红砂岩集料对水稳基层强度与抗软化性能的影响

2022-10-10陈福玲温郁斌单俊鸿周明凯

硅酸盐通报 2022年9期

陈福玲，温郁斌，单俊鸿，魏杰,周明凯，高鹏

(1.河北工程大学土木工程学院，邯郸 056000；2.山西昔榆高速公路有限公司，晋中 030600；3.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070；4.长治市武理工工程技术研究院，长治 046000)

0 引言

水泥稳定碎石具有足够的强度、刚度以及水稳定性[1]，是当前应用最为广泛的道路基层材料[2]，所用集料一般为石灰岩集料，受砂石限采政策和石灰岩资源不平衡影响，多地石灰岩集料供不应求，价格攀升，与此同时，山西晋中高速公路开挖过程产生约1 800万m3的红砂岩废石，若能将其加工成集料制备水泥稳定基层(水稳基层)，既可缓解石灰岩供应不足的现象，又可消纳公路废石，具有良好的社会经济效益。

红砂岩是经风化、迁移、沉积形成的一种沉积岩，因其沉积物中含有黏土矿物[3]，与石灰岩等其他沉积岩相比，红砂岩具有遇水软化、浸水崩解[4-5]的特性。经研究[6-7]发现，红砂岩母岩在干燥状态下硬度较高，但抗软化性能差，即遇水后吸水软化，硬度降低。范祥等[8]研究发现,红砂岩吸水2 h、吸水率增大0.5%后硬度会降低30%，同时吸水过程伴有体积膨胀。陈勇等[9]研究表明，红砂岩膨胀应变随吸水率的增加呈线性增长。周翠英等[10]、吴恩江等[11]建立了岩石软化界面的动力学模型，揭示了砂岩母岩软化的微观机理：砂岩中黏土矿物水化，进而溶解流失，伴随岩石体积膨胀，内部孔隙增大，导致强度降低。

红砂岩母岩破碎成集料用于道路基层对基层强度、抗软化性能有何影响还有待深入研究。现有研究[12]表明，随红砂岩集料对石灰岩集料替代率的增加，水稳基层强度与软化系数逐渐降低，其中红砂岩混合料的软化系数范围为0.71～0.81，石灰岩混合料的软化系数范围为0.75～0.93，生海航[13]认为这是红砂岩集料本身硬度低、吸水率高所导致。山西晋中地区红砂岩硬度较高，吸水率略高于石灰岩，这种硬质红砂岩母岩破碎的粗、细集料硬度如何，集料抗软化性能如何表征，粗、细集料抗软化性能是否存在差异，以及红砂岩集料硬度、抗软化性能与红砂岩水稳基层的强度、抗软化性能的关系等均缺乏研究，采用微观手段定量、定性分析红砂岩粗、细集料软化机理的研究也几乎没有。

因此，本文以红砂岩粗、细集料硬度及抗软化性能为研究切入点，对比分析了红砂岩粗、细集料在硬度与抗软化性能上的差异；并将红砂岩粗、细集料以不同替代率替代石灰岩集料用于水稳基层，研究了红砂岩粗、细集料对水稳基层强度与抗软化性能的影响规律；采用界限含水率、X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)测试，揭示了红砂岩集料软化的机理。

1 实验

1.1 原材料

红砂岩和石灰岩取自山西晋中，化学成分和矿物组成分别如表1、图1所示。分析表1和图1可知：石灰岩主要成分为CaO，以方解石、白云石等矿物形式存在；红砂岩CaO含量低于石灰岩，SiO2、Al2O3含量较高，还有一定量的Fe2O3，因而发红，主要矿物除石英、方解石外，还含有高岭石、伊利石等黏土矿物。矿渣硅酸盐水泥(P·S·A 32.5)的主要物理性能指标如表2所示，各项指标均满足《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)对水泥的要求。

