水泥穩(wěn)定碎石的風(fēng)積沙-石屑復(fù)合細(xì)集料體系研究

師 華

（中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

沙漠邊緣和腹地相對(duì)缺少良好的筑路材料，利用一定厚度的風(fēng)積沙，可降低筑路成本。但由于風(fēng)積沙的級(jí)配不良，目前風(fēng)積沙的應(yīng)用主要集中于路基填筑和低等級(jí)公路的基層底基層施工。通過(guò)對(duì)沙樣和風(fēng)積沙細(xì)集料體系進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲取風(fēng)積沙的壓實(shí)特性和工程機(jī)理，發(fā)揮風(fēng)積沙的承載能力，提高其穩(wěn)定度和應(yīng)用范圍。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 風(fēng)積沙顆粒分析

顆粒級(jí)配是細(xì)集料最重要的物理性能指標(biāo)之一，顆粒級(jí)配反映材料粒度分布情況和空隙率大小。砂的顆粒級(jí)配是指不同粒徑的砂粒搭配比例。良好級(jí)配的空隙率達(dá)到最小值，堆積密度達(dá)最大值，可達(dá)到節(jié)約水泥劑量，提高水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的綜合性能的目標(biāo)。采集兩處不同地點(diǎn)的風(fēng)積沙樣品和石屑進(jìn)行顆粒篩分。對(duì)所取沙樣進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1對(duì)比兩種風(fēng)積沙樣可以看出，不同地點(diǎn)獲取的沙樣雖然粒度上有所差別，但是相差不大，最大粒徑不超過(guò)，70%的顆粒集中0.6-0.15mm，大于0.5mm和小于0.075mm顆粒含量極少，而石屑的小于0.075mm顆粒達(dá)到20%[1]。

表1 風(fēng)積沙、石屑顆粒級(jí)配曲線

從細(xì)集料級(jí)配方面來(lái)講，風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別為：0.5、1.3，是典型的不良級(jí)配。由石屑的篩分曲線可以得出：石屑的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別為：0.2、1.4。

1.2 試驗(yàn)方案

沙的休止角φ反映了堆積集料體內(nèi)部顆粒受力與坡面表層顆粒受力兩個(gè)方面的平衡關(guān)系。沙的休止角主要受到顆粒尺寸、表面質(zhì)地、棱角性、非均勻沙級(jí)配、黏性、含水率、群體密實(shí)度以及重力加速度等因素的影響。文中采用自然堆積法進(jìn)行風(fēng)積沙和石屑的休止角試驗(yàn)，研究不同含水率條件下風(fēng)積沙和石屑的休止角變化，試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)積沙-石屑復(fù)合體系休止角試驗(yàn)方案

2 研究結(jié)果

研究不同含水率和配比條件下風(fēng)積沙和石屑的休止角變化，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)積沙的休止角隨著含水量增加（0-約5%范圍內(nèi)），風(fēng)積沙的潤(rùn)濕，休止角逐漸增加，在4%-5%時(shí)達(dá)到峰點(diǎn)（62.4°），隨后含水率超過(guò)6%，在含水率7%-8%時(shí)，風(fēng)積沙的休止角顯著下降，隨后風(fēng)積沙的休止角隨含水率的增加，發(fā)生二次休止角增加，當(dāng)含水率進(jìn)一步增大時(shí)，含水率又顯著下降，表明風(fēng)積沙休止角-含水率曲線具有雙峰性，而這主要是一方面風(fēng)積沙的顆粒較細(xì)，比表面積較大，對(duì)含水率的敏感性較強(qiáng)，另一方面又受到風(fēng)積沙顆粒粒徑單一，造成級(jí)配不良因此對(duì)水的敏感范圍較大，雙重方面作用的結(jié)果導(dǎo)致風(fēng)積沙的休止角-含水率曲線雙峰性；石屑的休止角集中于50-53°，隨著含水量增加，風(fēng)積沙的潤(rùn)濕，休止角也逐漸增加[2]。

圖1 休止角-含水率曲線

對(duì)比風(fēng)積沙和石屑的休止角隨含水率變化可以發(fā)現(xiàn)：相比于石屑，風(fēng)積沙的休止角對(duì)含水率的變化更為敏感，在含水率低時(shí)增長(zhǎng)顯著。這主要是由于石屑內(nèi)部含有大量0.075以下的泥粉顆粒對(duì)水的吸附作用顯著，提高了石屑的塑限和液限，導(dǎo)致需要大量水潤(rùn)濕提高內(nèi)部顆粒間的作用力，休止角增長(zhǎng)緩慢。風(fēng)積沙的0.075以下顆粒含量非常少，且顆粒主要集中于0.075-0.3之間，潤(rùn)濕顆粒需水量小；顆粒之間松散堆積，顆粒間作用力微小，因此水的作用敏感性較高，較低水量即可對(duì)顆粒表面潤(rùn)濕起到顯著作用從而大幅提高風(fēng)積沙的休止角[3]。

