水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石路用性能

於德美　吴志鸿　郭晓　张峰　邱仁辉

摘要：为推广凝灰岩在道路工程中的应用，采用凝灰岩机制砂替代细集料，设计混合料级配，通过击实实验确定水泥稳定碎石最佳含水量和最大干密度，并制备试件，测试混合料无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳性及抗冻性等路用性能。结果表明：3%和5%水泥用量的水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石可分别满足底基层和基层的强度要求;在较短龄期内，水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石无侧限抗压强度比水泥稳定天然集料的略高，劈裂强度相差不大，水稳系数接近;水泥用量对无侧限抗压强度影响显著。由此说明水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石总体性能满足道路基层使用要求。

关键词：水泥稳定基层;凝灰岩机制砂;无侧限抗压强度;劈裂强度;耐久性能

中图分类号：U414 文献标识码：A文章编号：1006-8023（2019）02-0099-08

Mixture of Graded Crushed Stone and Tuff Sands by Mechanical Extraction and its Application in Road Base Engineering

YU Demei 1， WU Zhihong 2， GUO Xiao 2， ZHANG Feng 2， QIU Renhui 1*

（1. College of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350108; 2. Strait Construction and Development Co.， Ltd.， Fuzhou 350000）

Abstract：In order to promote the application of tuff mines in road engineering， the performance of cement-stabilized mixture of tuff sands by mechanical extraction and graded macadam was investigated. The unconfined compressive strength （UCS）， cleavage strength， water stability and frost resistance of the mixture were tested and compared with those of fine aggregates. The optimum water content and maximum dry density of cement-stabilized macadam with tuff sands were determined by compaction experiments. Results showed that the 3% and 5 % cement stabilized tuff sands mixed with graded macadam could meet the strength requirements of the sub-base and the base course， respectively. The UCS of tuff sands mixture was slightly higher than that of the cement-stabilized natural aggregate in a short period. The cleavage strength had insignificant difference between those of tuff sands mixture and fine aggregates mixture， while the cement usage had significant effects on it. The coefficient of water stability of cement-stabilized tuff sands mixture was very close to that of the cement-stabilized natural aggregates. Therefore， the tuff sands mixture was feasible for application in road base engineering basically.

Keywords：Cement stabilized base; tuff sands by mechanical extraction; unconfined compressive strength; cleavage strength; durability

0引言

凝灰岩是一种分布广泛的细粒火山碎屑岩，在东南沿海地区储量丰富。凝灰岩机制砂在混凝土中的应用已有研究 [1-2]，Messaouda等 [3]研究通过选用钙质凝灰巖代替天然河砂来进行混凝土试验，验证了钙质凝灰岩配制混凝土的可能性。Liguori等 [4]论证了采用凝灰岩配置环境友好型胶凝材料的可行性。李响等 [5- 6]对凝灰岩混凝土强度形成机理进行研究，结果发现凝灰岩对复合胶凝材料抗压强度的贡献更多体现在水化初期。温小栋等 [7]对凝灰岩机制砂混凝土抗硫酸盐侵蚀性能及机理进行了研究，但目前鲜有凝灰岩机制砂在道路工程应用方面的研究。水泥稳定类材料具有一定的强度及较好的承载力和疲劳性能，因此在道路基层中得以广泛应用 [8-10]，但其易产生裂缝 [11-12]，并最终引发路面的反射裂缝 [13-14]。北方地区的昼夜温差和季节温差对水泥稳定碎石材料有直接的影响 [15]，容易发生冻融破坏 [16]。而道路建设需耗用大量石料，若能利用凝灰岩岩质、成分及物理化学特性，将其开发成为建筑材料，代替部分天然细集料，不仅可以达到缓解天然集料紧缺的状况，还起到节约资源、节能减排的作用，经济效益和社会效益显著。鉴于此，本文对水泥凝灰岩机制砂稳定类材料性能进行研究，采用凝灰岩机制砂替代细集料制备混合料，通过测试混合料的击实特性、无侧限抗压强度、劈裂强度、水稳定性及抗冻特性，评估其在道路基层中应用的可行性。

