风积沙掺量对水泥稳定级配砾石性能的影响研究

李文君

（新疆应用职业技术学院，新疆 奎屯 833200）

0 引言

风积沙在沙漠地区具有丰富的储量，是沙漠修建公路的主要材料之一[1]。风积沙在沙漠地区修建公路中具有低污染、低排放、低消耗、高效能等众多优势。但当前对于掺风积沙水泥稳定性级配砾石混合料基层的研究还处于初始阶段，风积沙替代填料应用于水泥稳定级配砾石混合料是否可行还需要进一步研究。

1 实验方案

1.1 实验材料

水泥：选择42.5 号普通硅酸盐水泥，水泥的各项指标均满足GB175-2007《通用硅酸盐水泥》规范要求，水泥的初凝时间为210min，终凝时间为395min，28d 抗压强度47.8MPa，烧失量1.22%。

风积沙：风积沙外观呈淡黄色，松散状，堆积密度1.35g/cm3，含水率0.2%，空隙率47%，细度模数0.64，含泥量1.9%，最大粒径0.493mm，级配如表1 所示。

表1 风积沙粒径级配

粗集料为花岗岩，细集料为机制砂，粗集料压碎值19.0%，粉尘含量0.075mm 下＜1%，软土含量＜1%，有机含量＜1%，硫酸盐含量＜0.1%，颗粒筛分能够满足《公路路面基层施工技术细则》JTG/TF20-2015（简称《细则》）的要求。本文的试验研究采用《细则》推荐的C-B-3 骨架密实型水泥稳定级配砾石矿料级配。

1.2 实验方案

试验采用相同矿料级配，对风积沙、集料逐档筛分之后，根据表2 所示的水泥稳定级配砾石矿料级配要求，反复计算各筛孔的筛余量，将风积沙采用内掺形式参与级配合成，调整风积沙的掺量为0%、3%、6%、9%、12%，通过7d 无侧限抗压强度实验，确定不同风积沙掺量下,水泥稳定级配砾石混合料的最佳水泥掺量。对于风积沙掺量对于水泥稳定级配砾石混合料力学性能和耐久性的影响进行试验，评价内容包括干缩试验、温缩试验、单轴压缩模量试验、弯拉强度试验、抗冲刷试验、疲劳试验、冻融试验[3]。

表2 试验采用水泥砾石矿料级配

1.3 实验方法

在实验过程中，设置环境温度为20±2℃，相对湿度≥95%，养生至《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）规范规定龄期[4]。其中，弯拉强度试验使用550mm×150mm×150mm 大梁试件，根据《无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法》（T08051-1994）规范开展实验。疲劳试验分别采用4 个应力强度比：0.5、0.6、0.7、0.8，施加10Hz 频率的连续Havesine 波，根据《无机结合料稳定材料疲劳试验方法》（T0856-2009）规范进行实验。单轴压缩模量试验选择Φ150×150mm 圆柱体试件，根据《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017）进行实验。无侧限抗压强度的实验则是采用Φ150×150mm 圆柱体试件，以《无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法》（T0805-1994）为实验方法为实验方法参照。温缩试验设定稳定为60～-25℃，试件尺寸采用550×150×150mm 大梁试件，实验方法则是参照《无机结合料稳定材料温缩试验方法》（T0855-2009）规范。设置干缩实验的环境温度为20℃，相对湿度为60%，采用550mm×150mm×150mm 大梁试件，按照《无机结合料稳定材料干缩试验方法》（T0854-2009）规范进行试验。冲刷试验采用Φ150mm×20mm 圆柱体试件，试验方法参照《无机结合料稳定材料抗冲刷试验方法》（T0860-2009）规范，动水冲刷峰值为0.5MPa，冲刷30min，冲刷频率为10Hz[5]。

2 力学性能

2.1 无侧限抗压强度

不同水泥掺量下，风积沙水泥稳定级配砾石混合料的7d 无侧限抗压强度试验结果如图1 所示。在相同风积沙掺量下，混合料的无侧限抗压强度，会随着水泥掺量增加而增加；相同水泥掺量下，无侧限抗压强度随着风积沙掺量增加而下降。因此，风积沙掺量的增加会对混合料无侧限抗压强度产生负面影响。

图1 无侧限抗压强度试验结果

2.2 劈裂强度

劈裂强度试验结果如图2 所示。试验结果表明：随着风积沙掺量的增加，混合料劈裂强度逐渐减小,但劈裂强度应不小于0.5MPa 的下限要求，风积沙掺量最大应控制在6%。

图2 劈裂强度试验结果

2.3 弯拉强度

弯拉强度实验结果如图3 所示。随着风积沙掺量的不断增加，混合料的弯拉强度则呈现出逐渐递减的趋势，拟合优化度R2 大于0.95。风积沙掺量从0 增加到12%，混合料弯拉强度从2.34MPa 下降至1.42MPa，降幅达39.3%。在0～9%的风积沙掺量下，其弯拉强度需要满足《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2017）要求的1.5～2.0MPa 弯拉强度的参考范围，而风积沙掺量12%的情况下，弯拉强度小于1.5MPa。因此，风积沙掺量过多，会导致水泥稳定级配砾石混合料的弯拉强度出现严重劣化，即便是6%的水泥掺量条件下，将最小弯拉强度1.5MPa 作为约束条件，那么水泥稳定级配砾石混合料的最大风积沙掺量也不能大于9%。

图3 不同风积沙掺量下水泥稳定级配砾石混合料7d 弯拉强度

3 耐久性能

不同冲刷时间下的水泥稳定级配砾石冲刷质量损失情况如图4 所示，具体分析如下：

图4 水泥稳定级配碎石冲刷试验结果

（1）随着冲刷时间的延长，水泥稳定级配砾石的冲刷损失质量会逐渐增加，混合料的松散破坏情况发生率越高。而通过对冲刷损失质量与冲刷时间线性拟合方程的斜率、截距进行比较，可以发现，随着风积沙掺量的增加，斜率和截距也会随之增大，这意味着风积沙掺量越大，混合料在经过水冲刷之后的质量损失也更大，并且,混合料冲刷损失质量对于时间增加,其敏感度不断增加，所以掺加风积沙对于水泥稳定级配砾石混合料的水稳定性存在负面影响。风积沙掺量越高，混合料质量越差。

（2）经过30min 的冲刷之后，不同比例的风积沙水泥稳定级配砾石混合料的冲刷质量损失程度也不同，风积沙掺量分别为3%、6%、9%、12%时，混合料质量损失依次为34.6g、37.3g、43.2g、49.3g。与未掺加风积沙的混合料比较而言，均出现了不同程度的增加。

（3）风积沙掺量在0～6%时，冲刷损失质量可以满足《细则》的要求，而风积沙掺量大于6%之后，冲刷损失质量则无法满足《细则》的冲刷损失质量要求。所以，基于水稳定性要求，风积沙掺量最大为6%。

4 结束语

（1）风积沙掺量对于水泥稳定级配砾石混合料的力学性能存在一定的负面影响。风积沙掺量由0 增大至12%，水泥稳定级配砾石的弯拉强度降低幅度达39.3%，劈裂强度降低幅度达66.7%。

（2）从半刚性基层水泥稳定性考虑，最大的风积沙掺量为6%。

（3）掺加风积沙会影响水泥稳定级配砾石混合料的抗冲刷性能，风积沙掺量为0～6%，冲刷损失质量才可以满足《细则》中的相关要求。