表1 红砂岩与石灰岩主要化学成分

表2 水泥基本物理性能

图1 石灰岩和红砂岩的XRD谱

1.2 试验设计

首先将红砂岩和石灰岩破碎分选为4.75～9.5 mm、9.5～26.5 mm的粗集料和0～4.75 mm的细集料，对比研究红砂岩和石灰岩粗、细集料不同粒径的硬度及不同浸水时间的抗软化性能；然后固定水稳基层级配为《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)C-B-1中值，在水泥稳定全石灰岩集料(CLL)的基础上，采用红砂岩粗集料等质量替代50%(CS50L)、100%(CS100L)的石灰岩粗集料，同时，采用红砂岩细集料等质量替代50%(CSL50)、100%(CSL100)的石灰岩细集料，研究不同红砂岩粗、细集料替代率对水稳基层强度及浸水抗软化性能的影响；最后，对比分析红砂岩、石灰岩集料在浸水前后的塑性指数、矿物组成及微观形貌的变化，揭示红砂岩粗、细集料的浸水软化机理。水稳基层材料配合比见表3。

表3 混合料配合比

1.3 试验方法

1.3.1 集料硬度与浸水抗软化性能测试

粗集料：硬度采用压碎值表征，参考《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中9.5～13.2 mm的压碎值测试方法，测定4.75～26.5 mm各单粒级的压碎值，并根据C-B-1中值级配中粗集料各单粒级的分级筛余占比率，计算粗集料整体加权平均压碎值C；浸水抗软化性能采用9.5～13.2 mm粒径粗集料浸水id后压碎值增大率、质量损失率表征。

细集料：硬度采用压碎值表征，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)测定不同粒径细集料压碎值，根据C-B-1中值级配中细集料单粒级的分级筛余占比率，计算细集料整体加权平均压碎值C；抗软化性能采用2.36～4.75 mm粒径细集料浸水id后的压碎值增大率、质量损失率以及细集料混合料浸水膨胀率表征。

1.3.2 红砂岩水稳基层强度与浸水抗软化性能测试

强度采用标准养护至指定龄期的无侧限抗压强度表征，测试前不浸水；浸水抗软化性能采用浸水1 d后的软化系数，即标准养护龄期最后1 d浸水强度与不浸水强度的比值。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)成型试件，检测强度，其中试件压实度为98%。

1.3.3 浸水软化机理测试

塑性指数：按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中界限含水率测试方法，选取2.36～4.75 mm未浸水与浸水1 d后烘干磨细为同样细度的0.075 mm以下红砂岩、石灰岩颗粒进行测定。

XRD、SEM：采用X射线衍射仪(PANalytical.B.V，荷兰)与扫描电子显微镜(蔡司，德国)分别对未浸水与浸水1 d烘干后的2.36～4.75 mm红砂岩与石灰岩集料进行测定。

2 红砂岩集料硬度与抗软化性能

2.1 粗集料硬度与抗软化性能

红砂岩与石灰岩不同粒径粗集料压碎值试验结果如表4所示，浸水1 d、2 d、3 d、4 d的压碎值增大率和质量损失率如图2所示。

表4 红砂岩与石灰岩粗集料压碎值

图2 红砂岩与石灰岩粗集料不同浸水时间抗软化性能

分析表4可以看出，红砂岩粗集料的加权平均压碎值小于石灰岩粗集料，即红砂岩粗集料整体硬度略高于石灰岩粗集料，另外，红砂岩粗集料压碎值随粒径降低逐渐升高，其中4.75～9.5 mm时压碎值显著高于其他粒径压碎值，达到25.5%，硬度略低于同粒径石灰岩粗集料，其他粒径的红砂岩粗集料硬度均高于石灰岩粗集料。这可能是因为红砂岩内部沉积物硬度不一，且低硬度、易破碎的沉积物在粒径小的颗粒中富集。

从图2可以看出，随浸水时间延长，石灰岩粗集料的压碎值增大率和质量损失率基本为零，而红砂岩粗集料的压碎值增大率、质量损失率在浸水1 d后分别达到33%、0.4%，继续延长浸水时间至2～4 d，变化不明显。可见，红砂岩粗集料的抗软化性能比石灰岩粗集料差，主要体现在浸水后颗粒表层的剥落与硬度的降低。

2.2 细集料硬度与抗软化性能

红砂岩与石灰岩不同粒径细集料压碎值试验结果如表5所示，浸水1 d、2 d、3 d、4 d的压碎值增大率、质量损失率、累计膨胀率如图3所示。

图3 红砂岩与石灰岩细集料不同浸水时间抗软化性能

分析表5可以看出，红砂岩细集料的加权平均压碎值远大于石灰岩细集料，即红砂岩细集料整体硬度低于石灰岩细集料，另外，红砂岩细集料压碎值也随粒径的降低而升高，与粗集料硬度随粒径变化的规律相一致，充分表明，红砂岩破碎的粒径越小，软弱物质越富集，硬度越低。

