於德美　吳志鴻　郭曉　張峰　邱仁輝

摘要：為推廣凝灰?guī)r在道路工程中的應用，采用凝灰?guī)r機制砂替代細集料，設計混合料級配，通過擊實實驗確定水泥穩(wěn)定碎石最佳含水量和最大干密度，并制備試件，測試混合料無側限抗壓強度、劈裂強度、水穩(wěn)性及抗凍性等路用性能。結果表明：3%和5%水泥用量的水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石可分別滿足底基層和基層的強度要求;在較短齡期內，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石無側限抗壓強度比水泥穩(wěn)定天然集料的略高，劈裂強度相差不大，水穩(wěn)系數(shù)接近;水泥用量對無側限抗壓強度影響顯著。由此說明水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石總體性能滿足道路基層使用要求。

關鍵詞：水泥穩(wěn)定基層;凝灰?guī)r機制砂;無側限抗壓強度;劈裂強度;耐久性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）02-0099-08

Mixture of Graded Crushed Stone and Tuff Sands by Mechanical?Extraction and its Application in Road Base Engineering

YU Demei?1， WU Zhihong?2， GUO Xiao?2， ZHANG Feng?2， QIU Renhui?1*

（1. College of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350108;?2. Strait Construction and Development Co.， Ltd.， Fuzhou 350000）

Abstract：In order to promote the application of tuff mines in road engineering， the performance of cement-stabilized mixture of tuff sands by mechanical extraction and graded macadam was investigated. The unconfined compressive strength （UCS）， cleavage strength， water stability and frost resistance of the mixture were tested and compared with those of fine aggregates. The optimum water content and maximum dry density of cement-stabilized macadam with tuff sands were determined by compaction experiments. Results showed that the 3% and 5 % cement stabilized tuff sands mixed with graded macadam could meet the strength requirements of the sub-base and the base course， respectively. The UCS of tuff sands mixture was slightly higher than that of the cement-stabilized natural aggregate in a short period. The cleavage strength had insignificant difference between those of tuff sands mixture and fine aggregates mixture， while the cement usage had significant effects on it. The coefficient of water stability of cement-stabilized tuff sands mixture was very close to that of the cement-stabilized natural aggregates. Therefore， the tuff sands mixture was feasible for application in road base engineering basically.

Keywords：Cement stabilized base; tuff sands by mechanical extraction; unconfined compressive strength; cleavage strength; durability

0引言

凝灰?guī)r是一種分布廣泛的細粒火山碎屑巖，在東南沿海地區(qū)儲量豐富。凝灰?guī)r機制砂在混凝土中的應用已有研究?[1-2]，Messaouda等?[3]研究通過選用鈣質凝灰?guī)r代替天然河砂來進行混凝土試驗，驗證了鈣質凝灰?guī)r配制混凝土的可能性。Liguori等?[4]論證了采用凝灰?guī)r配置環(huán)境友好型膠凝材料的可行性。李響等?[5- 6]對凝灰?guī)r混凝土強度形成機理進行研究，結果發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r對復合膠凝材料抗壓強度的貢獻更多體現(xiàn)在水化初期。溫小棟等?[7]對凝灰?guī)r機制砂混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能及機理進行了研究，但目前鮮有凝灰?guī)r機制砂在道路工程應用方面的研究。水泥穩(wěn)定類材料具有一定的強度及較好的承載力和疲勞性能，因此在道路基層中得以廣泛應用?[8-10]，但其易產生裂縫?[11-12]，并最終引發(fā)路面的反射裂縫?[13-14]。北方地區(qū)的晝夜溫差和季節(jié)溫差對水泥穩(wěn)定碎石材料有直接的影響?[15]，容易發(fā)生凍融破壞?[16]。而道路建設需耗用大量石料，若能利用凝灰?guī)r巖質、成分及物理化學特性，將其開發(fā)成為建筑材料，代替部分天然細集料，不僅可以達到緩解天然集料緊缺的狀況，還起到節(jié)約資源、節(jié)能減排的作用，經濟效益和社會效益顯著。鑒于此，本文對水泥凝灰?guī)r機制砂穩(wěn)定類材料性能進行研究，采用凝灰?guī)r機制砂替代細集料制備混合料，通過測試混合料的擊實特性、無側限抗壓強度、劈裂強度、水穩(wěn)定性及抗凍特性，評估其在道路基層中應用的可行性。

1原材料及配合比組成設計

1.1原材料

普通硅酸鹽水泥（安徽海螺牌P.O 42.5）化學成分見表1，技術指標見表2。粗集料為花崗巖，細集料分別為凝灰?guī)r機制砂和天然砂。凝灰?guī)r機制砂技術指標見表3。

