二灰稳定风化砂无侧限抗压强度试验研究

杨 俊，朱昌威，张国栋

(1.三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)

1 研究背景

风化砂是地表岩层风化过程中的中间产物，其耐久性较一般土料差，物理力学性质较不稳定，其强度较弱，因此不能直接作为路用材料，必须经过改良。常用的改良方法有物理机械改良和化学改良，实践工程中以化学改良为主，常用的化学改良剂有石灰、水泥和二灰等，而仅采用水泥进行改良，虽能满足强度要求，但不够经济。单一采用石灰进行改良，又不能满足水稳定性的要求。参照前人研究的成果［1－7］，采用二灰对风化砂进行改良，不仅价格低廉，施工简便，水稳定性也较好，而且二灰稳定材料作为路面基层具有很高的抗压强度和刚度，还具有一定的抗弯拉强度，随龄期的增长而不断增大，使得上面层所受弯拉应力较小，从而提高了面层抵抗行车荷载疲劳破坏的能力，针对二灰改良风化砂的这些优点，本研究采用二灰对风化砂进行改良。

二灰稳定风化砂作为一种无机结合料稳定材料，无侧限抗压强度是衡量其强度的重要指标之一，也是目前道路基层强度设计中最常用的指标，研究其无侧限抗压强度具有重要的意义。影响二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的因素很多，但究其主要因素有二灰比例、石灰掺量和龄期［8－14］。因此，本文通过研究不同比例、不同石灰剂量及不同龄期下二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度，得到二灰比例、石灰掺量及龄期对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响规律，为二灰稳定风化砂在公路工程中的应用提供理论依据。

2 二灰稳定风化砂强度形成原理

二灰稳定风化砂强度的形成因素包括2个方面:

(1)风化砂颗粒间的内摩阻力和嵌挤力。在二灰稳定风化砂无侧限抗压试件成型的初期，二灰混合料还未发生化学反应，其强度主要由风化砂颗粒所组成的骨架来形成。由于风化砂颗粒棱角分明，且风化砂颗粒有一定的硬度，颗粒之间的相互嵌挤咬合作用以及砂粒自身的硬度，构成了二灰稳定风化砂的早期强度。

(2)石灰的碳化和结晶作用。石灰和粉煤灰发生的火山灰作用，导致二灰结合料及其矿料之间产生粘结力——随着试件的进一步养护，混合料之间发生一系列的化学反应，使得混合料结合更加紧密。首先是石灰中的Ca(OH)2在水中产生电离作用，放出热量，导致温度升高，电离度加大，产生越来越多的Ca2+，为后续化学反应的进行提供了基础。当试件水分蒸发时，石灰溶液中的Ca(OH)2会发生溶解的逆反应，形成Ca(OH)2结晶体，这种结晶体会将风化砂颗粒胶结在一起，使混合料能产生一定的强度。Ca(OH)2与空气中的CO2反应，生成强度和稳定性都较高的CaCO3，进一步增强了混合料的强度。随着养护龄期的增长，石灰和粉煤灰在这一过程中发生一系列化学反应，石灰中的氢氧化钙与粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等相互作用，并在水的作用下发生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙等胶凝物质，并与风化砂胶结，经过硬化，达到一定的强度。

3 试验材料及方案

3.1 试验材料

3.1.1 风化砂

试验用风化砂取自湖北省宜昌市百岁溪大桥附近，为黑云母石英闪长岩风化而成，颗粒呈棱角状，具有很强的憎水性，固结也较快。经测定，其天然含水率为3.84%，含泥量为2.24%。对该风化砂进行了颗粒分析、重型击实等试验，最佳含水率为6%，最大干密度为1.9 g/cm3，其中粒径大于2 mm的颗粒含量为62.18%，粒径在0.075～2 mm之间的颗粒含量为35.59%，粒径小于0.075 mm的颗粒含量为2.24%，不均匀系数 Cu为10.21，曲率系数 Cc为3.08，得到的颗粒分析曲线如图1所示。

图1 试验用风化砂的颗粒曲线Fig.1 Particle gradation curve of test weathered sand

从图1可以看出，该风化砂的粒径累计曲线较陡，说明粒径大小相差不多，颗粒比较均匀，综合其不能同时满足不均匀系数≥5和曲率系数在1～3之间这2个条件，可知该风化砂的级配不良。

3.1.2 石 灰

本试验所用石灰取自湖北宜昌地区，试验前均已烘干，其中有效氧化钙和氧化镁含量为83.6%，氧化镁含量为4.7%，未消化残渣含量过5 mm圆孔筛的筛余量为11.8%，根据石灰技术标准(GB1594—79)可知，该石灰属于钙质Ⅱ级生石灰，符合《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)中二灰混合料中对石灰材料的使用要求。