从图3可以看出，随着浸水时间的延长，石灰岩细集料的各项抗软化性能指标均未有明显变化，而红砂岩细集料浸水1 d后抗软化性能明显变差，继续延长浸水时间，抗软化性能变化不明显，与粗集料抗软化性能和浸水时间的关系相一致。但是，与粗集料相比，红砂岩细集料浸水1 d后压碎值增大率可达56%，明显高于粗集料33%的结果，质量损失率为5%，也大幅高于粗集料0.4%的结果，同时细集料由于尺寸效应[14]在浸水过程中还伴随吸水膨胀现象，浸水1 d膨胀率可达0.025%。综上，红砂岩细集料的抗软化性能明显差于石灰岩细集料，且细集料的抗软化性能明显差于粗集料，可见红砂岩集料抗软化性能与硬度一样，也随粒径降低而变差。

3 红砂岩集料水稳基层强度与抗软化性能

3.1 红砂岩粗集料水稳基层强度及抗软化性能

红砂岩粗集料分别以50%、100%的替代率替代石灰岩粗集料制备的水稳基层的7 d、28 d、90 d强度如图4(a)所示，浸水1 d软化系数如图4(b)所示。

图4 红砂岩粗集料替代对强度及软化系数的影响

分析图4(a)可以看出:随龄期延长，不同红砂岩粗集料替代率的水稳基层强度逐渐升高；同龄期时，随红砂岩粗集料替代率增加，水稳基层强度逐渐降低；随着龄期的延长，当红砂岩粗集料替代率相同时，与水泥稳定全石灰岩相比，强度降低率逐渐减小。如7 d龄期，红砂岩粗集料替代率为50%、100%时，水稳基层7 d强度从4.70 MPa分别降到4.56 MPa、4.27 MPa，降低率分别为3%、9%；红砂岩粗集料替代率为100%时，与水泥稳定全石灰岩相比，红砂岩粗集料水稳基层7 d、28 d、90 d的强度降低率分别为9%、7%、7%。可见，尽管红砂岩粗集料硬度高于石灰岩粗集料，但其制备的水稳基层强度略低于石灰岩粗集料水稳基层，这可能是因为红砂岩粗集料在成型拌合水的作用下，发生了类似于浸水过程的软化，水分在集料表面形成厚结合水膜[15]，降低粗集料骨架嵌挤[16]摩擦力的同时，弱化了水泥在集料上的胶结，强度逐渐降低；随龄期延长，水泥胶凝作用[17]增强，强度降低率略有下降。

分析图4(b)可以看出：随龄期延长，不同红砂岩粗集料替代率水稳基层软化系数逐渐升高；同龄期时，随红砂岩粗集料替代率增加，水稳基层软化系数逐渐降低；随龄期延长，红砂岩粗集料替代率相同时，与水泥稳定全石灰岩相比，水稳基层软化系数降低率逐渐减小。如7 d龄期，粗集料替代率为50%、100%时，红砂岩粗集料水稳基层7 d软化系数从0.92分别降到0.90、0.86，降低率分别为2%、7%；红砂岩粗集料替代率为100%时，与水泥稳定全石灰岩相比，红砂岩粗集料水稳基层7 d、28 d、90 d的软化系数降低率分别为7%、6%、5%。原因在于浸水1 d过程进一步增厚了结合水膜，同时红砂岩粗集料出现浸水软化崩解效应，即红砂岩粗集料浸水压碎值增大与浸水质量损失增加，导致红砂岩粗集料形成新的水-岩界面，进一步弱化了水泥在红砂岩粗集料上的胶结作用，软化系数降低；水泥水化程度随龄期延长而增大，所以软化系数略有下降。

