风积沙掺量对水泥稳定级配碎石力学性能与耐久性的影响

2020-06-18宋良瑞李百毅

硅酸盐通报 2020年5期

宋良瑞，李百毅

(1.四川建筑职业技术学院土木工程系，德阳 618000；2.西南交通大学，成都 610000)

0 引言

我国沙漠面积约34万km2，隔壁沙漠面积约116 万km2，沙漠戈壁接近占国土面积的16%，戈壁沙漠广泛分布在我国新疆、内蒙、甘肃等西部省区。近年来，在“一带一路”倡议和西部大开发战略的稳步推进下，我国西部地区快速崛起，根据我国西部大开发战略和内蒙、新疆、甘肃各省(自治区)沙漠地区公路远景发展规划，在“十三五”末期，我国高等级公路建设继续向沙漠、戈壁等区域推进，届时我国将修筑相当数量的沙漠公路。在沙漠地区修筑公路，优质填料极其匮乏，加之人烟稀少，后勤补给困难，远运筑路材料十分艰难，大大增加了工程造价[1-3]。风积沙作为一种特殊的筑路材料在沙漠区储量相当丰富，是沙漠地区修筑公路最重要的基础材料，也是修筑公路的最佳选择，将风积沙应用于沙漠地区公路建设具有低消耗、低排放、低污染、高效能、高效率、高效益等优势[4]。目前已有学者开展了大量有关风积沙填筑路基的试验研究，风积沙填筑路基的成套技术已经成熟。也有学者尝试将风积沙替代机制砂(河砂)应用于沙漠地区公路桥涵工程、路基路面和防护排水工程建设。董伟等[5]研究了0%～40%风积沙替代同质量河砂后水泥砂浆流动度和强度特性。董瑞鑫等[6]研究了风积沙掺量对混凝土孔隙特征和抗压强度的影响机理。李根峰等[7]研究了掺加风积沙对混凝土收缩变形性能的影响，结果表明，增大风积沙掺量导致混凝土收缩变形量逐渐增大。郭根胜等[8]研究了水泥稳定风积沙基层的抗剪切强度。总体而言，目前对掺风积沙水泥稳定级配碎石混合料基层的研究尚处于起步阶段，有关掺风积沙水泥稳定级配碎石混合料强度特性、力学性能、路用性能等研究较少，还没有形成技术指导规范，导致实体工程对风积沙替代填料应用于水泥稳定级配碎石混合料是否可行，以及用于水泥稳定级配碎石的上限风积沙掺量等问题仍有待解决。本文基于室内试验和实体工程验证，探讨了不同风积沙掺量对水泥稳定级配碎石混合料强度特性和耐久性能方面的影响，结合内蒙古锡林浩特盟某高速公路改建工程试验段跟踪检测，对修筑风积沙水泥稳定级配碎石基层有一定参考价值和指导意义。

1 实验

1.1 原材料

(1)水泥：选用四川成都周边生产的42.5号普通硅酸盐水泥，经检测水泥的初凝时间210 min，终凝时间395 min，28 d抗压强度47.8 MPa，烧失量1.21%，其余各项性能指标满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》规范要求。

(2)风积沙：来自中国四大沙漠之一的巴丹吉林沙漠，风积沙外观为淡黄色，呈松散状，堆积密度1.35 g/cm3，空隙率47%，含水率0.2%，细度模数0.64，含泥量1.9%，风积沙主要化学成分见表1，风积沙的最大粒径0.493 mm，筛分级配见表2。

表1 风积沙主要化学成分Table 1 Main chemical components of aeolian sand

表2 风积沙粒径级配Table 2 Particle size gradation of aeolian sand

(3)4.75～9.5 mm、9.5～20 mm两档粗集料为花岗岩破碎砾石，0～2.36 mm、2.36～4.75 mm两档细集料为机制砂，粗集料压碎值18.9%，针片状含量7.9%，0.075 mm以下粉尘含量小于1%，软石含量小于1%，细集料塑性指数12%，硫酸盐含量小于0.1%，有机质含量小于1%，颗粒筛分满足JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》(下文简称《细则》)要求。试验研究采用《细则》推荐的C-B-3骨架密实型水泥稳定级配碎石矿料级配(见表3)。

