基于振动法的砂岩质水泥稳定碎石力学性能研究*

马庆伟 杨晨光 郭 平

(西安公路研究院 西安 710065)

0 引 言

高速公路(底)基层多选用收缩性低、抗冲刷能力佳的水泥稳定碎石，碎石一般采用石灰岩.近年来，陕北地区由于国家环保要求，区域内大部分料场关停，石灰岩石料严重匮乏，而采用外运集料经济性不佳，考虑到本地区砂岩资源丰富，尝试采用砂岩应用于水泥稳定碎石(底)基层.砂岩是岩石经风化剥蚀、解体而成的碎屑沉积而成，主要含有石英、粘土等，具有密度较低、孔隙率相对较高、单轴抗压强度较小等特点，广泛用于特殊地区的路堤建筑材料.研究人员曾将红砂岩应用于国道323线、随(州)岳(阳)高速公路的边坡防护材料、将砂岩应用于达陕(万源～达州)高速底基层，均取得了良好的工程效果[1-4].陈晓斌等[5]从微观结构分析了砂岩作为路基填料时的剪切流变性；吕有盛等[6]结合湖南省红砂岩特性，提出红砂岩路基材料的施工要义；文素琴[7]结合衡枣高速公路，提出不同崩解等级下的砂岩路面施工要点.

传统的成型试件方法与实际基层结构的差异较大，而采用振动法成型的试件与实际芯样的力学相关性超过93%[8]，远高于静压成型方法的36%[9]，具有较高的可靠性.且不同地区砂岩的矿质组成及力学性质差异较大，而砂岩作为陕西省高速公路路面基层材料的工程应用尚属空白.鉴于此，本文采用垂直振动法成型试件，对陕北地区不同砂岩成型的水泥稳定碎石进行力学特性研究.

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1水泥

采用铜川市冀东水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，技术指标见表1.

表1 水泥技术指标

1.1.2集料

采用工程沿线分布的三处砂岩料场，选择砂岩A、砂岩B、砂岩C及石灰岩D，水泥稳定碎石集料的技术指标见表2.

表2 集料技术指标

1.1.3级配

砂岩水泥稳定碎石采用的级配见表3.

表3 砂岩水泥稳定碎石配合比

1.2 振动试验方法

1.2.1仪器及参数

采用振动试验仪成型高15 cm、直径15 cm的砂岩水泥稳定碎石试件.

振动试验仪的参数设置为：30 Hz振动频率，7.6 kN激振力，上车系统1.2 kN、下车系统1.8 kN.成型试件的压实度为98%[10].振动试验仪的结构见图1.

图1 振动试验仪

1.2.2试验方法

选用砂岩A、砂岩B、砂岩C三种砂岩以及3.5%，4.0%，4.5%三种水泥剂量，与水泥掺量为4.0%的石灰岩进行对比分析，分别成型水泥稳定碎石试件，其中，不同配合比的水泥稳定碎石试件需进行无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验及水稳定性试验，应各成型3组平行试件，试件的养生龄期分别为7,28,60,90和180 d.

1) 无侧限抗压试验 依据无侧限抗压强度试验方法，依照1 mm/min的速率对试件进行逐渐加载，确定试件的破坏压力P(kN)，通过破坏压力与试件截面积之比，确定砂岩水泥稳定碎石无侧限抗压强度.水泥稳定碎石试件的无侧限抗压强度应取三次平行试验的均值.

2) 劈裂抗拉试验 将两条劈裂条分别接触试件的顶部及底部，保证劈裂条中线与试件中线一致，并在试件上方劈裂条上面放置球形支座.以1 mm/min的速率加载试件，确定试件的破坏拉力P(kN).水泥稳定碎石试件的劈裂抗拉强度应取三次平行试验的均值，计算式为

(1)

式中：Ri为劈裂抗拉强度，MPa；d为直径，mm；a为劈裂条宽度，mm；α为一半劈裂条的宽度对应的圆心角，(°).

3) 水稳定性试验 劈裂抗拉强度的软化系数通常用于表征路面材料的水稳定性，故需进行试件饱水前后劈裂抗拉强度测定.试验养生龄期分别取7，28，60，90和180 d，饱水试件需浸水24 h，未饱水试件于自然环境下放置72 h，通过饱水与未饱水的劈裂抗拉强度之比确定饱水系数，研究水泥掺量、砂岩种类及龄期对混合料水稳定性影响.水泥稳定碎石试件的饱水系数应取三次平行试验的均值.