3.1.3 粉煤灰

本试验所用粉煤灰取自湖北宜昌地区某电厂，该粉煤灰中二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁的总含量为76.3%，烧失量为7.4%，比表面积为2 654 cm2/g，其各项指标均满足《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)的要求。

3.2 试验方案

3.2.1 风化砂和石灰、粉煤灰比例的选定

二灰比为石灰与粉煤灰的干重之比，根据《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034—2000)规定，采用二灰混合料做基层或底基层时，二灰比可用1∶2～1∶4，因此本试验研究采用的二灰比为1∶2，1∶3，1∶43种。二灰混合料的配合比以石灰掺量(2%，4%，6%，8%)为基础，配以以上3种不同的二灰比，共12种配合比(石灰、粉煤灰、风化砂与混合料总干重之比的和为100%)。

3.2.2 无侧限抗压强度试验

取具有代表性的风干风化砂若干，过10 mm筛后，测定其风干含水率［15］。试件尺寸为ø100 mm×100 mm的圆柱体，其压实度为100%，控制干密度为1.9 g/m3，含水率为6%，根据这些参数计算出每个试件所需风干风化砂的质量，以及石灰、粉煤灰的质量。将称量好的风化砂、石灰、粉煤灰拌和均匀，再加水配至控制含水率，焖料24 h。采用静压成型(本试验使用压力试验机)的方法制作试件，每种配合比成型6个试件。将制作好的试件用多层塑料袋密封后放入标准养护室中养护，养护龄期分别为7，14，21，28 d，养护方法及要求参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)。采用万能试验机对养护好的试件进行无侧限抗压试验，试验速率为1 mm/min，试验要求参照《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)。

4 试验结果及分析

对不同石灰剂量、不同二灰比及不同龄期下的二灰稳定风化砂进行了无侧限抗压试验，试验结果如表1所示。

4.1 龄期对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响

根据表1中的试验数据，绘制石灰剂量分别为2%，4%，6%，8%时不同二灰比下二灰稳定风化砂无侧限抗压强度与龄期之间的关系曲线，如图2所示。

从图2可以看出:

表1 二灰稳定风化砂无侧限抗压强度试验结果Table 1 Test results of unconfined compressive strength of weathered sand stabilized by lime－fly ash

图2 石灰剂量与二灰稳定风化砂无侧限抗压强度与龄期的关系曲线Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and age in the presence of different lime dosages

(1)二灰的掺入可较大程度地改善风化砂的无侧限抗压强度，对风化砂起到较好的稳定作用，且二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度值基本都能达到二级及二级以下公路基层或高速公路底基层的要求(规范规定养护7 d无侧限抗压强度值不小于0.8 MPa)。

(2)在某一确定的石灰剂量和同一二灰比下，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随龄期的增长而增大，但随龄期增大的速度有较大的差异。

石灰剂量为2%时，二灰比为1∶2和1∶3的二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度增大的速度随龄期的增长而减小，但二灰比为1∶4的二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度增大的速度随龄期的增大而增大。产生这一现象的主要原因是石灰剂量较小且石灰与粉煤灰比例较小时，相应掺入粉煤灰的总量也比较少，二者发生火山灰反应的速率相对也较慢，故随着龄期的增加，强度增长速度会逐渐减小。当石灰量少而粉煤灰掺量较多时，粉煤灰与石灰发生火山灰反应后，多余的粉煤灰中含有较多的的Ca2+还会继续与风化砂颗粒中的二氧化硅发生化学反应，产生胶凝性的硅酸钙，使得强度增长速率继续增大。

石灰剂量为4%时，3种二灰比下二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度增大的速度均随龄期的增长而减小。产生这种现象的主要原因是试件在4%的石灰掺量下，石灰、粉煤灰以及风化砂中的二氧化硅恰好能反应完全，后期基本不再发生化学反应。

石灰剂量为6%时，二灰比为1∶2和1∶3的二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度增大的速度随龄期的增长先减小后增大，这主要是因为石灰剂量较大时，粉煤灰相应的剂量也会较大，大量的粉煤灰包裹着石灰，阻止了石灰中的钙离子与二氧化硅发生化学反应，当石灰与粉煤灰发生火山灰作用，消耗掉相当大一部分粉煤灰之后，石灰与风化砂的接触面积增大，故强度的增长会表现出先减小后增大的现象。二灰比为1∶4的二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度增大的速度随龄期的增长而减小，产生这一现象主要是因为粉煤灰的含量很大，充分阻止了石灰与风化砂的接触，石灰与粉煤灰发生火山灰作用，产生一定的强度，但钙离子含量相应减少，反应速率会减慢，强度增长会变小。

