水泥稳定三峡库区风化砂CBR值试验研究

杨　俊，刘世宜，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)



水泥稳定三峡库区风化砂CBR值试验研究

杨俊1,2，刘世宜1,2，张国栋1,2

(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)

以宜昌市三峡库区风化砂为研究对象，采用水泥对其进行稳定改良，拟用作公路路面基层。在风化砂中分别掺入3%，5%，7%，9%的水泥，在标准养护条件下，分别养护了7，14，21，28d，然后进行加州承载比(CBR)值试验。试验结果表明：水泥可以有效提高风化砂的CBR值，且水泥掺量和养护龄期均对风化砂的CBR值有很大影响；在养护龄期一定时，水泥稳定风化砂的CBR值随水泥掺量的增加逐渐增大，CBR值与水泥掺量之间呈良好的对数关系；在相同的水泥掺量下，水泥稳定风化砂的CBR值随养护龄期的增长稳步提高，CBR值与养护龄期之间基本呈线性关系。综合考虑经济性和风化砂的力学特性，风化砂中掺入7%的水泥能使CBR值达到最大值。

风化砂；CBR；水泥掺量；养护龄期；三峡库区

1　研究背景

岩石受大气、降水、生物等一系列因素的影响，会逐渐发生物理风化、化学风化和生物风化，最终形成风化砂。风化砂在我国大部分的山地、丘陵等地区分布十分广泛。由于各个地区岩层的原生矿物和所受自然环境影响不同，造成风化砂的特点不尽相同。但一般情况下，风化砂具有如下共同特点：风化砂自身强度较低，其颗粒表面常常伴随有微型裂缝，在粒径较大时容易破碎；风化砂大部分是由花岗岩风化而成的；砂颗粒没有规则的几何形状，造成风化砂自身颗粒变异性较大，颗粒之间极不稳定；各个地区的风化砂风化程度差异性很大，目前国内还没有统一的方法和标准对风化砂风化程度加以界定[1]。

由于风化砂整体稳定性和强度都较低，使得它在大多数情况下不能直接应用于工程建设。国内外很多学者对风化砂的强度进行了大量研究[2-4]。综合一些学者的研究成果可得出：由于风化砂具有显著的棱角，使得它能相互咬合紧密而产生一定的整体强度。如果加入适当的无机结合料，增强其黏聚性，则能大幅度提高其承载能力。湖北省宜昌市三峡库区分布着大量风化砂，一直以来未得到有效开采利用。随着三峡库区经济建设的发展，筑路材料的需求量越来越大。本研究拟在库区风化砂中加入适量水泥，用作库区道路基层。表征路用材料强度的指标有抗剪强度、无侧限抗压强度、CBR、回弹模量等。其中CBR值是路基、路面材料强度的最关键评价指标[5-8]。

本文以湖北省宜昌市夷陵区太平溪镇百岁溪处风化砂为研究对象，采用水泥对其进行稳定改良，研究了不同养护龄期、不同水泥掺量对水泥稳定风化砂CBR值的影响。在大量试验研究的基础上，建立了水泥稳定风化砂CBR值与水泥掺量及养护龄期间的数学模型，为水泥稳定风化砂用作公路路面基层提供一定的理论依据。

2　试验材料

2.1风化砂

2.1.1风化砂的级配组成

图1　风化砂颗粒组成分布Fig.1　Particle distribution of weathered sand

试验用风化砂取自湖北省宜昌市夷陵区太平溪镇百岁溪处。该风化砂由花岗岩风化而成，风化较严重，大颗粒在外力作用下易碎。其颜色呈黄褐色，颗粒粒径大小分布不均匀，形状不规则，棱角较明显，呈层状分布。室内实验风化砂的颗粒组成分布如图1所示。

2.1.2风化砂的基本物理性质

通过对风化砂进行天然含水率、含泥量测试，得到风化砂基本物理性质如表1所示。

表1　风化砂基本物理性质Table 1　Basic physical properties of weathered sand

从表1可知：风化砂不均匀系数Cu=10.21，曲率系数Cc=3.08，初步判定该风化砂为级配不良砂。

2.2水泥

本试验水泥采用宜昌市场上销售的32.5号普通硅酸盐水泥，水泥的各项基本指标见表2。

表2　水泥的各项物理试验指标Table 2　Physical test indexes of cement

该水泥的和易性、保水性、耐磨性、抗冻性等性质良好，表2中水泥的各项技术指标符合规范要求。

3　试验过程

试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTGE51—2009)和《公路土工试验规程》(JTGE40—2007)，拟定的水泥掺量分别为3%，5%，7%，9%，按如下步骤进行。