1.2 试验方案

试验采用相同矿料级配，将集料、风积沙逐档筛分后按照表3矿料级配要求，反算各筛孔的筛余量。风积沙以内掺形式参与合成级配，调整风积沙的掺配比例为0%、3%、6%、9%、12%(等质量替换0～3 mm细集料)，基于7 d龄期无侧限抗压强度试验确定不同风积沙掺量下水泥稳定级配碎石混合料的最佳水泥掺量，基于弯拉强度试验、单轴压缩模量试验、干缩试验、温缩试验、疲劳试验、抗冲刷试验和冻融试验综合评价风积沙掺量对水泥稳定级配碎石混合料力学性能和耐久性的影响规律，为沙漠公路用于水泥稳定级配碎石混合料的最大风积沙掺量提供依据[9-12]。

表3 水泥稳定级配碎石矿料级配Table 3 Mineral gradation of cement stabilized graded macadam

1.3 试验方法

试验时所有试件均在(20±2) ℃，相对湿度≥95%标准条件下养生至JTG E51—2009规定龄期。无侧限抗压强度试验采用φ150 mm×150 mm圆柱体试件，试验方法参照T0805—1994进行。弯拉强度试验采用550 mm×150 mm×150 mm大梁试件，试验方法按照T08051—1994进行。单轴压缩模量试验采用φ150 mm×150 mm圆柱体试件，试验按照JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》附录E进行。干缩试验环境箱温度20 ℃，相对湿度为60%，试件尺寸采用550 mm×150 mm×150 mm大梁试件，试验方法按照T0854—2009进行。温缩试验温度区间为60～-25 ℃，试件尺寸采用550 mm×150 mm×150 mm大梁试件，试验方法按照T0855—2009进行。疲劳试验采用0.5、0.6、0.7、0.8四个应力强度比，施加频率为10 Hz的连续Havesine波，试验方法按照T0856—2009进行。冲刷试验采用φ150 mm×20 mm圆柱体试件，动水冲刷峰值力为0.5 MPa，冲刷频率为10 Hz，冲刷时间30 min，试验方法参照T0860—2009。

2 力学性能

2.1 无侧限抗压强度

风积沙水泥稳定级配碎石混合料在不同水泥掺量下的7 d无侧限抗压强度试验结果见图1。

图1 不同风积沙和水泥掺量下水泥稳定级配碎石混合料7 d无侧限抗压强度Fig.1 7 d unconfined compressive strength of cement stabilized graded macadam mixture under different aeolian sand and cement content

由图1试验结果可知，(1)相同风积沙掺量下，水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度随着水泥掺量增大而线性增大，在相同水泥掺量条件下，风积沙水泥稳定级配碎石混合料无侧限抗压强度随风积沙掺量增大呈两阶段下降趋势，即0%～6%风积沙掺量范围内增大风积沙掺量，风积沙水泥稳定级配碎石无侧限抗压强度呈缓慢减小趋势，超过6%风积沙掺量后，无侧限抗压强度值随风积沙掺量增大而快速减小，水泥掺加3%、4%、5%、6%、7%条件下，风积沙掺量由0%增大至12%，风积沙水泥稳定级配碎石混合料的无侧限抗压强度值降低了55.3%、57.1%、48.6%、51.1%、55.3%，可见增大风积沙掺量会对水泥稳定级配碎石混合料无侧限抗压强度有显著的负面影响。(2)按照《细则》中高速公路路面基层水泥稳定级配碎石混合料7 d无侧限抗压强度大于4～6 MPa要求，对于掺加0%～6%风积沙水泥稳定级配碎石混合料，水泥掺量达到4%时即可满足，而掺加9%、12%风积沙后，要达到《细则》最小设计强度4.0 MPa，水泥掺量应不小于5%和6%，为了方便对比研究，下文中不同风积沙掺量下的水泥掺量均取6%。

2.2 弯拉强度

弯拉强度试验结果见图2。图2表明，随着风积沙掺量增大，风积沙水泥稳定级配碎石的弯拉强度呈二次函数关系递减，拟合优化度R2大于0.95。风积沙掺量由0%增大至12%，水泥稳定级配碎石混合料弯拉强度由2.34 MPa降低至1.42 MPa，降低幅度达39.3%。在0%～9%风积沙掺量下，风积沙水泥稳定级配碎石混合料的弯拉强度满足JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》水泥稳定粒料类弯拉强度1.5～2.0 MPa设计推荐值，而风积沙掺量达到12%后水泥稳定级配碎石的弯拉强度小于1.5 MPa，可见过多的风积沙掺量将严重劣化水泥稳定级配碎石混合料的弯拉强度，即使在水泥掺量为6%条件下，以JTG D50—2017规范最小弯拉强度1.5 MPa为约束条件，水泥稳定级配碎石混合料的最大风积沙掺量不超过9%。

图2 不同风积沙掺量下水泥稳定级配碎石混合料7 d弯拉强度Fig.2 7 d bending strength of cement stabilized graded macadam mixture under different aeolian sand content

