洞渣硬質(zhì)砂巖水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能研究

楊虎陳 晏 永

（1.云南云路工程檢測(cè)有限公司，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 653100）

1 引言

我國(guó)高速公路的設(shè)計(jì)和施工采用了“強(qiáng)基薄面”的思路，水泥穩(wěn)定碎石因其成本低、收縮性低、抗沖刷能力好等特點(diǎn)而被選作高等級(jí)公路基層，其所用碎石往往采用性能良好的石灰?guī)r。近年來，云南省高速公路逐步往金沙江流域及各類自然保護(hù)區(qū)建設(shè)，由于建設(shè)區(qū)域內(nèi)國(guó)家環(huán)保要求嚴(yán)格、區(qū)域礦料資源分布不均等情況，項(xiàng)目建設(shè)常常出現(xiàn)石灰?guī)r石料嚴(yán)重短缺的情況?？紤]到金沙江流域高速公路隧道比例大，隧道洞渣多為硬質(zhì)砂巖，本文嘗試在水泥穩(wěn)定碎石中應(yīng)用洞渣硬質(zhì)砂巖進(jìn)行研究，以解決施工過程中遇到的風(fēng)險(xiǎn)和困難。

砂巖是由各種砂粒膠結(jié)而成的沉積巖，主要是因其含有硅、鈣、黏土和氧化鐵。絕大部分砂巖由石英或長(zhǎng)石組成，具有密度低、孔隙率相對(duì)較高、單軸抗壓強(qiáng)度小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于特殊地區(qū)的路堤建筑材料。王孟華等曾將紅砂巖應(yīng)用于323國(guó)道線、隨（州）岳（陽(yáng)）高速公路的邊坡防護(hù)材料，取得了良好的工程效果。呂有盛等結(jié)合湖南省紅砂巖特性提出了紅砂巖路基材料的施工要點(diǎn)。文素琴結(jié)合衡棗高速公路提出了不同崩解等級(jí)下的砂巖路面施工要點(diǎn)。陳曉斌等從微觀結(jié)構(gòu)分析了砂巖作為路基填料時(shí)的剪切流變性。叢卓紅等采用Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)分析了水泥穩(wěn)定碎石路用性能指標(biāo)與原材料技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，提出了硬質(zhì)砂巖在水泥穩(wěn)定碎石中應(yīng)用的關(guān)鍵性指標(biāo)。

鑒于此，本文采用垂直振動(dòng)法成型試件，對(duì)云南金沙江流域地區(qū)不同隧道產(chǎn)洞渣砂巖成型的水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行力學(xué)特性研究，以期對(duì)工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 原材料

（1）水泥。《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F20-2015）中規(guī)定水泥穩(wěn)定碎石宜使用C32.5、C42.5兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥，其中初凝時(shí)間宜大于3h，終凝時(shí)間6～10h。本文所用水泥為云南某水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5），技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

（2）集料。采用高速公路沿線的3個(gè)隧道洞渣破碎場(chǎng)，選擇隧道A、隧道B、隧道C及路面標(biāo)自購(gòu)石灰?guī)rD，水泥穩(wěn)定碎石集料的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

（3）級(jí)配。水泥穩(wěn)定碎石采用C-B-3型配合比，各砂巖水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配見表3。

表3 水泥穩(wěn)定碎石配合比

2.2 振動(dòng)試驗(yàn)方法

（1）成型方式的選取。周勇研究了成型方式對(duì)混合料的性能影響，振動(dòng)成型能夠得到強(qiáng)度更高的水泥穩(wěn)定砂巖碎石混合料，振動(dòng)成型的試件與實(shí)際工程中的水泥穩(wěn)定碎石密度及排列方式更加接近。因此，本研究對(duì)水泥穩(wěn)定砂巖碎石混合料力學(xué)性能的研究采用振動(dòng)成型方式。

（2）儀器及參數(shù)。所用設(shè)備為ZY-4液壓振動(dòng)壓實(shí)成型機(jī)，水泥穩(wěn)定碎石試件尺寸高150mm、直徑150mm。振動(dòng)試驗(yàn)儀的參數(shù)設(shè)置為：振動(dòng)頻率30Hz、激振力7.6kN、上車系統(tǒng)1.2kN、下車系統(tǒng)1.8kN。成型試件的壓實(shí)度為98%。

（3）試驗(yàn)方法。選用A、B、C、D四種礦料，按合成級(jí)配以及3.0%、4.0%、5.0%三種水泥計(jì)量進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石拌制，并利用振動(dòng)壓實(shí)儀將其壓成標(biāo)準(zhǔn)試件后置于養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，測(cè)試前飽水浸泡1d，試件的養(yǎng)生齡期為7d、28d、60d、180d。

3 試驗(yàn)分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石的控制性指標(biāo)，它代表了水泥穩(wěn)定碎石的承載能力。本節(jié)對(duì)不同隧道出產(chǎn)洞渣砂巖（A、B、C、D）、不同水泥劑量（3%、4%、5%）拌制、成型后養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間（7d、28d、60d、180d）的水泥穩(wěn)定碎石標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

本節(jié)將分別從砂巖類型、水泥劑量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間三個(gè)方面分析其對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。如圖1所示，3%水泥劑量、7d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰?guī)rD的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別 為 3.0MPa、2.8MPa、3.0MPa、3.8MPa， 石 灰?guī)r的水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限強(qiáng)度最高，比砂巖高出27%～36%；5%水泥劑量、120d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰?guī)rD的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為 9.1MPa、8.4MPa、8.8MPa、10.4MPa，石灰?guī)r的水泥穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，比砂巖高出14%～24%，其他劑量和齡期的水泥穩(wěn)定碎石均呈現(xiàn)該規(guī)律。但隨著水泥劑量的加大和齡期的延長(zhǎng)，石灰?guī)r的增長(zhǎng)幅度逐漸減小，原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1）石灰?guī)r集料的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度高于洞渣砂巖，其在水泥穩(wěn)定碎石中提供的內(nèi)摩擦力更強(qiáng)，使砂巖水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度低于石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石。但隨著水泥用量的增加和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥穩(wěn)定碎石中的水泥充分水化，強(qiáng)度提高，巖性對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減小。

