龄期及水泥掺量对水泥稳定风化砂抗剪指标的影响

杨 俊， 杨 志， 张国栋， 唐云伟

（1.三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌443002；3.宜昌市交通运输局，湖北 宜昌 443002）

风化砂在我国西南山区广泛分布，是一种地表岩层风化过程的中间产物，其耐久性比一般土料差，物理力学性质也较不稳定，含有一定量的细土粒，颗粒内部通常含有一些微裂缝，在外力的作用下砂颗粒极易破碎，强度较低。但风化砂的透水性较好，破碎后的细小颗粒有一定的硬度和棱角，如果在风化砂中掺入一定量的结合料，则能产生一定的强度，达到公路路用的标准［1－2］。近年来，随着我国公路建设的蓬勃发展，西南山区新建道路越来越多，用于公路建设的原材料需求量也越来越大。由于山岭重丘地区道路建设条件复杂、运输困难、工业废渣少、天然砂砾储量少、级配碎石造价高等原因，导致公路原材料紧张。为了节约工程造价，解决资源紧张问题，道路建设可以考虑采用山岭重丘区储量丰富的风化砂。因此，研究风化砂在西南山区路面基层的应用对公路建设具有十分重要的意义［3－7］。

由于上述诸多原因，风化砂不能直接用作公路路面基层，必须先对其掺入外加材料进行稳定。工程中常用水泥、石灰或粉煤灰充当结合料对风化砂进行稳定。从目前道路施工的经验来看，若将风化砂用作路面基层，要获得理想的强度和稳定性，大多情况下应掺水泥作为结合料。采用水泥稳定风化砂用作道路路面的基层，尽管在工程上有所运用，但专门开展这方面的研究却很少。影响水泥稳定风化砂强度的因素有很多，如养护条件、温度、湿度、养护龄期等。路面基层是道路结构的主要承重层，抗剪强度指标是衡量承载力的关键指标之一。

本文拟采用水泥对湖北省宜昌市夷陵区太平溪镇百岁溪处的风化砂进行稳定，以提高其强度，并研究了养护龄期对水泥稳定风化砂抗剪强度指标的影响，重点分析养护龄期和水泥掺量对水泥稳定风化砂抗剪强度的影响规律，为西南山岭重丘区风化砂在公路建设中的应用提供参考依据。

1 试验原材料

本试验所用风化砂取自湖北省宜昌市夷陵区太平溪镇百岁溪，该风化砂特征为风化砂颜色呈土黄色，颗粒大小分布不均匀，棱角显著，粒径较大的砂颗粒表面有微小裂缝，受力容易破碎。经过室内颗粒分析实验，得出了风化砂的颗粒分布指标如下：砾粒组（粒径＞2mm）的质量分数为62.18%，砂粒组（粒径为2～0.0.75mm）的质量分数为35.59%，细粒组（粒径＜0.075mm）的质量分数为2.24%。

风化砂的基本物理性质如下：不均匀系数为10.21，曲率系数为3.08，大于3，因此判别该风化砂为级配不良砂；天然含水率为3.84%；含泥量为2.24%。

试验用水泥为市场上销售的普通硅酸盐水泥，它具有良好的和易性、保水性、耐磨性和抗冻性，其初凝时间不小于45min，终凝时间较长（6h以上）。

2 试验方案

整个试验过程参考文献［8－9］。首先将风干后的风化砂过2mm标准筛，并在105～110℃下烘干直至恒质量，然后在干燥器中冷却至恒温。其次，水泥稳定风化砂试样采用外掺法制样。根据室内重型击实试验得到最佳含水率和最大干密度，用喷壶喷洒一定质量的水，并预留2%的水，然后将配料置入密闭容器内闷料，一昼夜后，在闷料中加入所需水泥量以及预留的2%的水，并使混合料拌合均匀。制样时，根据其最大干密度称取预设质量的水泥稳定风化砂混合料，采用静压法制样，并将制好的试样放在标准恒温、恒湿养护箱内进行养护。

其中，每组混合料试样做3组平行试验，取其中最相近的2组数据的平均值作为最终的试验结果，水泥掺量为3%、5%、7%、9%，养护龄期分别为7、14、21、28d。为检验水泥稳定风化砂能否用作高等级公路的基层或底基层，特将不同掺量水泥稳定风化砂试样在标准条件下养生7d，然后进行无侧限抗压强度试验，其结果和重型击实试验结果见表1所列，表1中，wop为最佳含水率；ρdmax为最大干密度。

高等级公路底基层要求的无侧限抗压强度最小为1.5～2.5MPa，由表1可看出，水泥掺量为3%时，水泥稳定风化砂不能作为底基层；当水泥掺量为5%、7%、9%时，可作为底基层。