图3 不同风积沙掺量下水泥稳定级配碎石混合料单轴压缩模量Fig.3 Uniaxial compression modulus of cement stabilized graded macadam mixture under different aeolian sand content

2.3 单轴压缩模量

图4 水泥稳定级配碎石劈裂强度试验结果Fig.4 Test results of splitting strength of cement stabilized graded macadam

单轴压缩模量试验结果见图3。由图3可知，随着风积沙掺量增大，掺风积沙水泥稳定级配碎石混合料单轴压缩模量呈三次函数关系降低，拟合优化度R2达到了0.99，风积沙等质量替代细集料掺量由0%增大至12%，水泥稳定级配碎石混合料单轴压缩模量由26 000 MPa降低至16 700 MPa，降低幅度达35.8%。在0%～6%风积沙掺量下，风积沙水泥稳定级配碎石混合料的单轴压缩模量满足JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》水泥稳定粒料类弹性模量18 000～28 000 MPa设计推荐值，而风积沙掺量达到9%、12%后水泥稳定级配碎石的弹性模量小于18 000 MPa，可见过多的风积沙掺量将严重劣化水泥稳定级配碎石混合料的弹性模量，以JTG D50—2017规范最小弹性模量18 000 MPa为约束条件，水泥稳定级配碎石混合料的最大风积沙掺量不超过6%。

2.4 劈裂强度

对不同风积沙掺量的水泥稳定级配碎石混合料进行劈裂强度试验，结果见图4。图4表明，随着风积沙掺量增大，风积沙水泥稳定级配碎石混合料劈裂强度呈线性关系减小，风积沙掺量由0%增大至12%，劈裂强度由0.69 MPa减小至0.23 MPa，降低幅度达66.7%，由此可见，掺加风积沙显著降低了水泥稳定级配碎石混合料的劈裂强度，以劈裂强度不小于0.5 MPa为设计劈裂强度下限要求，应控制最大风积沙掺量为6%为宜。分析以为，风积沙级配不良，棱角性差，并且与水泥水化产物的黏结、裹附效果差，风积沙的掺量和均匀性均影响混合料的黏聚力，因分散不均匀的风积沙聚集对粗集料的骨架效应产生干涉现象，导致内摩擦角和粘聚力降低。

3 不同风积沙掺量水泥稳定级配碎石混合料变形特性

温度收缩和干燥失水收缩是水泥稳定级配碎石的固有属性，因水泥凝结硬化过程中失水收缩和服役期间温度、湿度变化导致水泥稳定级配碎石膨胀、收缩引起的反射裂缝是我国半刚性基层沥青路面早发性横向开裂的主要病因。抗变形特性是水泥稳定级配碎石混合料在温度、湿度变化下抵抗温缩变形、干缩变形的能力表征，目前国内外普遍以温缩试验、干缩试验评价水泥稳定级配碎石混合料的变形特性。

3.1 温缩性能

温缩试验结果见表4，由试验结果可知，水泥稳定级配碎石混合料的温缩系数与试验温度区间和风积沙掺量有关，30～40 ℃、高温40～60 ℃和低温-25～-10 ℃区间内的温缩系数相对较大，中温10～20 ℃、20～30 ℃区间内温缩系数次之，在-10～0 ℃、0～10 ℃区间内的温缩系数相对较小，极端高温和极端低温均对水泥稳定级配碎石混合料抗裂性能影响最明显，在0 ℃附近水泥稳定级配碎石混合料的温缩变形最小。(2)相同温度区间内，随着风积沙掺量增大，水泥稳定级配碎石混合料温缩系数不断增大，-25～-10 ℃、-10～0 ℃、0～10 ℃、10～20 ℃、20～30 ℃、30～40 ℃、40～60 ℃温度区间内，风积沙由0%增大至12%，温缩系数分别增大了76.7%、84.7%、89%、72.9%、79.6%、76.4%、57.4%，可见掺加风积沙对水泥稳定级配碎石混合料温缩性能不利，风积沙掺量越大，水泥稳定级配碎石混合料抵抗温度梯度变化产生温缩开裂的性能越差。掺加0%、3%、6%、9%、12%风积沙后水泥稳定级配碎石在-25～60 ℃的平均温缩系数分别为5.2 με/℃、5.9 με/℃、6.8 με/℃、7.9 με/℃、9.1 με/℃，风积沙掺量由0%增大至6%，平均温缩系数由5.2 με/℃增大至6.8 με/℃，增大了30.8%，风积沙掺量由6%增大至12%，平均温缩系数由6.8 με/℃增大至9.1 με/℃，增大了33.8%，在0%～6%风积沙掺量范围内，水泥稳定级配碎石混合料的平均温缩系数满足《细则》温缩系数不大于7.5 με/℃的技术要求。风积沙掺量超过6%后平均温缩系数7.9～9.1 με/℃，不满足《细则》温缩系数不大于7.5 με/℃限值要求，因此从温缩性能考虑，最大的风积沙掺量为6%。