(1) 重型击实试验：首先根据室内重型击实试验，得出各个水泥掺量下水泥稳定风化砂的最佳含水率和最大干密度。

(2) 试件制备：根据步骤(1)中得出的最佳含水率，采用外掺法，喷洒每个试件所需的含水量，并拌合均匀，闷料一昼夜，然后加入所需的水泥质量和预留水分进行击实制样，每种水泥掺量制作3组试件，进行平行试验。

(3) 养护：每组试件在标准恒温恒湿养护间分别养护7，14，21，28d，养护完成并浸水4d。

(4)CBR试验：将浸水4d后的试件在路面强度测定仪上进行CBR贯入试验，试验完成后计算、处理试验数据。若贯入量为5mm的CBR值大于2.5mm的CBR值，试验应重做；若重做的CBR值仍然如此，则应采用5mm时的CBR值作为最终结果。其中CBR值的计算公式为

式中：CBR为加州承载比(%)；p为单位压力(kPa)。

4　试验结果分析

通过不同水泥掺量和养护龄期下水泥稳定风化砂的CBR试验研究，得到了各个掺量和养护龄期下的CBR值，试验结果见表3。

表3　不同水泥掺量和养护龄期下水泥稳定风化砂CBRTable 3　CBR values of cement-stabilized weathered sandunder different cement contents and curing ages

根据表3中的试验结果，以水泥掺量为横坐标、CBR值为纵坐标，可以得到在养护龄期一定时，水泥稳定风化砂CBR值与水泥掺量之间的关系曲线，如图2所示。

图2　水泥稳定风化砂CBR与水泥掺量之间关系曲线Fig.2　Curves of CBR value of cement-stabilized weathered sand vs.cement content

由图2可知：

(1) 水泥可以显著提高风化砂的CBR值，在养护龄期一定时，水泥稳定风化砂的CBR值随水泥掺量的增加迅速增大。不同龄期水泥稳定风化砂，其CBR值随着水泥掺量变化的曲线线型基本一致。

(2) 当水泥掺量由3%增加到9%，在养护龄期分别为7，14，21，28d的情况下，水泥稳定风化砂的CBR值均增长了大约1倍。在各不同养护龄期下，当水泥掺量由3%增长到5%时，CBR值的增长幅度在30%左右；当水泥掺量由5%增长到7%时，CBR值的增长幅度约50%；当水泥掺量由7%增长到9%时，CBR值的增长幅度约20%。由此可以看出：虽然掺入9%的水泥会使CBR值更大，但增长的幅度却明显下降，而且水泥用量越多，收缩性会越强，使得水泥稳定风化砂出现干缩裂缝。综合考虑经济性以及水泥稳定风化砂的收缩特性，最佳的水泥掺量宜控制在7%。

根据表3中的试验结果，以养护龄期为横坐标、CBR值为纵坐标，可以得到在水泥掺量一定时，水泥稳定风化砂CBR值与养护龄期之间的关系曲线，如图3所示。

图3　水泥稳定风化砂CBR与养护龄期之间关系曲线Fig.3　Curves of value of CBR of cement-stabilized weathered sand vs.curing period

由图3可以看出：

(1) 养护龄期对水泥稳定风化砂的CBR值影响较为显著，其CBR值在龄期7～28d内基本呈线性增长，可见，对于水泥稳定风化砂，适当延长养护龄期可以显著提高其CBR值。

(2) 当水泥掺量一定时，随着养护龄期的增长，水泥稳定风化砂的CBR值有了明显的增大。当养护龄期由7d增大到28d，水泥掺量为3%时，CBR值增长了50%；水泥掺量为5%时，CBR值增长了54%；水泥掺量为7%时，CBR值增长了67%；水泥掺量为9%时，CBR值增长了76%。由此可见，在相同养护龄期下，随着水泥掺量的增加，水泥稳定风化砂的CBR值增长幅度也逐渐增大。

(3) 在相同的水泥掺量下，水泥稳定风化砂的CBR值在养护龄期由7～14d之间的增长幅度最大。产生这一现象的主要原因是由于水泥的早期强度增长往往较快所致。

5　水泥稳定风化砂CBR值数学模型分析

图4　水泥稳定风化砂CBR与水泥掺量拟合曲线Fig.4　Fitting curves of CBR value of cement-stabilized weathered sand vs.cement content

通过上述试验以及对试验结果的分析，可以建立起水泥稳定风化砂CBR值的相关数学模型。

在养护龄期相同时，通过将水泥稳定风化砂的CBR值与水泥掺量进行拟合，可知水泥稳定风化砂的CBR值与水泥掺量之间呈现良好的对数关系，如图4所示。

水泥稳定风化砂CBR值与水泥掺量之间的数学表达式为

CBR=Alnx+B。

(1)