對(duì)比圖1中不同配比的風(fēng)積沙和石屑的含水量與休止角之間的關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)：不同比例的風(fēng)積沙和石屑的含水量與休止角之間的關(guān)系曲線形狀并無(wú)明顯相似性。這主要是由于風(fēng)積沙和石屑的水敏感性呈現(xiàn)不同的區(qū)間作用變化。其中當(dāng)石屑:風(fēng)積沙為9:1，由于材料以石屑為主，最佳含水率點(diǎn)（約10%）主要受到石屑影響，而其中的風(fēng)積沙休止角水敏感性在10%附近時(shí)，出現(xiàn)顯著的第二休止角敏感點(diǎn)，因此體系的休止角（55.9°）要大于純石屑的休止角（50°）。與上述相類似，當(dāng)石屑:風(fēng)積沙為8:2，由于材料以石屑為主，最佳含水率點(diǎn)（約10%）主要受到石屑影響，而其中的風(fēng)積沙休止角水敏感性在10%附近時(shí)，出現(xiàn)顯著的第二休止角敏感點(diǎn)，同時(shí)由于石屑:風(fēng)積沙（8:2）組成的體系的級(jí)配良好，使得石屑:風(fēng)積沙（8:2）的休止角遠(yuǎn)大于石屑:風(fēng)積沙（9:1）。

隨著風(fēng)積沙的比例進(jìn)一步增加，石屑:風(fēng)積沙為7:3，材料雖仍以石屑為主，最佳含水率點(diǎn)主要受到風(fēng)積沙的影響，發(fā)生左移（7%），而風(fēng)積沙休止角水敏感性在5%-10%附近時(shí)，出現(xiàn)明顯的休止角度降低，因此體系的休止角（56.9°）要低于石屑:風(fēng)積沙（8:2）組成的體系。當(dāng)石屑:風(fēng)積沙比例增大到6:4，風(fēng)積沙的作用提高，體系的最佳含水率點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)生左移（6.5%），同時(shí)體系級(jí)配進(jìn)一步破壞，體系的休止角（53.8°）要低于石屑:風(fēng)積沙（7:3）組成的體系。當(dāng)石屑:風(fēng)積沙比例增大到5:5，體系內(nèi)的風(fēng)積沙為主，體系的最佳含水率點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)生左移（5%），同時(shí)體系石屑的休止角下降幅度遠(yuǎn)大于風(fēng)積沙休止角的增加幅值，因此體系的休止角（49.8°）要低于石屑:風(fēng)積沙（6:4）組成的體系。由上述可知：相同配比的物料，隨著含水率的增加，物料的休止角基本呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，不同配比的物料的休止角隨著風(fēng)積沙比例的增大，風(fēng)積沙對(duì)物料貢獻(xiàn)作用增加，導(dǎo)致休止角的突變點(diǎn)逐漸減小，含水率由10%減小到3%-6%，隨著風(fēng)積沙的比例增加，風(fēng)積沙對(duì)物料的作用進(jìn)一步增強(qiáng)，休止角峰值點(diǎn)逐漸左移。

3 工程應(yīng)用

水泥穩(wěn)定碎石基層沙漠地區(qū)，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：相同水泥劑量的無(wú)風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為平均值5.0MPa，代表值4.1MPa，最大值5.8MPa，最小值4.1MPa；等量替代石屑摻加風(fēng)積沙（石屑：風(fēng)積沙=8:2）的水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為平均值5.9MPa，代表值4.6MPa，最大值6.5MPa，最小值5.5MPa；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)摻加風(fēng)積沙的芯樣嵌擠密實(shí)，取芯完整性較好。通過(guò)對(duì)比得出：等量替代石屑摻加風(fēng)積沙（石屑：風(fēng)積沙=8:2）水泥穩(wěn)定碎石，比相同水泥劑量的無(wú)風(fēng)積沙水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度提高0.5MPa，約20%[4-5]。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究表明：（1）風(fēng)積沙顆粒組成較為單一，風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別為：0.5、1.3，屬于不良級(jí)配沙，且風(fēng)積沙的休止角具有雙峰性。（2）由于風(fēng)積沙的休止角的雙峰性，加之風(fēng)積沙和石屑對(duì)水的不同敏感性的雙重作用，導(dǎo)致隨著細(xì)集料復(fù)合體系內(nèi)部的風(fēng)積沙的比例增加，不同比例的風(fēng)積沙和石屑的含水量與休止角之間的關(guān)系曲線形狀并無(wú)非常顯著的相似性。（3）相同配比的風(fēng)積沙-石屑細(xì)集料復(fù)合體系，隨著含水率的增加，細(xì)集料復(fù)合體系的休止角基本呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，不同配比的風(fēng)積沙-石屑的休止角受風(fēng)積沙和石屑比例影響，隨著風(fēng)積沙的比例增加，風(fēng)積沙對(duì)細(xì)集料復(fù)合體系的作用進(jìn)一步增強(qiáng)，休止角峰值點(diǎn)逐漸左移。（4）細(xì)集料體系摻入20%風(fēng)積沙，水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度可提高0.5MPa。