3.2 红砂岩细集料水稳基层强度与抗软化性能

红砂岩细集料分别以50%、100%的替代率替代石灰岩细集料制备的水稳基层的7 d、28 d、90 d强度如图5(a)所示，浸水1 d软化系数如图5(b)所示。

图5 红砂岩细集料替代对强度及软化系数影响

从图5(a)、(b)可以看出:随龄期延长，不同红砂岩细集料替代率水稳基层强度、软化系数逐渐升高；同龄期时，随红砂岩细集料替代率增加，水稳基层强度、软化系数逐渐降低；不同的是，与水泥稳定全石灰岩相比，同龄期、同替代率时，红砂岩细集料水稳基层强度与软化系数降低幅度明显高于红砂岩粗集料水稳基层。如7 d龄期，当替代率为100%时，红砂岩细集料水稳基层强度从4.70 MPa降至3.27 MPa，降低率为30%，明显高于红砂岩粗集料水稳基层强度降低率为9%的结果，软化系数从0.92降至0.73，降低率为21%，也大幅高于红砂岩粗集料水稳基层软化系数降低率为7%的结果。原因在于红砂岩细集料整体硬度远低于石灰岩细集料，承载力低，且红砂岩细集料粒径小，比表面积大，即细集料与水泥接触面积大，导致结合水膜对集料与水泥界面过渡区的弱化作用加剧，因此强度降低幅度大；红砂岩细集料中软弱颗粒富集，浸水1 d质量损失率大于红砂岩粗集料，集料与水泥胶结界面弱化作用加剧，同时浸水后膨胀率增大，集料内部疏松化明显，导致软化系数降低程度大。

4 红砂岩集料软化机理

从红砂岩水稳基层强度与抗软化性能的分析可知，红砂岩集料软化是红砂岩水稳基层强度与软化系数降低的主要原因，且从红砂岩集料抗软化性能分析可知，红砂岩粗、细集料软化表现一致，其中细集料抗软化性能更差。为此，选取红砂岩和石灰岩未浸水、浸水1 d的2.36～4.75 mm细集料，探究红砂岩集料软化的机理。

4.1 矿物组成及含量

红砂岩和石灰岩未浸水、浸水1 d的2.36～4.75 mm细集料的塑性指数如表6所示，矿物主衍射峰强度值和XRD谱分别如表7和图6所示。

表6 红砂岩与石灰岩浸水前后的塑性指数

表7 红砂岩与石灰岩浸水前后矿物主衍射峰强度值

图6 红砂岩与石灰岩浸水前后的XRD谱

分析表6可以看出，红砂岩细集料未浸水前塑性指数高于石灰岩细集料，浸水1 d塑性指数降低，而石灰岩细集料塑性指数未受浸水影响。同样细度下，塑性指数与黏土矿物含量成正比[18]，黏土矿物含量越高，集料的塑性指数越高，可见浸水后红砂岩集料中黏土矿物发生了流失。同时，图6也表明，红砂岩细集料浸水后高岭石、伊利石的峰值强度出现明显降低，而石灰岩细集料在浸水前后主矿物的峰值强度并没有明显变化。上述结果充分表明红砂岩集料浸水后崩解剥落主要是表层黏土矿物浸水后流失所致，同时表明，红砂岩细集料中黏土矿物含量多，崩解剥落程度大。

4.2 微观形貌

红砂岩和石灰岩未浸水、浸水1 d的 2.36～4.75 mm细集料的SEM照片如图7～图10所示。

图7 红砂岩集料浸水前SEM照片

图8 红砂岩集料浸水后SEM照片

图9 石灰岩集料浸水前SEM照片

图10 石灰岩集料浸水后SEM照片

分析图7、图8可以看出，浸水前红砂岩集料表面呈现明显的层状结构，内部主要由黏粒以及碎屑组成，界面连接处为石英与黏土矿物，其中黏土矿物中的假六角片状高岭石与丝缕状伊利石[19]起胶结作用[20]，浸水1 d后，红砂岩集料表面沟壑纵横，出现明显孔洞，且界面连接处的高岭石集合体内部连接减弱，崩解剥落；而对比图9、图10可以看出，石灰岩集料浸水前后表面都呈现明显的致密结构，且浸水前后多棱方块状[21]方解石与石英界面仍紧密连接。结果表明，红砂岩集料浸水后强度与软化系数降低主要是由黏土矿物吸水膨胀疏松化、崩解剥落所致，同时与红砂岩细集料浸水发生膨胀的结果相一致。