凝灰?guī)rXRD物相檢測如圖1所示，由圖1可知凝灰?guī)r的礦物成分主要有石英（SiO2）、鉀長石（K2O·Al2O3·6SiO2）、鈉長石（NaAlO2·3SiO2）、硅酸鋁鹽（Al2Si2O5（OH）4）。凝灰?guī)r放大一萬倍的形貌（SEM）狀態(tài)如圖2所示，由圖2可知，凝灰?guī)r結構為層片狀結構。能譜分析如圖3所示。由圖3可知該凝灰?guī)r的化學元素有Si、O、Al、Na、K、Ca、Mg、Fe等。

1.2材料組成

對水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石基層材料進行級配設計?[17]，對照組采用相同級配的天然細集料，級配組成如圖4所示。

2擊實實驗

2.1試驗方案

依據(jù)《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》?[18]，選用水泥劑量為3%、4%、5%、6%的混合料進行擊實試驗，實驗方案見表4。

2.2確定最佳含水量和最大干密度

對試樣進行稱重并測定含水量，繪制試樣干密度與水泥劑量、含水率關系曲線圖（圖5）。

根據(jù)干密度與含水量擬合曲線（圖5）確定最佳含水量與最大干密度，并確定后續(xù)試驗的配合比，結果見表5。

擊實試驗結果表明：對于相同水泥劑量的混合料，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石最佳含水量總體上大于水泥穩(wěn)定天然集料的，這是因為凝灰?guī)r機制砂的吸水率較大所導致的;但水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r混合料最大干密度略小于水泥穩(wěn)定天然集料的，這是由于凝灰?guī)r機制砂表觀密度較小。隨著水泥劑量的增加，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石和水泥穩(wěn)定天然集料級配碎石兩種混合料的最大干密度和最佳含水率也隨之增加。

3力學性能及耐久性能

根據(jù)擊實試驗所確定的集料混合料的最佳含水量和最大干密度，制備試樣，開展水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石路用性能試驗研究。

3.1力學性能

以7d無側限抗壓強度為指標，評價水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂碎石基層的力學強度;以劈裂強度為指標驗證道路穩(wěn)定基層抗應力收縮能力。

3.1.1無側限抗壓強度

靜壓成型150 mm×150 mm圓柱形試件，按照規(guī)范要求進行養(yǎng)生處置;測試水泥試樣7、14、28 d無側限抗壓強度。計算水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石7、14、28 d無側限抗壓強度，試驗結果如圖6所示。

由圖6試驗結果可知：3%水泥劑量的試樣力學強度可滿足底基層要求;5%水泥劑量的可滿足基層強度要求?[17]。在較短齡期內，凝灰?guī)r水泥試樣的7、14 d無側限抗壓強度總體上比水泥穩(wěn)定天然集料的略高;28 d齡期的凝灰?guī)r試樣力學強度略低于天然砂試樣;水泥劑量對無側限強度有顯著影響，相同級配下，隨著水泥劑量的增加，兩組試樣的無側限抗壓強度均不斷增加;兩組混合料無側限抗壓強度均隨齡期而增長，且前期增長速率較快，后期增長速率減慢，說明水泥穩(wěn)定基層強度主要在前期形成，7、14、28 d的強度增長率逐漸趨緩。

3.1.2劈裂強度

水泥穩(wěn)定碎石基層在車輛荷載和溫濕度變化的長期作用下，容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，破壞了基層的整體性，還容易造成面層的反射裂縫。衡量水泥穩(wěn)定碎石抗彎拉強度常采用彎拉試驗和劈裂試驗，劈裂試驗程序較簡單，本研究采用劈裂強度來衡量基層的抗彎拉性能。試驗前將養(yǎng)生7、14、28 d的試件飽水24 h后用路面材料強度試驗儀測量其劈裂強度，試驗結果如圖7所示。

水泥穩(wěn)定碎石混合料劈裂強度均隨齡期而增長，且前期增長速率較快，后期增長速率趨慢，說明水泥穩(wěn)定級配碎石的劈裂強度主要在前期形成，7、14、28 d后的強度增長率逐漸趨緩。隨著水泥劑量增加，劈裂強度增大，不同水泥劑量的試件各齡期強度差值很大，證實水泥劑量的提高對試件劈裂強度的增大影響顯著。結合無側限抗壓強度試驗結果可知，水穩(wěn)試件劈裂強度伴隨無側限抗壓強度的增大而增大，但并非呈嚴格的對應關系，兩者隨齡期增大的規(guī)律性不顯著。由各齡期無側限抗壓強度及劈裂強度各段斜率可以看出，在7～14 d期間，兩者的增長率均較高，14 d以后增長速度趨緩，各階段劈裂強度增長率與無側限抗壓強度增長率無顯著對應關系，這也說明劈裂強度不能單純由無側限抗壓強度表征。