式中：A，B为对数拟合参数，其值见表4；x为水泥掺量(%)。

表4　水泥稳定风化砂CBR值与水泥掺量对数拟合参数Table 4　Logarithmic fitting parameters of CBR value ofcement-stabilized weathered sand and cement content

图5　水泥稳定风化砂CB与养护龄期拟合曲线Fig.5　Fitting curves of CBR value of cement-stabilized weathered sand vs.curing period

由表4可以看出，该表达式能较好地反映水泥稳定风化砂CBR值与水泥掺量之间的函数关系。

通过观察图3，可以看出：在水泥掺量一定时，水泥稳定风化砂的CBR值与养护龄期之间基本呈线性关系，因此，可以将其CBR值与养护龄期用线性函数表示，如图5所示。

其线性关系表达式为

CBR=am+b。

(2)

式中：a，b为线性拟合参数，其值见表5；m为养护龄期(d)。

表5　水泥稳定风化砂CBR值与养护龄期线性拟合参数Table 5　Linear fitting parameters of CBR value ofcement-stabilized weathered sand and curing period

由表5可以看出，该表达式能较好地反映水泥稳定风化砂CBR值与养护龄期之间的函数关系。

6　结　论

通过不同水泥掺量和养护龄期下水泥稳定风化砂CBR的试验研究，可以得出以下结论：

(1) 水泥可以显著提高风化砂的CBR值，在不同养护龄期下，随着水泥掺量的增加，水泥稳定风化砂的CBR值均迅速增大，且水泥稳定风化砂的CBR值增长幅度也逐渐增大，综合经济性和力学特性考虑，最佳水泥掺量应控制在7%。

(2) 在相同的水泥掺量下，水泥稳定风化砂的CBR值在养护龄期由7～14d之间的增长幅度最大。

(3) 养护龄期对水泥稳定风化砂的CBR值影响较为显著，CBR值在龄期7～28d内基本呈线性增长。

(4) 水泥稳定风化砂CBR值与水泥掺量之间呈良好的对数关系；水泥稳定风化砂CBR值与养护龄期之间呈良好的线性函数关系。

[1]杨万里. 花岗岩风化料路用性能应用研究[D]. 西安：长安大学，2008.

[2]于凤强，陈洪团，王发丽，等. 水泥稳定风化料掺碎石的工程应用[J].公路交通科技(应用技术版),2012, (8)：82-84.

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(编辑：黄玲)

Experimental Study on CBR Value of Cement-treated Weathered Sandof the Three Gorges Reservoir

YANG Jun1,2，LIU Shi-yi1,2，ZHANG Guo-dong1,2

(1.CollaborativeInnovationCenterofGeologicalHazardsandEcologicalEnvironmentinThreeGorgesAreainHubeiProvince,Yichang443002,China；2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

TheweatheredsandfromtheThreeGorgesReservoirinYichangcitywasstabilizedbycementandwasusedforhighwaypavementbase.Weatheredsandwasmixedwith3%, 5%, 7%, 9%cement,respectively,andmaintainedfor7days, 14days, 21days,and28daysunderstandardcuringcondition,andthentestontheCaliforniabearingratio(CBR)valueofthetreatedweatheredsandwascarriedout.ExperimentalresultshowsthatcementcaneffectivelyimprovetheCBRvalueofweatheredsand,andcementcontentandcuringagebothhavegreatinfluenceontheCBRvaluesofweatheredsand.Underthesamecuringage,theCBRvalueofcement-treatedweatheredsandincreaseswiththegrowthofcementdosagegradually.CBRvalueandcementdosageshowsgoodlogarithmicrelation.Underthesamedosageofcement,theCBRvalueofcement-treatedweatheredsandincreaseswiththegrowthofcuringagesteadily,andtherelationshipbetweenCBRvalueandcuringageislinear.Incomprehensiveconsiderationofeconomyandmechanicalpropertiesofweatheredsand,adding7%cementcouldmaximizetheCBRvalue.

weatheredsand；CBR；cementcontent；curingperiod；ThreeGorgesReservoir

2015-07-02；

2016-01-15

湖北省教育厅自然科学研究重点项目(D20131304)

杨俊(1976-)，男，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向为道路与桥梁工程，(电话)15971646394(电子信箱)wangjing750301@163.com。

10.11988/ckyyb.20150552

2016,33(09):98-101

TU443

A

1001-5485(2016)09-0098-04