楊 俊， 楊 志， 張國棟， 唐云偉

（1.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002；3.宜昌市交通運輸局，湖北 宜昌 443002）

風(fēng)化砂在我國西南山區(qū)廣泛分布，是一種地表巖層風(fēng)化過程的中間產(chǎn)物，其耐久性比一般土料差，物理力學(xué)性質(zhì)也較不穩(wěn)定，含有一定量的細(xì)土粒，顆粒內(nèi)部通常含有一些微裂縫，在外力的作用下砂顆粒極易破碎，強(qiáng)度較低。但風(fēng)化砂的透水性較好，破碎后的細(xì)小顆粒有一定的硬度和棱角，如果在風(fēng)化砂中摻入一定量的結(jié)合料，則能產(chǎn)生一定的強(qiáng)度，達(dá)到公路路用的標(biāo)準(zhǔn)［1－2］。近年來，隨著我國公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，西南山區(qū)新建道路越來越多，用于公路建設(shè)的原材料需求量也越來越大。由于山嶺重丘地區(qū)道路建設(shè)條件復(fù)雜、運輸困難、工業(yè)廢渣少、天然砂礫儲量少、級配碎石造價高等原因，導(dǎo)致公路原材料緊張。為了節(jié)約工程造價，解決資源緊張問題，道路建設(shè)可以考慮采用山嶺重丘區(qū)儲量豐富的風(fēng)化砂。因此，研究風(fēng)化砂在西南山區(qū)路面基層的應(yīng)用對公路建設(shè)具有十分重要的意義［3－7］。

由于上述諸多原因，風(fēng)化砂不能直接用作公路路面基層，必須先對其摻入外加材料進(jìn)行穩(wěn)定。工程中常用水泥、石灰或粉煤灰充當(dāng)結(jié)合料對風(fēng)化砂進(jìn)行穩(wěn)定。從目前道路施工的經(jīng)驗來看，若將風(fēng)化砂用作路面基層，要獲得理想的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，大多情況下應(yīng)摻水泥作為結(jié)合料。采用水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂用作道路路面的基層，盡管在工程上有所運用，但專門開展這方面的研究卻很少。影響水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂強(qiáng)度的因素有很多，如養(yǎng)護(hù)條件、溫度、濕度、養(yǎng)護(hù)齡期等。路面基層是道路結(jié)構(gòu)的主要承重層，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是衡量承載力的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

本文擬采用水泥對湖北省宜昌市夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)百歲溪處的風(fēng)化砂進(jìn)行穩(wěn)定，以提高其強(qiáng)度，并研究了養(yǎng)護(hù)齡期對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，重點分析養(yǎng)護(hù)齡期和水泥摻量對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，為西南山嶺重丘區(qū)風(fēng)化砂在公路建設(shè)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗原材料

本試驗所用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)百歲溪，該風(fēng)化砂特征為風(fēng)化砂顏色呈土黃色，顆粒大小分布不均勻，棱角顯著，粒徑較大的砂顆粒表面有微小裂縫，受力容易破碎。經(jīng)過室內(nèi)顆粒分析實驗，得出了風(fēng)化砂的顆粒分布指標(biāo)如下：礫粒組（粒徑＞2mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.18%，砂粒組（粒徑為2～0.0.75mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.59%，細(xì)粒組（粒徑＜0.075mm）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.24%。

風(fēng)化砂的基本物理性質(zhì)如下：不均勻系數(shù)為10.21，曲率系數(shù)為3.08，大于3，因此判別該風(fēng)化砂為級配不良砂；天然含水率為3.84%；含泥量為2.24%。

試驗用水泥為市場上銷售的普通硅酸鹽水泥，它具有良好的和易性、保水性、耐磨性和抗凍性，其初凝時間不小于45min，終凝時間較長（6h以上）。

2 試驗方案

整個試驗過程參考文獻(xiàn)［8－9］。首先將風(fēng)干后的風(fēng)化砂過2mm標(biāo)準(zhǔn)篩，并在105～110℃下烘干直至恒質(zhì)量，然后在干燥器中冷卻至恒溫。其次，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂試樣采用外摻法制樣。根據(jù)室內(nèi)重型擊實試驗得到最佳含水率和最大干密度，用噴壺噴灑一定質(zhì)量的水，并預(yù)留2%的水，然后將配料置入密閉容器內(nèi)悶料，一晝夜后，在悶料中加入所需水泥量以及預(yù)留的2%的水，并使混合料拌合均勻。制樣時，根據(jù)其最大干密度稱取預(yù)設(shè)質(zhì)量的水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂混合料，采用靜壓法制樣，并將制好的試樣放在標(biāo)準(zhǔn)恒溫、恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

其中，每組混合料試樣做3組平行試驗，取其中最相近的2組數(shù)據(jù)的平均值作為最終的試驗結(jié)果，水泥摻量為3%、5%、7%、9%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、21、28d。為檢驗水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂能否用作高等級公路的基層或底基層，特將不同摻量水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)生7d，然后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，其結(jié)果和重型擊實試驗結(jié)果見表1所列，表1中，wop為最佳含水率；ρdmax為最大干密度。

高等級公路底基層要求的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小為1.5～2.5MPa，由表1可看出，水泥摻量為3%時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂不能作為底基層；當(dāng)水泥摻量為5%、7%、9%時，可作為底基層。

