基于振動(dòng)法的砂巖質(zhì)水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能研究*

馬慶偉 楊晨光 郭 平

(西安公路研究院 西安 710065)

0 引 言

高速公路(底)基層多選用收縮性低、抗沖刷能力佳的水泥穩(wěn)定碎石，碎石一般采用石灰?guī)r.近年來(lái)，陜北地區(qū)由于國(guó)家環(huán)保要求，區(qū)域內(nèi)大部分料場(chǎng)關(guān)停，石灰?guī)r石料嚴(yán)重匱乏，而采用外運(yùn)集料經(jīng)濟(jì)性不佳，考慮到本地區(qū)砂巖資源豐富，嘗試采用砂巖應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石(底)基層.砂巖是巖石經(jīng)風(fēng)化剝蝕、解體而成的碎屑沉積而成，主要含有石英、粘土等，具有密度較低、孔隙率相對(duì)較高、單軸抗壓強(qiáng)度較小等特點(diǎn)，廣泛用于特殊地區(qū)的路堤建筑材料.研究人員曾將紅砂巖應(yīng)用于國(guó)道323線、隨(州)岳(陽(yáng))高速公路的邊坡防護(hù)材料、將砂巖應(yīng)用于達(dá)陜(萬(wàn)源～達(dá)州)高速底基層，均取得了良好的工程效果[1-4].陳曉斌等[5]從微觀結(jié)構(gòu)分析了砂巖作為路基填料時(shí)的剪切流變性；呂有盛等[6]結(jié)合湖南省紅砂巖特性，提出紅砂巖路基材料的施工要義；文素琴[7]結(jié)合衡棗高速公路，提出不同崩解等級(jí)下的砂巖路面施工要點(diǎn).

傳統(tǒng)的成型試件方法與實(shí)際基層結(jié)構(gòu)的差異較大，而采用振動(dòng)法成型的試件與實(shí)際芯樣的力學(xué)相關(guān)性超過(guò)93%[8]，遠(yuǎn)高于靜壓成型方法的36%[9]，具有較高的可靠性.且不同地區(qū)砂巖的礦質(zhì)組成及力學(xué)性質(zhì)差異較大，而砂巖作為陜西省高速公路路面基層材料的工程應(yīng)用尚屬空白.鑒于此，本文采用垂直振動(dòng)法成型試件，對(duì)陜北地區(qū)不同砂巖成型的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行力學(xué)特性研究.

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1水泥

采用銅川市冀東水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.2集料

采用工程沿線分布的三處砂巖料場(chǎng)，選擇砂巖A、砂巖B、砂巖C及石灰?guī)rD，水泥穩(wěn)定碎石集料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3級(jí)配

砂巖水泥穩(wěn)定碎石采用的級(jí)配見(jiàn)表3.

表3 砂巖水泥穩(wěn)定碎石配合比

1.2 振動(dòng)試驗(yàn)方法

1.2.1儀器及參數(shù)

采用振動(dòng)試驗(yàn)儀成型高15 cm、直徑15 cm的砂巖水泥穩(wěn)定碎石試件.

振動(dòng)試驗(yàn)儀的參數(shù)設(shè)置為：30 Hz振動(dòng)頻率，7.6 kN激振力，上車系統(tǒng)1.2 kN、下車系統(tǒng)1.8 kN.成型試件的壓實(shí)度為98%[10].振動(dòng)試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)儀

1.2.2試驗(yàn)方法

選用砂巖A、砂巖B、砂巖C三種砂巖以及3.5%，4.0%，4.5%三種水泥劑量，與水泥摻量為4.0%的石灰?guī)r進(jìn)行對(duì)比分析，分別成型水泥穩(wěn)定碎石試件，其中，不同配合比的水泥穩(wěn)定碎石試件需進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)及水穩(wěn)定性試驗(yàn)，應(yīng)各成型3組平行試件，試件的養(yǎng)生齡期分別為7,28,60,90和180 d.

1) 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn) 依據(jù)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，依照1 mm/min的速率對(duì)試件進(jìn)行逐漸加載，確定試件的破壞壓力P(kN)，通過(guò)破壞壓力與試件截面積之比，確定砂巖水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.水泥穩(wěn)定碎石試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)取三次平行試驗(yàn)的均值.

2) 劈裂抗拉試驗(yàn) 將兩條劈裂條分別接觸試件的頂部及底部，保證劈裂條中線與試件中線一致，并在試件上方劈裂條上面放置球形支座.以1 mm/min的速率加載試件，確定試件的破壞拉力P(kN).水泥穩(wěn)定碎石試件的劈裂抗拉強(qiáng)度應(yīng)取三次平行試驗(yàn)的均值，計(jì)算式為

(1)

式中：Ri為劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；d為直徑，mm；a為劈裂條寬度，mm；α為一半劈裂條的寬度對(duì)應(yīng)的圓心角，(°).