石灰剂量为8%时，二灰比为1∶2的二灰稳定风化砂无侧限抗压强度增大的速度随龄期的增长先减小后增大(原因同上);二灰比为1∶3和1∶4的二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度增大的速度随龄期变化的规律一致，均先保持不变再减小。上述结果的主要原因是此时石灰和粉煤灰的剂量都很大，两种物质接触面较大，发生化学反应速率都比较一致，当石灰反应完后，多余的粉煤灰再与二氧化硅作用，此时钙离子含量较小，化学反应速率会很慢，故强度增长速率会减小。

4.2 二灰比对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响

当石灰剂量在2%～6%之间时，不同龄期下二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随二灰比的减小而增大;而当石灰剂量在8%时，不同龄期下二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随二灰比的减小先增大后减小。这是由于当石灰剂量较小时，随着二灰比的减小，二灰含量增加，混合料中风化砂含量虽减小但变化不大，风化砂压实形成的骨架强度基本不变，而二灰水化所生成的胶凝物增多，因而在此条件下二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随二灰比的减小而增大。当石灰剂量达到一定值时，随着二灰比的减小，二灰含量增加幅度较大，混合料中风化砂的含量减小幅度较大，由风化砂压实形成的骨架强度迅速减小。虽然二灰水化反应生成的胶凝物在增加，最初能弥补风化砂的减少及填充其空隙，但二灰比较大时，以致产生的胶凝物质所形成强度的增大幅度小于骨架强度的降低幅度，所以出现二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度在此条件下先增大后减小的现象。

4.3 石灰剂量对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响

当二灰比为1∶2和1∶3时，在同一龄期下，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随石灰剂量的增大而增大;但在二灰比为1∶4，养护龄期较短时，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随石灰剂量的增大先增大后减小，养护龄期较长时，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随石灰剂量的增大而增大。这是因为二灰比较大时，在同一石灰剂量下，粉煤灰的含量较大，能为火山灰反应提供更多的活性物质，这些活性物质的溶解需要一定的时间，火山灰作用将会持续很长时间，而在养护龄期较短时，其作用未能较好地体现出来，因而养护龄期较短时，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随石灰剂量的增加并不是一直增大，而是先增大后减小。

5 极差分析及方差分析

利用极差分析和多因素方差分析方法，以7，14，21，28 d二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度为考核指标，确定石灰剂量和二灰比这2种影响因素的显著程度和二灰混合料的最佳配合比。极差分析及方差分析结果分别见表2及表3。

表2 二灰稳定风化砂无侧限抗压强度数据极差分析结果Table 2 Result of range analysis on the data of unconfined compressive strength of weathered sand stabilized by lime-fly ash

从表2可以看出，在同一龄期下，石灰剂量的极差值均大于二灰比的极差值，且石灰剂量、二灰比两者的极差值均大于误差的极差值，说明误差对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响相对于石灰剂量和二灰比可以忽略，因此，石灰剂量是首要因素，二灰比是次要因素。当石灰剂量为8%，二灰比为1∶3时，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度最大，可以看出，该二灰稳定风化砂的最佳配比为8∶24∶68(石灰∶粉煤灰∶风化砂)，合理控制石灰剂量和二灰比是保证二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的重要手段。

表3中，F值表示F分布中统计量值，A表示石灰剂量，B表示二灰比。FA服从自由度为(3，6)的F分布，FB服从自由度为(2，6)的F分布。F分布中置信水平为95% 和 99% 的临界值:F0.01(3，6)=9.78，F0.05(3，6)=4.76，F0.01(2，6)=10.92，F0.05(2，6)=5.14。

一般F＞F0.01表示影响因素对试验结果的影响特别显著;F0.05＜F≤F0.01表示影响因素对试验结果的影响显著;F≤F0.05表示影响因素对试验结果的影响不显著。

从表3可以看出，在同一龄期下，石灰剂量对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响比二灰比对其的影响大。石灰剂量的F值随龄期的增长先增大后减小，在龄期为21 d时，其值最大，说明石灰剂量对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响先增大后减小，当龄期为21 d时，石灰剂量对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响最大。二灰比的F值随龄期的增大而减小，说明随着龄期的增长，二灰比对二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的影响逐渐减小。

表3 二灰稳定风化砂无侧限抗压强度数据方差分析结果Table 3 Result of multi-factor variance analysis on the unconfined compressive strength of weathered sand stabilized by lime-fly ash

6 结论

(1)经过二灰改良后，该风化砂的强度有明显的提高，已达到路用材料的强度要求，可将该风化砂用于高速公路和一级公路的底基层或二级及二级以下公路的基层中。

(2)在某一确定石灰剂量和相同二灰比下，二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度随龄期的增长而增大。

(3)在同一龄期下，影响二灰稳定风化砂无侧限抗压强度的首要因素是石灰剂量，次要因素为二灰比，但两者均对风化砂的强度影响显著，因此，合理选择石灰剂量和二灰比可保证二灰稳定风化砂的无侧限抗压强度。

(4)该二灰稳定风化砂的最佳配比为8∶24∶68，作为实际公路工程施工时的参考值。

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