3.2耐久性能

3.2.1水穩(wěn)性

試驗采用靜壓方式成型150 mm×150 mm圓柱形試件，在標準條件下養(yǎng)生7、28 d后采用1 d飽水、2 d風干的循環(huán)方式進行5次干濕循環(huán)，最后飽水24 h進行抗壓試驗。用于對比試驗的非干濕循環(huán)試件，在到達齡期的前一天先飽水一晝夜后測定其抗壓強度。水穩(wěn)定性試驗采用水穩(wěn)定性系數(shù)表示，按公式（1）進行計算，結果如圖8所示。

S=P1P2?。（1）

式中：?S?為水穩(wěn)定系數(shù)，%;?P?1為試件干濕循環(huán)后的飽水強度，MPa;?P?2為未經干濕循環(huán)試件的飽水強度，MPa。

相同水泥劑量的混合料經過5次干濕循環(huán)后，齡期7 d的凝灰?guī)r試樣水穩(wěn)系數(shù)比水泥穩(wěn)定天然集料的略高。隨著水泥劑量的增加，其水穩(wěn)系數(shù)增加。這是因為混合料與水接觸時，水泥水化產物與集料的粘結強度降低，導致了水穩(wěn)系數(shù)下降（小于1）。隨著水泥摻量增加，28 d齡期的混合料水穩(wěn)定系數(shù)與7 d變化規(guī)律相似，均隨著水泥摻量的增加不斷增大，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r級配碎石水穩(wěn)系數(shù)與水泥穩(wěn)定天然集料非常接近。

3.2.2凍穩(wěn)性

基層凍穩(wěn)性按規(guī)范?[18]進行試驗，按照確定的最佳含水量和最大干密度制作試件。將標準養(yǎng)生28 d的試件飽水24 h后，放入零下20 ℃低溫箱內冰凍16 h取出，測量試件高度及質量;再將試件放入20 ℃水槽中保溫8 h，取出擦干試件后測量高度及質量，此為一次凍融循環(huán);經過5次凍融循環(huán)后計算飽水抗壓強度與未經凍融循環(huán)的試件飽水抗壓強度的比值;試驗結果采用凍穩(wěn)系數(shù)（?BDR?）評價，如公式（2）所示。

BDR=（RDC/RC）×100。?（2）

式中：?RDC、RC?分別為試件經凍融循環(huán)后和未經凍融循環(huán)的飽水抗壓強度，MPa。

各水泥劑量水泥穩(wěn)定碎石材料28 d凍融循環(huán)后，強度出現(xiàn)損失，28 d凍融強度損失率為2.8%～4.9%，但滿足規(guī)范抗凍性的要求。造成這種現(xiàn)象的原因是水泥水化速率受溫度影響較為顯著，低溫環(huán)境下水化反應減緩，當循環(huán)周期內環(huán)境溫度升高時，材料內部水化速率開始提升;試件經過28 d養(yǎng)生后，內部的水化反應已經基本完成，后續(xù)強度增加不明顯，因此經過5次凍融循環(huán)后強度會出現(xiàn)損失。在規(guī)定的試驗條件下，基層材料的抗凍性取決于孔隙形狀及含水率等，與天然集料相比較，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石抗凍性差別不大，能夠滿足基層混合料的抗凍性要求。

4結論

（1）在相同水泥劑量時，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石最佳含水量總體上大于水泥穩(wěn)定天然集料，最大干密度也比水泥穩(wěn)定天然集料的小，且隨著水泥劑量的增加，兩種混合料的最大干密度和最佳含水率增加。

（2）3%水泥劑量和5%水泥劑量的水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石可分別滿足底基層和基層的強度要求。

（3）在較短齡期內，水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石無側限抗壓強度總體比水泥穩(wěn)定天然集料的略高些，但劈裂強度相差不大。水泥劑量對基層材料力學性能有顯著影響，在同一配比情況下，隨水泥劑量的增加，無側限抗壓強度和劈裂強度增加。

（4）水泥穩(wěn)定凝灰?guī)r機制砂級配碎石水穩(wěn)系數(shù)與水泥穩(wěn)定天然集料接近，各水泥劑量28 d凍融強度損失率為2.8%～4.9%，滿足基層混合料的水穩(wěn)性和抗凍性設計要求。

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