表4 水泥稳定级配碎石混合料温缩试验结果Table 4 Temperature shrinkage test results of cement stabilized graded macadam mixture

3.2 干缩性能

干缩性能试验结果见表5和图5。

表5 风积沙水泥稳定级配碎石混合料干缩试验结果Table 5 Dry shrinkage test results of aeolian sand cement stabilized graded gravel mixture

续表5

图5 不同风积沙掺量下水泥稳定级配碎石的干缩系数Fig.5 Drying shrinkage coefficient of cement stabilized graded macadam under different aeolian sand content

干缩试验结果表明，(1)随着养生龄期延长，水泥稳定级配碎石混合料的干缩系数先显著增大，后趋于平缓，养生8 d后干缩系数基本稳定，这是养生早期水泥水化胶凝材料的强度未完全形成，并且早期养生过程中水泥稳定级配碎石混合料失水率大所致，由此可见，水泥稳定级配碎石混合料的干缩变形主要发生在养生早期，在工程实践中，及时加强早期的保水养生可以有效减少水泥稳定级配碎石基层干燥收缩开裂。(2)相同养生龄期，风积沙水泥稳定级配碎石的干缩系数随风积沙掺量增大而增大，这在一定程度上表明，风积沙掺量越大，水泥稳定级配碎石干缩系数对含水量变化越敏感。尤其是在风积沙掺量大于6%后，增大风积沙掺量导致干缩应变出现突变，说明在6%～12%风积沙掺量范围内，水泥稳定级配碎石混合料干缩性能对风积沙掺量变化更敏感。(3)养生7 d后，掺加3%、6%、9%、12%风积沙后，风积沙水泥稳定级配碎石混合料干缩系数分别增大至85.92 με、92.33 με、98.65 με、102.34 με，相比不掺加风积沙的水泥稳定级配碎石混合料(干缩系数78.97 με)分别增大了8.8%、16.9%、24.9%、29.6%，可见风积沙掺量越大，水泥稳定级配碎石的抗干缩性能越差。(4)在风积沙掺量为0%～6%条件下，风积沙水泥稳定级配碎石的干缩系数满足《细则》7 d干缩系数不大于100 με的技术要求。而风积沙掺量超过6%后干缩系数达到了102.34～118.94 με，不满足《细则》温缩系数小于100 με限值要求，因此从干缩性能考虑，最大的风积沙掺量为6%。

4 耐久性能

4.1 抗冲刷性能

不同冲刷时间的水泥稳定级配碎石冲刷质量损失结果见图6。

由图6可知，(1)水泥稳定级配碎石的冲刷损失质量随冲刷时间延长而增大，相同风积沙掺量下，冲刷损失质量与冲刷时间之间有良好的线性关系，由此可见，动水冲刷时间越长，水泥稳定级配碎石混合料越容易出现松散破坏现象。对比冲刷损失质量与冲刷时间线性拟合方程的斜率和截距可以发现，斜率和截距均随风积沙掺量增大而增大，表明风积沙掺量越大，水泥稳定级配碎石混合料在动水冲刷作用后的质量损失越大，同时风积沙水泥稳定级配碎石混合料冲刷损失质量对冲刷时间越敏感，可见掺加风积沙对水泥稳定级配碎石混合料的水稳定性有劣化影响，风积沙掺量越大，劣化影响程度越严重。(2)动水冲刷30 min后，3%、6%、9%、12%风积沙水泥稳定级配碎石混合料的冲刷质量损失分别为34.6 g、37.3 g、43.2 g、49.3 g，相比未掺加风积沙的水泥稳定级配碎石混合料(冲刷损失质量26.4 g)分别增大了30.8%、42.3%、65.4%、88.5%。(3)在风积沙掺量为0%～6%条件下，风积沙水泥稳定级配碎石的冲刷损失质量满足《细则》30 min动水冲刷损失质量不大于42 g的技术要求。而风积沙掺量超过6%后冲刷损失质量达到了43.2～49.3 g，不满足《细则》冲刷损失质量小于42 g限值要求，因此从半刚性基层水稳定性考虑，最大的风积沙掺量为6%。