1原材料及配合比组成设计

1.1原材料

普通硅酸盐水泥（安徽海螺牌P.O 42.5）化学成分见表1，技术指标见表2。粗集料为花岗岩，细集料分别为凝灰岩机制砂和天然砂。凝灰岩机制砂技术指标见表3。

凝灰岩XRD物相检测如图1所示，由图1可知凝灰岩的矿物成分主要有石英（SiO2）、钾长石（K2O·Al2O3·6SiO2）、钠长石（NaAlO2·3SiO2）、硅酸铝盐（Al2Si2O5（OH）4）。凝灰岩放大一万倍的形貌（SEM）状态如图2所示，由图2可知，凝灰岩结构为层片状结构。能谱分析如图3所示。由图3可知该凝灰岩的化学元素有Si、O、Al、Na、K、Ca、Mg、Fe等。

1.2材料组成

对水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石基层材料进行级配设计 [17]，对照组采用相同级配的天然细集料，级配组成如图4所示。

2击实实验

2.1试验方案

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 [18]，选用水泥剂量为3%、4%、5%、6%的混合料进行击实试验，实验方案见表4。

2.2确定最佳含水量和最大干密度

对试样进行称重并测定含水量，绘制试样干密度与水泥剂量、含水率关系曲线图（图5）。

根据干密度与含水量拟合曲线（图5）确定最佳含水量与最大干密度，并确定后续试验的配合比，结果见表5。

击实试验结果表明：对于相同水泥剂量的混合料，水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石最佳含水量总体上大于水泥稳定天然集料的，这是因为凝灰岩机制砂的吸水率较大所导致的;但水泥稳定凝灰岩混合料最大干密度略小于水泥稳定天然集料的，这是由于凝灰岩机制砂表观密度较小。随着水泥剂量的增加，水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石和水泥稳定天然集料级配碎石两种混合料的最大干密度和最佳含水率也随之增加。

3力学性能及耐久性能

根据击实试验所确定的集料混合料的最佳含水量和最大干密度，制备试样，开展水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石路用性能试验研究。

3.1力学性能

以7d无侧限抗压强度为指标，评价水泥稳定凝灰岩机制砂碎石基层的力学强度;以劈裂强度为指标验证道路稳定基层抗应力收缩能力。

3.1.1无侧限抗压强度

静压成型150 mm×150 mm圆柱形试件，按照规范要求进行养生处置;测试水泥试样7、14、28 d无侧限抗压强度。计算水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石7、14、28 d无侧限抗压强度，试验结果如图6所示。

由图6试验结果可知：3%水泥剂量的试样力学强度可满足底基层要求;5%水泥剂量的可满足基层强度要求 [17]。在较短龄期内，凝灰岩水泥试样的7、14 d无侧限抗压强度总体上比水泥稳定天然集料的略高;28 d龄期的凝灰岩试样力学强度略低于天然砂试样;水泥剂量对无侧限强度有显著影响，相同级配下，随着水泥剂量的增加，两组试样的无侧限抗压强度均不断增加;两组混合料无侧限抗压强度均随龄期而增长，且前期增长速率较快，后期增长速率减慢，说明水泥稳定基层强度主要在前期形成，7、14、28 d的强度增长率逐渐趋缓。

3.1.2劈裂强度

水泥稳定碎石基层在车辆荷载和温湿度变化的长期作用下，容易出现开裂现象，破坏了基层的整体性，还容易造成面层的反射裂缝。衡量水泥稳定碎石抗弯拉强度常采用弯拉试验和劈裂试验，劈裂试验程序较简单，本研究采用劈裂强度来衡量基层的抗弯拉性能。试验前将养生7、14、28 d的试件饱水24 h后用路面材料强度试验仪测量其劈裂强度，试验结果如图7所示。