表1 水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的擊實試驗結(jié)果

3 水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂試樣養(yǎng)護(hù)好后，通過室內(nèi)直接剪切試驗，得到了不同齡期和不同水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力比內(nèi)摩擦角，結(jié)果見表2所列。

表2 不同齡期和水泥摻量下水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角

由表2可看出，水泥摻量對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力有較大影響，對內(nèi)摩擦角的影響不大。在相同的齡期下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力比內(nèi)摩擦角對水泥摻量更敏感。在水泥摻量一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力隨著齡期的增加而迅速增大。當(dāng)水泥摻量均由3%增大到9%，在齡期為7d時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力最終增長了65.93kPa；在齡期為14d時，黏聚力最終增長了71.28kPa；在齡期為21d時，黏聚力最終增長了58.25kPa；在齡期為28d時，黏聚力最終增長了66.65kPa。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：水泥與水接觸后自身會發(fā)生水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)等一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高的膠凝物質(zhì)，當(dāng)將水泥摻入風(fēng)化砂時，這些高強(qiáng)度的膠凝物質(zhì)會充斥在砂顆粒之間的縫隙中，促使砂顆粒之間的聯(lián)系加強(qiáng)，強(qiáng)度提高，從而使風(fēng)化砂的黏聚力迅速提高，而隨著水泥摻量的增加，砂顆粒之間的聯(lián)系更為緊密，顆粒間的作用力增大，黏聚力也會隨著繼續(xù)增大。

在相同的齡期下，隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角先增大后減小。其中，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角均在水泥摻量3%～7%之間逐漸增大，在水泥摻量為7%時達(dá)到峰值，內(nèi)摩擦角在水泥摻量7%～9%之間減??；這是由于砂顆粒有顯著的棱角，當(dāng)在其中逐漸摻入水泥時，水泥的水化作用會使顆粒間的聯(lián)系增強(qiáng)，促使試樣在剪切過程中砂顆粒之間的咬合作用增強(qiáng)以及砂顆粒表面的摩擦力提高，從而引起風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角增大。但是，當(dāng)水泥摻量超過一定量時，會產(chǎn)生明顯的干燥收縮，使試樣表面產(chǎn)生裂縫，砂顆粒間的咬合作用減弱，從而導(dǎo)致風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角逐漸減小。

由表2可看出，齡期隨水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力影響效果不明顯，而對內(nèi)摩擦角的影響較為顯著，說明水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角對齡期比黏聚力對齡期更為敏感。在相同的水泥摻量下，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力隨著齡期的增長逐漸增大，速度較慢。在齡期為7～14d之間，黏聚力增長20kPa左右；在齡期為14～21d之間，黏聚力增長10kPa左右；在齡期為21～28d之間，黏聚力增長10kPa左右。這是因為水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂強(qiáng)度的提高是水泥在一定溫度、濕度條件下水化等一系列化學(xué)作用的結(jié)果，水泥的這些水化反應(yīng)隨著時間的推移而不斷深入，并逐漸充斥于風(fēng)化砂顆粒之間的縫隙中，使顆粒之間聯(lián)系更為緊密，于是黏聚力也就隨之不斷增大。

當(dāng)水泥摻量一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角隨齡期的增加逐漸增大，速度先快后慢。在齡期為7～14d之間，內(nèi)摩擦角增長了6°左右；在齡期為14～21d之間，內(nèi)摩擦角增長了2.5°左右；在齡期為21～28d之間，內(nèi)摩擦角增長了2°左右。這是由于水泥摻入風(fēng)化砂中逐漸增大了砂顆粒之間的咬合作用及表面摩擦力，促使風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角迅速增大，但隨著時間的推移，水泥含量逐漸減少，反應(yīng)逐漸完全，導(dǎo)致水泥水化作用減緩，內(nèi)摩擦角增長速度隨之減慢。

通過莫爾理論，可以得到相同水泥摻量下，齡期對水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂抗剪強(qiáng)度的影響。當(dāng)水泥摻量一定時，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的抗剪強(qiáng)度隨著齡期的增長逐漸增大；當(dāng)齡期一定時，隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的抗剪強(qiáng)度增大。由表2可以看出，隨著齡期的增長，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角均逐漸增大，根據(jù)莫爾－庫侖方程τ＝σtanφ＋c可知，抗剪強(qiáng)度τ也逐漸穩(wěn)步增大。

4 結(jié) 論

（1）試驗研究表明：水泥可以顯著改善風(fēng)化砂的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；隨著水泥摻量的增加，水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的抗剪強(qiáng)度逐漸增大；同時，增加水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的養(yǎng)護(hù)齡期，也可以提高其抗剪強(qiáng)度。

（2）在相同的齡期下，由于水泥發(fā)生水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)等一系列的化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高的膠凝物質(zhì)，使砂顆粒之間的聯(lián)系加強(qiáng)，顆粒之間的咬合作用增大，使水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著水泥摻量的增加而迅速增大，當(dāng)水泥摻量超過一定量時，產(chǎn)生明顯的干燥收縮［10］，使試樣表面產(chǎn)生裂縫，砂顆粒間的咬合作用減弱，從而導(dǎo)致風(fēng)化砂的內(nèi)摩擦角又逐漸減小。（3）當(dāng)水泥摻量一定時，水泥水化反應(yīng)隨著時間的推移而不斷深入，并逐漸充斥于風(fēng)化砂顆粒之間的縫隙中，使顆粒更好地膠結(jié)在一起，從而使水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著齡期的增長而逐漸增大。

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