（2）砂巖的表面比較粗糙、孔洞較多，使其在相同粒徑范圍下比表面積更大，所需水量更高，在相同水泥劑量條件下水灰比更高，從而影響水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度，造成水泥穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度更低。

3.2 間接拉伸強(qiáng)度

間接拉伸強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石的主要指標(biāo)，其代表了水泥穩(wěn)定碎石的抗開裂能力。本節(jié)對(duì)上述水泥穩(wěn)定碎石標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 間接拉伸強(qiáng)度

本節(jié)將分別從砂巖類型、水泥劑量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間三個(gè)方面分析其對(duì)間接抗拉強(qiáng)度的影響。如圖2所示，3%水泥劑量、7d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰?guī)rD的間接拉伸強(qiáng)度分別為0.34MPa、0.28MPa、0.32MPa、0.38MPa，石灰?guī)r的水泥穩(wěn)定碎石間接拉伸強(qiáng)度最高，比砂巖高出12%～36%；5%水泥劑量、120d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰?guī)rD的間接拉伸強(qiáng)度分別為 0.92MPa、0.84MPa、0.91MPa、1.03MPa，石灰?guī)r的水泥穩(wěn)定碎石間接拉伸強(qiáng)度最高，比砂巖高出12%～23%，其他劑量和齡期的水泥穩(wěn)定碎石均呈現(xiàn)該規(guī)律。但隨著水泥劑量的加大和齡期的延長(zhǎng)，砂巖和石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石的間接拉伸強(qiáng)度趨于相同。砂巖能夠提供水泥穩(wěn)定碎石較好的間接拉伸強(qiáng)度，其原因主要有以下三點(diǎn)：

（1）水泥穩(wěn)定碎石混合料的間接拉伸強(qiáng)度主要由水泥水化產(chǎn)物提供，集料的強(qiáng)度對(duì)其影響有限，故集料類型對(duì)其影響明顯低于水泥劑量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

（2）砂巖的表面比較粗糙、孔洞較多。一方面，該特性使其在相同粒徑范圍下比表面積更大，所需水量更多，在相同水泥劑量條件下水灰比更高，從而影響水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度，造成水泥穩(wěn)定碎石的間接拉伸強(qiáng)度更低。另一方面，粗糙的表面在制約集料的相互錯(cuò)動(dòng)方面具有優(yōu)勢(shì)，但間接拉伸過程中主要考察的是水化產(chǎn)物與集料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，粗糙的表面反而制約了水化產(chǎn)物與集料表面的黏結(jié)強(qiáng)度。

（3）長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)后的砂巖水泥穩(wěn)定性更高，給試件內(nèi)部的水泥水化反應(yīng)提供了更充分的水，使其在長(zhǎng)齡期條件的間接拉伸強(qiáng)度與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石相近。

3.3 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量是水泥穩(wěn)定碎石的主要指標(biāo)，其是高速等級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。本節(jié)對(duì)上述水泥穩(wěn)定碎石標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓回彈模量進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 抗壓回彈模量

本節(jié)將分別從砂巖類型、水泥劑量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間三個(gè)方面分析其對(duì)抗壓回彈模量強(qiáng)度的影響。如圖3所示，3%水泥劑量、7d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰?guī)rD的抗壓回彈模量分別為 572MPa、537MPa、554MPa、591MPa，石灰?guī)r的水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量最高，比砂巖高出3%～10%；5%水泥劑量、120d齡期的砂巖A、砂巖B、砂巖C和石灰?guī)rD的抗壓回彈模量分別為2 178MPa、2 014MPa、2 103MPa、2 321MPa， 石灰?guī)r的水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量最高，比砂巖高出7%～15%，其他劑量和齡期的水泥穩(wěn)定碎石均呈現(xiàn)該規(guī)律。隨著齡期的增長(zhǎng)，各巖性、各水泥劑量的水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量不斷增長(zhǎng)，前期增長(zhǎng)較快，60d后的增長(zhǎng)趨于平緩。相同水泥劑量和養(yǎng)護(hù)齡期下的各巖性水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量不超過15%，差異較小，足以說明使用砂巖作為水泥穩(wěn)定碎石用集料并不會(huì)對(duì)路面設(shè)計(jì)厚度結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。在實(shí)際工程中可用水泥穩(wěn)定碎石計(jì)算的基層厚度進(jìn)行施工，無(wú)需重新調(diào)整設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）砂巖用于水泥穩(wěn)定碎石會(huì)使無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度下降，但可通過適當(dāng)增加水泥劑量獲得同等的承載力。（2）隨著養(yǎng)護(hù)試件的延長(zhǎng)，砂巖對(duì)水泥穩(wěn)定碎石造成無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度的影響會(huì)明顯減小，可推測(cè)在長(zhǎng)期性能方面與石灰?guī)r水泥穩(wěn)定碎石相當(dāng)。（3）砂巖對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量影響較小，在實(shí)際工程中，無(wú)需重新調(diào)整設(shè)計(jì)。（4）在砂巖水泥穩(wěn)定碎石的應(yīng)用過程中應(yīng)考慮最佳含水率對(duì)其干縮性能的影響，避免過高含水率造成實(shí)體工程大面積干縮開裂。