表1 水泥稳定风化砂的击实试验结果

3 水泥稳定风化砂抗剪强度指标分析

水泥稳定风化砂试样养护好后，通过室内直接剪切试验，得到了不同龄期和不同水泥掺量下，水泥稳定风化砂的黏聚力比内摩擦角，结果见表2所列。

表2 不同龄期和水泥掺量下水泥稳定风化砂的黏聚力和内摩擦角

由表2可看出，水泥掺量对水泥稳定风化砂的黏聚力有较大影响，对内摩擦角的影响不大。在相同的龄期下，水泥稳定风化砂的黏聚力比内摩擦角对水泥掺量更敏感。在水泥掺量一定时，水泥稳定风化砂的黏聚力随着龄期的增加而迅速增大。当水泥掺量均由3%增大到9%，在龄期为7d时，水泥稳定风化砂的黏聚力最终增长了65.93kPa；在龄期为14d时，黏聚力最终增长了71.28kPa；在龄期为21d时，黏聚力最终增长了58.25kPa；在龄期为28d时，黏聚力最终增长了66.65kPa。产生这种现象的原因是：水泥与水接触后自身会发生水化反应、离子交换反应等一系列的化学反应，生成强度较高的胶凝物质，当将水泥掺入风化砂时，这些高强度的胶凝物质会充斥在砂颗粒之间的缝隙中，促使砂颗粒之间的联系加强，强度提高，从而使风化砂的黏聚力迅速提高，而随着水泥掺量的增加，砂颗粒之间的联系更为紧密，颗粒间的作用力增大，黏聚力也会随着继续增大。

在相同的龄期下，随着水泥掺量的增加，水泥稳定风化砂的内摩擦角先增大后减小。其中，水泥稳定风化砂的内摩擦角均在水泥掺量3%～7%之间逐渐增大，在水泥掺量为7%时达到峰值，内摩擦角在水泥掺量7%～9%之间减小；这是由于砂颗粒有显著的棱角，当在其中逐渐掺入水泥时，水泥的水化作用会使颗粒间的联系增强，促使试样在剪切过程中砂颗粒之间的咬合作用增强以及砂颗粒表面的摩擦力提高，从而引起风化砂的内摩擦角增大。但是，当水泥掺量超过一定量时，会产生明显的干燥收缩，使试样表面产生裂缝，砂颗粒间的咬合作用减弱，从而导致风化砂的内摩擦角逐渐减小。

由表2可看出，龄期随水泥稳定风化砂的黏聚力影响效果不明显，而对内摩擦角的影响较为显著，说明水泥稳定风化砂的内摩擦角对龄期比黏聚力对龄期更为敏感。在相同的水泥掺量下，水泥稳定风化砂的黏聚力随着龄期的增长逐渐增大，速度较慢。在龄期为7～14d之间，黏聚力增长20kPa左右；在龄期为14～21d之间，黏聚力增长10kPa左右；在龄期为21～28d之间，黏聚力增长10kPa左右。这是因为水泥稳定风化砂强度的提高是水泥在一定温度、湿度条件下水化等一系列化学作用的结果，水泥的这些水化反应随着时间的推移而不断深入，并逐渐充斥于风化砂颗粒之间的缝隙中，使颗粒之间联系更为紧密，于是黏聚力也就随之不断增大。

当水泥掺量一定时，水泥稳定风化砂的内摩擦角随龄期的增加逐渐增大，速度先快后慢。在龄期为7～14d之间，内摩擦角增长了6°左右；在龄期为14～21d之间，内摩擦角增长了2.5°左右；在龄期为21～28d之间，内摩擦角增长了2°左右。这是由于水泥掺入风化砂中逐渐增大了砂颗粒之间的咬合作用及表面摩擦力，促使风化砂的内摩擦角迅速增大，但随着时间的推移，水泥含量逐渐减少，反应逐渐完全，导致水泥水化作用减缓，内摩擦角增长速度随之减慢。

通过莫尔理论，可以得到相同水泥掺量下，龄期对水泥稳定风化砂抗剪强度的影响。当水泥掺量一定时，水泥稳定风化砂的抗剪强度随着龄期的增长逐渐增大；当龄期一定时，随着水泥掺量的增加，水泥稳定风化砂的抗剪强度增大。由表2可以看出，随着龄期的增长，水泥稳定风化砂的黏聚力和内摩擦角均逐渐增大，根据莫尔－库仑方程τ＝σtanφ＋c可知，抗剪强度τ也逐渐稳步增大。

4 结 论

（1）试验研究表明：水泥可以显著改善风化砂的抗剪强度指标；随着水泥掺量的增加，水泥稳定风化砂的抗剪强度逐渐增大；同时，增加水泥稳定风化砂的养护龄期，也可以提高其抗剪强度。

（2）在相同的龄期下，由于水泥发生水化反应、离子交换反应等一系列的化学反应，生成强度较高的胶凝物质，使砂颗粒之间的联系加强，颗粒之间的咬合作用增大，使水泥稳定风化砂的黏聚力和内摩擦角随着水泥掺量的增加而迅速增大，当水泥掺量超过一定量时，产生明显的干燥收缩［10］，使试样表面产生裂缝，砂颗粒间的咬合作用减弱，从而导致风化砂的内摩擦角又逐渐减小。（3）当水泥掺量一定时，水泥水化反应随着时间的推移而不断深入，并逐渐充斥于风化砂颗粒之间的缝隙中，使颗粒更好地胶结在一起，从而使水泥稳定风化砂的黏聚力和内摩擦角随着龄期的增长而逐渐增大。

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