凍穩(wěn)性按規(guī)范?[18]進(jìn)行試驗(yàn)，按照確定的最佳含水量和最大干密度制作試件。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d的試件飽水24 h后，放入零下20 ℃低溫箱內(nèi)冰凍16 h取出，測(cè)量試件高度及質(zhì)量;再將試件放入20 ℃水槽中保溫8 h，取出擦干試件后測(cè)量高度及質(zhì)量，此為一次凍融循環(huán);經(jīng)過5次凍融循環(huán)后計(jì)算飽水抗壓強(qiáng)度與未經(jīng)凍融循環(huán)的試件飽水抗壓強(qiáng)度的比值;試驗(yàn)結(jié)果采用凍穩(wěn)系數(shù)（?BDR?）評(píng)價(jià)，如公式（2）所示。

BDR=（RDC/RC）×100。?（2）

式中：?RDC、RC?分別為試件經(jīng)凍融循環(huán)后和未經(jīng)凍融循環(huán)的飽水抗壓強(qiáng)度，MPa。

各水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石材料28 d凍融循環(huán)后，強(qiáng)度出現(xiàn)損失，28 d凍融強(qiáng)度損失率為2.8%～4.9%，但滿足規(guī)范抗凍性的要求。造成這種現(xiàn)象的原因是水泥水化速率受溫度影響較為顯著，低溫環(huán)境下水化反應(yīng)減緩，當(dāng)循環(huán)周期內(nèi)環(huán)境溫度升高時(shí)，材料內(nèi)部水化速率開始提升;試件經(jīng)過28 d養(yǎng)生后，內(nèi)部的水化反應(yīng)已經(jīng)基本完成，后續(xù)強(qiáng)度增加不明顯，因此經(jīng)過5次凍融循環(huán)后強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)損失。在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，基層材料的抗凍性取決于孔隙形狀及含水率等，與天然集料相比較，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石抗凍性差別不大，能夠滿足基層混合料的抗凍性要求。

4結(jié)論

（1）在相同水泥劑量時(shí)，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石最佳含水量總體上大于水泥穩(wěn)定天然集料，最大干密度也比水泥穩(wěn)定天然集料的小，且隨著水泥劑量的增加，兩種混合料的最大干密度和最佳含水率增加。

（2）3%水泥劑量和5%水泥劑量的水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石可分別滿足底基層和基層的強(qiáng)度要求。

（3）在較短齡期內(nèi)，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體比水泥穩(wěn)定天然集料的略高些，但劈裂強(qiáng)度相差不大。水泥劑量對(duì)基層材料力學(xué)性能有顯著影響，在同一配比情況下，隨水泥劑量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度增加。

（4）水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機(jī)制砂級(jí)配碎石水穩(wěn)系數(shù)與水泥穩(wěn)定天然集料接近，各水泥劑量28 d凍融強(qiáng)度損失率為2.8%～4.9%，滿足基層混合料的水穩(wěn)性和抗凍性設(shè)計(jì)要求。

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