图6 水泥稳定级配碎石冲刷试验结果Fig.6 Scouring test results of cement stabilized grade macadam

图7 疲劳寿命对数(lg(Nf))与应力强度比(R/S)拟合方程Fig.7 Fatigue life logarithm (lg(Nf)) and stress intensity ratio (R/S) fitting equation

4.2 疲劳性能

疲劳试验结果见表6，疲劳寿命对数(lg(Nf))与应力强度比(R/S)拟合方程见图7。

表6 风积沙水泥稳定级配碎石混合料疲劳试验结果Table 6 Fatigue test results of aeolian sand cement stabilized graded macadam mixture

疲劳试验结果表明，在相同应力强度比(R/S)条件下，风积沙水泥稳定级配碎石混合料的疲劳寿命随风积沙掺量增大而显著减小。在0.5应力强度比条件下，风积沙掺量由0%增大至12%，疲劳寿命由507 199次衰减至123 653次，疲劳寿命降低幅度达80%；在0.8应力强度比条件下，风积沙掺量由0%增大至12%，疲劳寿命由48 885次衰减至3 872次，疲劳寿命降低幅度达92%，掺加风积沙对水泥稳定级配碎石混合料疲劳性能有不利影响。分析其原因，水泥稳定级配碎石的疲劳寿命受细集料含量和填料与粗集料的裹附状况有关，风积沙替代细集料后，由于风积沙与水泥水化产物的黏附性、裹附效果较差，不能形成有效的结构强度，从而削弱了水泥砂浆的结构膜厚度。从SEM照片(图8(a)、(b))可以看出，掺加12%风积沙后，由于风积沙分布不均匀结团而导致水泥砂浆过渡相结构松散，内部有空隙；风积沙与水泥水化产物黏结性差，导致粗集料表面水泥砂浆膜厚分布不均匀，风积沙水泥砂浆内部有空隙，结构松散；水泥砂浆膜厚分布不均匀，导致其受荷时易出现应力集中现象，破坏裂纹沿风积沙聚集处贯穿，影响疲劳寿命。未掺加风积沙的水泥砂浆中(图8(c)、(d))集料与水泥砂浆浑然一体，粗细集料嵌固于水泥水化产物中，结构致密均匀，水泥水化产物富集于集料表面，形成均匀的挂浆状态，粗集料表面水泥水化反应更充分，水泥砂浆结构更加均匀、致密[13-15]。随着风积沙掺量增大，风积沙水泥稳定级配碎石混合料疲劳拟合方程的截距减小，同时拟合方程斜率的绝对值增大，表明掺加风积沙不仅降低了水泥稳定级配碎石混合料的疲劳寿命，也增强了疲劳寿命对应力水平的敏感程度。

图8 掺加风积沙前后水泥砂浆微观形态Fig.8 Microscopic morphology of cement mortar before and after adding aeolian sand

5 实体工程应用

基于室内研究成果，在2016年将掺加6%风积沙的水泥稳定级配碎石应用于内蒙古锡林浩特盟某高速公路改建工程，试验段长度500 m，路基宽26.5 m，铺筑层位为高速公路路面基层，铺筑面积15 500 m2。室内采用振动成型确定最佳含水量为6.7%，最大干密度为2.265 g/cm3，水泥剂量为5%，配合比设计7 d无侧限抗压强度6.6 MPa，满足设计5.5 MPa要求。现场施工摊铺、碾压工艺与相邻段未掺加风积沙水泥稳定级配碎石基层无异。铺筑完成后实测基层压实度大于98%，平整度满足《细则》要求，湿润养生7 d后钻芯测试无侧限抗压强度为7.2 MPa，养生10 d后铺筑上层沥青混凝土(18 cm厚沥青层)。试验段于2016年10月1日通车，目前已经服役近3年，近2年经历了极端最低气温-35 ℃，极端高温36 ℃，目前试验段仅有横向开裂病害。2019年7月份实测风积沙水泥稳定级配碎石基层沥青路面反射裂缝调查统计，风积沙水泥稳定级配碎石左右幅1 000 m范围内贯通裂缝11条，非贯通裂缝5条，横向裂缝间距71.4 m，裂缝总长度269 m，相比普通水泥稳定级配碎石基层试验段前后1 000 m范围内横向贯通缝裂缝10条，非贯通裂缝6条，裂缝总长度257 m。可见6%风积沙水泥稳定级配碎石基层的反射裂缝病害长度与临近路段普通水泥稳定级配碎石差别不大，试验段取得了满意效果，达到了研究应用目的。因此将6%风积沙等质量替代细集料应用于水泥稳定级配碎石基层是可行的。