3) 水穩(wěn)定性試驗(yàn) 劈裂抗拉強(qiáng)度的軟化系數(shù)通常用于表征路面材料的水穩(wěn)定性，故需進(jìn)行試件飽水前后劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)定.試驗(yàn)養(yǎng)生齡期分別取7，28，60，90和180 d，飽水試件需浸水24 h，未飽水試件于自然環(huán)境下放置72 h，通過(guò)飽水與未飽水的劈裂抗拉強(qiáng)度之比確定飽水系數(shù)，研究水泥摻量、砂巖種類及齡期對(duì)混合料水穩(wěn)定性影響.水泥穩(wěn)定碎石試件的飽水系數(shù)應(yīng)取三次平行試驗(yàn)的均值.

2 試驗(yàn)分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

2.1.1試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)變化砂巖水泥穩(wěn)定碎石試件的養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量及砂巖類型，分別進(jìn)行7，28，60，90及180 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 砂巖水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度結(jié)果

2.1.2砂巖產(chǎn)地對(duì)試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

砂巖集料巖性相同，但是由于產(chǎn)地、碎石加工工藝等不同而導(dǎo)致其物理力學(xué)特性略有不同，制備水泥穩(wěn)定碎石試件力學(xué)強(qiáng)度也有所差異.不同砂巖產(chǎn)地的試件7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

由表5可知：

表5 不同砂巖產(chǎn)地的試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

1) 當(dāng)?shù)V料級(jí)配一定時(shí)，砂巖水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與砂巖的含水率及飽水抗壓強(qiáng)度相關(guān).砂巖的含水率越低，其飽水抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度越大.

2) 不同產(chǎn)地的砂巖無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有差異，三種產(chǎn)地砂巖的含水率普遍高于石灰?guī)r，飽水抗壓強(qiáng)度顯著低于石灰?guī)r碎石，砂巖水泥穩(wěn)定碎石7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯小于石灰?guī)r.這是由于產(chǎn)地不同導(dǎo)致的巖石礦質(zhì)組成各異，微觀礦質(zhì)組成及含量的差異導(dǎo)致了對(duì)應(yīng)的砂巖水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度不同，而石灰?guī)r的主要礦物組成為方解石，與硅酸鹽水泥成分相近，較砂巖更易與水泥漿形成牢固的化學(xué)過(guò)渡膠結(jié)層[11].

3) 水泥摻量取4.5%時(shí)，三種砂巖的最佳無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值.與采用砂巖A、砂巖B的砂巖水泥穩(wěn)定碎石相比，采用砂巖C及4.5%的水泥成型的砂巖水泥穩(wěn)定碎石具有最佳無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

2.1.3水泥摻量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)表4中試驗(yàn)結(jié)果，以砂巖A為例，繪制砂巖水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系曲線，分析不同齡期及水泥摻量下的水泥增強(qiáng)因子，與石灰?guī)rD的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)下圖2～3和表6.

圖2 不同水泥摻量下砂巖A的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3 砂巖A、石灰石D的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表6 砂巖A的水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度水泥增強(qiáng)因子

由圖2～3和表6可知：

1) 養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，水泥摻量與試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān).齡期一定時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的變化曲線走勢(shì)基本一致.

2) 對(duì)于水泥增強(qiáng)因子而言，當(dāng)齡期一定時(shí)，隨著水泥摻量的增長(zhǎng)，水泥增長(zhǎng)因子呈增大趨勢(shì).4.0%～4.5%水泥摻量下的水泥增長(zhǎng)因子為3.5%-4.0%水泥摻量的6.6倍.當(dāng)水泥摻量取4.0%-4.5%時(shí)，水泥增強(qiáng)因子為0.1～6.7%，平均增強(qiáng)因子為3.0%；當(dāng)水泥摻量取4.0%-4.5%時(shí)，水泥增強(qiáng)因子為15.2～22.1%，平均增強(qiáng)因子為19.9%.

3) 相同水泥摻量條件下，砂巖試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度低于石灰?guī)r試件，石灰?guī)r試件的抗壓強(qiáng)度約為砂巖試件的1.7倍.

2.1.4養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)砂巖水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

選擇砂巖A分別成型水泥劑量3.0%，3.5%，4.0%及4.5%的砂巖水泥穩(wěn)定碎石試件，齡期取7，28，60，90和180 d.不同養(yǎng)護(hù)齡期下砂巖水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖4，強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)率見(jiàn)表7.

圖4 砂巖A與石灰?guī)rD的水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表7 試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的增長(zhǎng)率

由圖4和表7可知：

1) 不同砂巖水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增長(zhǎng).

2) 28 d齡期時(shí)，砂巖A與石灰?guī)rD的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率均為最大.28 d后試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定.

3) 水泥摻量為3.5%和4.0%的曲線幾乎重合，該摻量范圍內(nèi)砂巖水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率緩慢，水泥摻量超過(guò)4.0%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度快速增長(zhǎng).