水泥稳定碎石混合料劈裂强度均随龄期而增长，且前期增长速率较快，后期增长速率趋慢，说明水泥稳定级配碎石的劈裂强度主要在前期形成，7、14、28 d后的强度增长率逐渐趋缓。随着水泥剂量增加，劈裂强度增大，不同水泥剂量的试件各齡期强度差值很大，证实水泥剂量的提高对试件劈裂强度的增大影响显著。结合无侧限抗压强度试验结果可知，水稳试件劈裂强度伴随无侧限抗压强度的增大而增大，但并非呈严格的对应关系，两者随龄期增大的规律性不显著。由各龄期无侧限抗压强度及劈裂强度各段斜率可以看出，在7～14 d期间，两者的增长率均较高，14 d以后增长速度趋缓，各阶段劈裂强度增长率与无侧限抗压强度增长率无显著对应关系，这也说明劈裂强度不能单纯由无侧限抗压强度表征。

3.2耐久性能

3.2.1水稳性

试验采用静压方式成型150 mm×150 mm圆柱形试件，在标准条件下养生7、28 d后采用1 d饱水、2 d风干的循环方式进行5次干湿循环，最后饱水24 h进行抗压试验。用于对比试验的非干湿循环试件，在到达龄期的前一天先饱水一昼夜后测定其抗压强度。水稳定性试验采用水稳定性系数表示，按公式（1）进行计算，结果如图8所示。

S=P1P2 。（1）

式中： S 为水稳定系数，%; P 1为试件干湿循环后的饱水强度，MPa; P 2为未经干湿循环试件的饱水强度，MPa。

相同水泥剂量的混合料经过5次干湿循环后，龄期7 d的凝灰岩试样水稳系数比水泥稳定天然集料的略高。随着水泥剂量的增加，其水稳系数增加。这是因为混合料与水接触时，水泥水化产物与集料的粘结强度降低，导致了水稳系数下降（小于1）。随着水泥掺量增加，28 d龄期的混合料水稳定系数与7 d变化规律相似，均随着水泥掺量的增加不断增大，水泥稳定凝灰岩级配碎石水稳系数与水泥稳定天然集料非常接近。

3.2.2冻稳性

基层冻稳性按规范 [18]进行试验，按照确定的最佳含水量和最大干密度制作试件。将标准养生28 d的试件饱水24 h后，放入零下20 ℃低温箱内冰冻16 h取出，测量试件高度及质量;再将试件放入20 ℃水槽中保温8 h，取出擦干试件后测量高度及质量，此为一次冻融循环;经过5次冻融循环后计算饱水抗压强度与未经冻融循环的试件饱水抗压强度的比值;试验结果采用冻稳系数（ BDR ）评价，如公式（2）所示。

BDR=（RDC/RC）×100。 （2）

式中： RDC、RC 分别为试件经冻融循环后和未经冻融循环的饱水抗压强度，MPa。

各水泥剂量水泥稳定碎石材料28 d冻融循环后，强度出现损失，28 d冻融强度损失率为2.8%～4.9%，但满足规范抗冻性的要求。造成这种现象的原因是水泥水化速率受温度影响较为显著，低温环境下水化反应减缓，当循环周期内环境温度升高时，材料内部水化速率开始提升;试件经过28 d养生后，内部的水化反应已经基本完成，后续强度增加不明显，因此经过5次冻融循环后强度会出现损失。在规定的试验条件下，基层材料的抗冻性取决于孔隙形状及含水率等，与天然集料相比较，水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石抗冻性差别不大，能够满足基层混合料的抗冻性要求。

4结论

（1）在相同水泥剂量时，水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石最佳含水量总体上大于水泥稳定天然集料，最大干密度也比水泥稳定天然集料的小，且随着水泥剂量的增加，两种混合料的最大干密度和最佳含水率增加。

（2）3%水泥剂量和5%水泥剂量的水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石可分别满足底基层和基层的强度要求。

（3）在较短龄期内，水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石无侧限抗压强度总体比水泥稳定天然集料的略高些，但劈裂强度相差不大。水泥剂量对基层材料力学性能有显著影响，在同一配比情况下，随水泥剂量的增加，无侧限抗压强度和劈裂强度增加。

（4）水泥稳定凝灰岩机制砂级配碎石水稳系数与水泥稳定天然集料接近，各水泥剂量28 d冻融强度损失率为2.8%～4.9%，满足基层混合料的水稳性和抗冻性设计要求。

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