2 试验分析

2.1 抗压强度

2.1.1试验结果

通过变化砂岩水泥稳定碎石试件的养护龄期、水泥掺量及砂岩类型，分别进行7，28，60，90及180 d无侧限抗压强度试验，试验结果见表4.

表4 砂岩水泥稳定碎石抗压强度结果

2.1.2砂岩产地对试件无侧限抗压强度的影响

砂岩集料岩性相同，但是由于产地、碎石加工工艺等不同而导致其物理力学特性略有不同，制备水泥稳定碎石试件力学强度也有所差异.不同砂岩产地的试件7 d无侧限抗压强度试验结果见表5.

由表5可知：

表5 不同砂岩产地的试件无侧限抗压强度

1) 当矿料级配一定时，砂岩水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度与砂岩的含水率及饱水抗压强度相关.砂岩的含水率越低，其饱水抗压强度及抗压强度越大.

2) 不同产地的砂岩无侧限抗压强度均有差异，三种产地砂岩的含水率普遍高于石灰岩，饱水抗压强度显著低于石灰岩碎石，砂岩水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度明显小于石灰岩.这是由于产地不同导致的岩石矿质组成各异，微观矿质组成及含量的差异导致了对应的砂岩水泥稳定碎石强度不同，而石灰岩的主要矿物组成为方解石，与硅酸盐水泥成分相近，较砂岩更易与水泥浆形成牢固的化学过渡胶结层[11].

3) 水泥掺量取4.5%时，三种砂岩的最佳无侧限抗压强度均达到最大值.与采用砂岩A、砂岩B的砂岩水泥稳定碎石相比，采用砂岩C及4.5%的水泥成型的砂岩水泥稳定碎石具有最佳无侧限抗压强度.

2.1.3水泥掺量与无侧限抗压强度的关系

根据表4中试验结果，以砂岩A为例，绘制砂岩水泥稳定碎石无侧限抗压强度与水泥掺量的关系曲线，分析不同龄期及水泥掺量下的水泥增强因子，与石灰岩D的抗压强度进行分析对比，结果见下图2～3和表6.

图2 不同水泥掺量下砂岩A的无侧限抗压强度

图3 砂岩A、石灰石D的无侧限抗压强度

表6 砂岩A的水泥稳定碎石抗压强度水泥增强因子

由图2～3和表6可知：

1) 养护龄期一定时，水泥掺量与试件无侧限抗压强度呈现正相关.龄期一定时，无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线走势基本一致.

2) 对于水泥增强因子而言，当龄期一定时，随着水泥掺量的增长，水泥增长因子呈增大趋势.4.0%～4.5%水泥掺量下的水泥增长因子为3.5%-4.0%水泥掺量的6.6倍.当水泥掺量取4.0%-4.5%时，水泥增强因子为0.1～6.7%，平均增强因子为3.0%；当水泥掺量取4.0%-4.5%时，水泥增强因子为15.2～22.1%，平均增强因子为19.9%.

3) 相同水泥掺量条件下，砂岩试件的无侧限抗压强度低于石灰岩试件，石灰岩试件的抗压强度约为砂岩试件的1.7倍.

2.1.4养护龄期对砂岩水泥稳定碎石无侧限抗压强度的影响

选择砂岩A分别成型水泥剂量3.0%，3.5%，4.0%及4.5%的砂岩水泥稳定碎石试件，龄期取7，28，60，90和180 d.不同养护龄期下砂岩水泥稳定碎石的无侧限抗压强度见图4，强度随龄期的增长率见表7.

图4 砂岩A与石灰岩D的水泥稳定碎石无侧限抗压强度

表7 试件的无侧限抗压强度随龄期变化的增长率

由图4和表7可知：

1) 不同砂岩水泥稳定碎石的无侧限抗压强度均随养护龄期的增加而增长.

2) 28 d龄期时，砂岩A与石灰岩D的无侧限抗压强度增长率均为最大.28 d后试件无侧限抗压强度增长趋于稳定.

3) 水泥掺量为3.5%和4.0%的曲线几乎重合，该掺量范围内砂岩水泥稳定碎石无侧抗压强度增长速率缓慢，水泥掺量超过4.0%时，无侧限抗压强度快速增长.

2.2 劈裂强度

2.2.1试验结果

不同养护龄期、水泥掺量及砂岩类型下的饱水与非饱水砂岩水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度试验结果见表8～9.