2.2 劈裂強(qiáng)度

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果

不同養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量及砂巖類型下的飽水與非飽水砂巖水泥穩(wěn)定碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8～9.

表8 飽水試件劈裂抗拉強(qiáng)度

表9 未飽水試件劈裂抗拉強(qiáng)度

2.2.2砂巖產(chǎn)地對(duì)砂巖水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

不同集料巖性下水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表10.

表10 集料類型對(duì)水泥穩(wěn)定碎石7 d劈裂抗拉強(qiáng)度影響

由表10可知，在礦料級(jí)配一定時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度與集料的飽水抗壓強(qiáng)度成正比例關(guān)系，飽水抗壓強(qiáng)度高的砂巖具有較大的劈裂抗拉強(qiáng)度.此外，砂巖水泥穩(wěn)定碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度明顯低于石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石.這是由于不同產(chǎn)地的砂巖礦質(zhì)組成不同物理及化學(xué)性質(zhì)各異，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的砂巖水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度各不相同[12-13].

2.2.3水泥摻量對(duì)砂巖水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

根據(jù)表8～10可知，選取砂巖A為代表，繪制水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5.不同水泥摻量下，砂巖試塊與石灰石試塊劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖6.

圖5 砂巖A水泥穩(wěn)定碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度-水泥劑量

圖6 砂巖A、石灰?guī)rD水泥穩(wěn)定碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖5～6可知：

1) 同一齡期各混合料隨著水泥劑量的增加劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì).

2) 對(duì)于相同水泥摻量的砂巖和石灰?guī)r的混合料，在各個(gè)齡期石灰?guī)r的劈裂強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于砂巖的劈裂強(qiáng)度，這是由于砂巖的粘土含量遠(yuǎn)高于石灰?guī)r，粘土裹覆在砂巖與水泥顆粒表面，降低水泥水化反應(yīng)速度，阻礙巖石和水泥間黏結(jié)力的而形成，導(dǎo)致砂巖水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度低于石灰?guī)r.

3) 飽水后砂巖和石灰?guī)r試件的劈裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的下降，砂巖試件飽水后劈裂強(qiáng)度下降更顯著，這是由于陜北地區(qū)沿線的砂巖的沉積和成巖時(shí)間較短，孔隙率和吸水率遠(yuǎn)高于石灰?guī)r，導(dǎo)致本地區(qū)砂巖水泥穩(wěn)定碎石的飽水抗壓強(qiáng)度不佳.

2.2.4齡期對(duì)砂巖水泥穩(wěn)定碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度影響

水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化曲線見(jiàn)圖7.

由圖7可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同水泥摻量下的水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸增加，且28 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩.

圖7 水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度-養(yǎng)生齡期關(guān)系

2.3 水穩(wěn)性能

變化養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量及砂巖類型，在劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行砂巖水泥穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表11.

表11 劈裂抗拉強(qiáng)度軟化系數(shù)

由表11可知：

1) 砂巖水泥穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)隨齡期而變化，并存在極大值對(duì)應(yīng)的養(yǎng)生齡期，該齡期下試件的飽水劈裂抗拉強(qiáng)度接近飽和.不同水泥劑量的軟化系數(shù)極大值對(duì)應(yīng)的齡期不同.

2) 砂巖試件在同一齡期同一水泥劑量下的軟化系數(shù)與石灰?guī)r試件有相同的變化趨勢(shì).

3) 對(duì)砂巖而言，吸水率和孔隙率對(duì)砂巖影響較大，對(duì)其混合料影響也很大，必須對(duì)砂巖的吸水率和孔隙率加以限制.

3 結(jié) 論

1) 相同的養(yǎng)生齡期下，石灰?guī)r的抗壓和劈裂強(qiáng)度均大于砂巖的強(qiáng)度，但砂巖水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能符合規(guī)范中基層要求，可用于水泥穩(wěn)定碎石基層的設(shè)計(jì)與施工.

2) 飽水過(guò)后的砂巖和石灰?guī)r混合料的抗壓和劈裂強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度的下降，砂巖飽水后強(qiáng)度下降程度更顯著.4.0%的水泥摻量是無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期變化的重要節(jié)點(diǎn)，水泥摻量低于4.0%的試件強(qiáng)度增長(zhǎng)速度平緩，建議砂巖水泥穩(wěn)定碎石的水泥摻量高于4.0%.

3) 隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，不同水泥摻量下的砂巖水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度均逐漸增加，且28 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩.

4) 砂巖水泥穩(wěn)定碎石的軟化系數(shù)隨齡期而變化，并存在極大值對(duì)應(yīng)的養(yǎng)生齡期，該齡期下試件的飽水劈裂抗拉強(qiáng)度接近飽和.不同水泥劑量的軟化系數(shù)極大值對(duì)應(yīng)的齡期不同.