砂岩质水泥稳定碎石混合料材料设计关键技术研究

马庆伟��

摘 要：采用振动击实法对砂岩的原材料指标及混合料力学指标进行研究。结果表明：砂岩压碎值和抗压强度均低于石灰岩和花岗岩，因此对其压碎值标准应降低；同时对于砂岩质水泥稳定碎石，其7 d无侧限抗压强度标准不宜过高，以免基层产生早期反射裂缝。

关键词：砂岩；振动击实；压碎值；抗压强度

中图分类号：U414.03 文献标志码：B

Research on Key Technology for Material Design of Cement Stabilized Sandstone Gravel

MA Qing- wei

（Xian Highway Institute， Xian 710065， Shaanxi， China）

Abstract： Vibration compaction method was applied to study the properties of sandstone and mechanic performance of the mixture. The results indicate that the crushing value and compressive strength of sandstone is smaller comparing to those of limestone and granite， so the crushing value standard should be reduced. The seven- day unconfined compressive strength standard for cement stabilized sandstone gravel should not be too high lest early reflection cracks emerge from the base course.

Key words： sandstone； vibration compaction； crushing value； compressive strength

0 引 言

陕北在建项目黄延高速公路筑路材料需求量极大。一方面，项目附近优质石料严重匮乏；另一方面，采用外运集料在经济上难以承受。针对项目沿线砂岩资源相对比较丰富的优势，同时贯彻省厅对在建项目尽量采用项目沿线筑路材料、充分合理开发利用自然资源的要求，开展砂岩用于水泥稳定碎石的相关研究。

1 原材料

（1） 水泥。水泥稳定碎石基层所采用的水泥为普通硅酸盐水泥（P·O42.5），各项指标均符合项目要求。

（2） 碎石。基层碎石的最大粒径不超过37.5 mm。备料按37.5～19.0 mm（A#料）、19. 0～9.5 mm（B#料）、9.5～4.75 mm（C#料）和4.75～0 mm（D#料）共4种粒径规格筛分、加工出料[1]。

黄延高速公路项目沿线有大量砂岩，它是一种典型的沉积岩，主要成分为石英、粘土等，密度较低、压碎值较大；由于其组成成分的差异，各种砂岩的颜色和密度差异较大[2- 3]。

通过深入调查发现，黄延高速公路沿线地区的砂岩沉积和成岩时间较短，导致其饱水抗压强度低，工程力学性能差，具体如表1所示。

由表2看出，黄延高速公路沿线砂岩压碎值较大，很难满足陕西省地方标准《垂直振动法水泥稳定碎石设计与施工技术规范》中对粗集料压碎值不大于25%的要求，但满足《公路路面基层施工技术规范》的要求[4]。究其原因，地方相关技术标准的建立主要是基于石灰岩和花岗岩的水泥稳定碎石振动成型试验结果确定出来的，而砂岩由于其自身特点，压碎值和抗压强度均低于石灰岩和花岗岩，因此《垂直振动法水泥稳定碎石设计与施工技术规范》不适用于采用砂岩的水泥稳定碎石振动成型配合比设计及施工控制。

从表2还可以看出，细集料砂当量也无法满足陕西省地方标准《垂直振动法水泥稳定碎石设计与施工技术规范》中对细集料砂当量不小于50%的要求。砂当量是细集料中粘性土或杂质的含量，用于评定集料的洁净程度。由试验结果可见，砂岩中粘土成分含量较大，这些存在于细集料中或包裹在集料颗粒表面的泥土会降低水泥的水化反应速度，削弱集料和水泥之间的粘结力，影响水泥稳定碎石的整体强度和耐久性。

由于砂当量指标无法满足不小于50%的要求，为进一步明确细集料中粘土成分的含量，对细集料的塑性指数进行了检测，检测结果如表3所示。

塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物（如蒙脱石）含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大，也就是说塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小。因此，在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类。粉土为塑性指数不大于10且粒径大于0. 075 mm的颗粒含量不超过总质量50%的土；粘性土为塑性指数大于10且粒径大于0.075 mm的颗粒含量不超过总质量50%的土。《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）中对水泥稳定土的砂当量没有要求，只是要求塑性指数小于9，液限不大于28%。由表3可知，细集料塑性指数可满足规范要求。

（3） 水。本项目用水符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）要求。

2 水泥稳定碎石配合比设计

2.1 合成级配

本项目混合料的组成按照骨架密实结构设计。采用一个级配合成，其级配计算如表4所示，合成级配如图1、表5所示。

2.2 成型方法

按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）中对半刚性（底）基层混合料试件成型的要求，采用振动成型法。本试验采用的振动频率为25～29 Hz，振动时间为70～90 s。

2.3 试验步骤

（1） 按不同的含水量配制5组混合料，从而确定二灰稳定碎石混合料的最佳含水量和最大干密度。

（2） 按选定的最佳含水量和要求的压实度制备混合料无侧限抗压试件，在标准条件下养护6 d，浸水1 d后进行无侧限抗压强度试验。

（3） 室内试验抗压强度的代表值按下式计算

Rc0.95=R-ZaS

式中：Rc0.95为该组试件保证率为95%的抗压强度的代表值；R为该组试件抗压强度的平均值；Za为保证率系数，高速公路保证率95%，此时的Za =1. 645；S为该组试件无侧限抗压强度的标准差。

2.4 试验结果

由表6、7可见，试件最大干密度较小，7 d无侧限抗压强度基本在3.0～5.0 MPa之间。这是因为：砂岩自身密度较小，致使混合料成型后试件密度也较小；而且由于砂岩本身质地较软，饱水抗压强度较低，且含有较多粘土成分，降低了水泥的水化反应速度；再者砂岩属吸水性材料，浸水后易软化。所以，造成砂岩水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度低于陕西省地方标准中要求的6.5 MPa。

如要使砂岩水泥稳定碎石强度达到6.5 MPa以上，只有增大水泥剂量或者增大现场击实功，但水泥剂量的增加不仅会使造价提高，而且易使基层产生反射裂缝[5]，不符合水泥稳定碎石基层耐久性设计的原则，再者如增大击实功，因砂岩自身强度不高，粗集料易被击碎，破坏混合料骨架密实结构且造成基层表面的镜面现象。

3 结 语

（1） 砂岩因密度较小，压碎值和抗压强度均低于石灰岩和花岗岩，因此对其压碎值应降低至30%来进行控制。

（2） 对于砂岩质细集料，因砂当量指标较难满足要求，建议采用塑性指数小于9来控制其洁净程度。

（3） 对于砂岩质水泥稳定碎石，室内成型方法应采用振动击实法，对其7 d无侧限抗压强度标准应参考现行规范执行，不宜过高，以免破坏混合料骨架结构，进而使基层产生早期反射裂缝。

参考文献：

[1] JTJ 034—2000，公路路面基层施工技术规范[S].

[2] 邓觐宇.高速公路红硬质砂岩的路用性能及施工工艺研究[J].岩土工程技术，2003（5）：253- 257.

[3] 丛卓红，闰红光，郑南翔.水泥稳定碎石用硬质砂岩关键性指标[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（5）：12- 17.

[4] JTJ 057—94，公路工程无机结合料稳定材料试验规程[S].

[5] 蒋应军.水泥稳定碎石基层收缩裂缝防治研究[D].西安：长安大学，2001.

[责任编辑：王玉玲]