表8 饱水试件劈裂抗拉强度

表9 未饱水试件劈裂抗拉强度

2.2.2砂岩产地对砂岩水泥稳定碎石劈裂抗拉强度的影响

不同集料岩性下水泥稳定碎石劈裂抗拉强度见表10.

表10 集料类型对水泥稳定碎石7 d劈裂抗拉强度影响

由表10可知，在矿料级配一定时，水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度与集料的饱水抗压强度成正比例关系，饱水抗压强度高的砂岩具有较大的劈裂抗拉强度.此外，砂岩水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度明显低于石灰岩水泥稳定碎石.这是由于不同产地的砂岩矿质组成不同物理及化学性质各异，导致对应的砂岩水泥稳定碎石劈裂抗拉强度各不相同[12-13].

2.2.3水泥掺量对砂岩水泥稳定碎石劈裂抗拉强度的影响

根据表8～10可知，选取砂岩A为代表，绘制水泥稳定碎石无侧限抗压强度与水泥掺量的关系曲线，见图5.不同水泥掺量下，砂岩试块与石灰石试块劈裂抗拉强度对比关系见图6.

图5 砂岩A水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度-水泥剂量

图6 砂岩A、石灰岩D水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度

由图5～6可知：

1) 同一龄期各混合料随着水泥剂量的增加劈裂强度呈现不同程度的增长趋势.

2) 对于相同水泥掺量的砂岩和石灰岩的混合料，在各个龄期石灰岩的劈裂强度均远大于砂岩的劈裂强度，这是由于砂岩的粘土含量远高于石灰岩，粘土裹覆在砂岩与水泥颗粒表面，降低水泥水化反应速度，阻碍岩石和水泥间黏结力的而形成，导致砂岩水泥稳定碎石强度低于石灰岩.

3) 饱水后砂岩和石灰岩试件的劈裂强度均呈现不同程度的下降，砂岩试件饱水后劈裂强度下降更显著，这是由于陕北地区沿线的砂岩的沉积和成岩时间较短，孔隙率和吸水率远高于石灰岩，导致本地区砂岩水泥稳定碎石的饱水抗压强度不佳.

2.2.4龄期对砂岩水泥稳定碎石的劈裂抗拉强度影响

水泥稳定碎石劈裂抗拉强度随龄期变化曲线见图7.

由图7可知，随着养护龄期的增加，不同水泥掺量下的水泥稳定碎石劈裂抗拉强度均逐渐增加，且28 d后强度增长趋势逐渐变缓.

图7 水泥稳定碎石劈裂抗拉强度-养生龄期关系

2.3 水稳性能

变化养护龄期、水泥掺量及砂岩类型，在劈裂抗拉强度测定的基础上，进行砂岩水泥稳定碎石的软化系数测定，结果见表11.

表11 劈裂抗拉强度软化系数

由表11可知：

1) 砂岩水泥稳定碎石的软化系数随龄期而变化，并存在极大值对应的养生龄期，该龄期下试件的饱水劈裂抗拉强度接近饱和.不同水泥剂量的软化系数极大值对应的龄期不同.

2) 砂岩试件在同一龄期同一水泥剂量下的软化系数与石灰岩试件有相同的变化趋势.

3) 对砂岩而言，吸水率和孔隙率对砂岩影响较大，对其混合料影响也很大，必须对砂岩的吸水率和孔隙率加以限制.

3 结 论

1) 相同的养生龄期下，石灰岩的抗压和劈裂强度均大于砂岩的强度，但砂岩水泥稳定碎石的力学性能符合规范中基层要求，可用于水泥稳定碎石基层的设计与施工.

2) 饱水过后的砂岩和石灰岩混合料的抗压和劈裂强度均呈现不同程度的下降，砂岩饱水后强度下降程度更显著.4.0%的水泥掺量是无侧限抗压强度随龄期变化的重要节点，水泥掺量低于4.0%的试件强度增长速度平缓，建议砂岩水泥稳定碎石的水泥掺量高于4.0%.

3) 随着养护龄期的增加，不同水泥掺量下的砂岩水泥稳定碎石劈裂抗拉强度均逐渐增加，且28 d后强度增长趋势逐渐变缓.

4) 砂岩水泥稳定碎石的软化系数随龄期而变化，并存在极大值对应的养生龄期，该龄期下试件的饱水劈裂抗拉强度接近饱和.不同水泥剂量的软化系数极大值对应的龄期不同.