水泥稳定碎石的风积沙-石屑复合细集料体系研究

师 华

（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武汉 430014）

0 引言

沙漠边缘和腹地相对缺少良好的筑路材料，利用一定厚度的风积沙，可降低筑路成本。但由于风积沙的级配不良，目前风积沙的应用主要集中于路基填筑和低等级公路的基层底基层施工。通过对沙样和风积沙细集料体系进行试验研究，获取风积沙的压实特性和工程机理，发挥风积沙的承载能力，提高其稳定度和应用范围。

1 原材料及试验方案

1.1 风积沙颗粒分析

颗粒级配是细集料最重要的物理性能指标之一，颗粒级配反映材料粒度分布情况和空隙率大小。砂的颗粒级配是指不同粒径的砂粒搭配比例。良好级配的空隙率达到最小值，堆积密度达最大值，可达到节约水泥剂量，提高水泥稳定级配碎石的综合性能的目标。采集两处不同地点的风积沙样品和石屑进行颗粒筛分。对所取沙样进行分析，试验结果见表1对比两种风积沙样可以看出，不同地点获取的沙样虽然粒度上有所差别，但是相差不大，最大粒径不超过，70%的颗粒集中0.6-0.15mm，大于0.5mm和小于0.075mm颗粒含量极少，而石屑的小于0.075mm颗粒达到20%[1]。

表1 风积沙、石屑颗粒级配曲线

从细集料级配方面来讲，风积沙的不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别为：0.5、1.3，是典型的不良级配。由石屑的筛分曲线可以得出：石屑的不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别为：0.2、1.4。

1.2 试验方案

沙的休止角φ反映了堆积集料体内部颗粒受力与坡面表层颗粒受力两个方面的平衡关系。沙的休止角主要受到颗粒尺寸、表面质地、棱角性、非均匀沙级配、黏性、含水率、群体密实度以及重力加速度等因素的影响。文中采用自然堆积法进行风积沙和石屑的休止角试验，研究不同含水率条件下风积沙和石屑的休止角变化，试验方案见表2。

表2 风积沙-石屑复合体系休止角试验方案

2 研究结果

研究不同含水率和配比条件下风积沙和石屑的休止角变化，结果见图1。从图1中可以发现，风积沙的休止角随着含水量增加（0-约5%范围内），风积沙的润湿，休止角逐渐增加，在4%-5%时达到峰点（62.4°），随后含水率超过6%，在含水率7%-8%时，风积沙的休止角显著下降，随后风积沙的休止角随含水率的增加，发生二次休止角增加，当含水率进一步增大时，含水率又显著下降，表明风积沙休止角-含水率曲线具有双峰性，而这主要是一方面风积沙的颗粒较细，比表面积较大，对含水率的敏感性较强，另一方面又受到风积沙颗粒粒径单一，造成级配不良因此对水的敏感范围较大，双重方面作用的结果导致风积沙的休止角-含水率曲线双峰性；石屑的休止角集中于50-53°，随着含水量增加，风积沙的润湿，休止角也逐渐增加[2]。

图1 休止角-含水率曲线

对比风积沙和石屑的休止角随含水率变化可以发现：相比于石屑，风积沙的休止角对含水率的变化更为敏感，在含水率低时增长显著。这主要是由于石屑内部含有大量0.075以下的泥粉颗粒对水的吸附作用显著，提高了石屑的塑限和液限，导致需要大量水润湿提高内部颗粒间的作用力，休止角增长缓慢。风积沙的0.075以下颗粒含量非常少，且颗粒主要集中于0.075-0.3之间，润湿颗粒需水量小；颗粒之间松散堆积，颗粒间作用力微小，因此水的作用敏感性较高，较低水量即可对颗粒表面润湿起到显著作用从而大幅提高风积沙的休止角[3]。

对比图1中不同配比的风积沙和石屑的含水量与休止角之间的关系曲线，可以发现：不同比例的风积沙和石屑的含水量与休止角之间的关系曲线形状并无明显相似性。这主要是由于风积沙和石屑的水敏感性呈现不同的区间作用变化。其中当石屑:风积沙为9:1，由于材料以石屑为主，最佳含水率点（约10%）主要受到石屑影响，而其中的风积沙休止角水敏感性在10%附近时，出现显著的第二休止角敏感点，因此体系的休止角（55.9°）要大于纯石屑的休止角（50°）。与上述相类似，当石屑:风积沙为8:2，由于材料以石屑为主，最佳含水率点（约10%）主要受到石屑影响，而其中的风积沙休止角水敏感性在10%附近时，出现显著的第二休止角敏感点，同时由于石屑:风积沙（8:2）组成的体系的级配良好，使得石屑:风积沙（8:2）的休止角远大于石屑:风积沙（9:1）。

随着风积沙的比例进一步增加，石屑:风积沙为7:3，材料虽仍以石屑为主，最佳含水率点主要受到风积沙的影响，发生左移（7%），而风积沙休止角水敏感性在5%-10%附近时，出现明显的休止角度降低，因此体系的休止角（56.9°）要低于石屑:风积沙（8:2）组成的体系。当石屑:风积沙比例增大到6:4，风积沙的作用提高，体系的最佳含水率点进一步发生左移（6.5%），同时体系级配进一步破坏，体系的休止角（53.8°）要低于石屑:风积沙（7:3）组成的体系。当石屑:风积沙比例增大到5:5，体系内的风积沙为主，体系的最佳含水率点进一步发生左移（5%），同时体系石屑的休止角下降幅度远大于风积沙休止角的增加幅值，因此体系的休止角（49.8°）要低于石屑:风积沙（6:4）组成的体系。由上述可知：相同配比的物料，随着含水率的增加，物料的休止角基本呈现先增加后减小的趋势，不同配比的物料的休止角随着风积沙比例的增大，风积沙对物料贡献作用增加，导致休止角的突变点逐渐减小，含水率由10%减小到3%-6%，随着风积沙的比例增加，风积沙对物料的作用进一步增强，休止角峰值点逐渐左移。

3 工程应用

水泥稳定碎石基层沙漠地区，通过试验检测发现：相同水泥剂量的无风积沙水泥稳定碎石的无侧限抗压强度为平均值5.0MPa，代表值4.1MPa，最大值5.8MPa，最小值4.1MPa；等量替代石屑掺加风积沙（石屑：风积沙=8:2）的水泥稳定级配碎石的无侧限抗压强度为平均值5.9MPa，代表值4.6MPa，最大值6.5MPa，最小值5.5MPa；同时现场检测掺加风积沙的芯样嵌挤密实，取芯完整性较好。通过对比得出：等量替代石屑掺加风积沙（石屑：风积沙=8:2）水泥稳定碎石，比相同水泥剂量的无风积沙水泥稳定碎石的无侧限强度提高0.5MPa，约20%[4-5]。

4 结论

试验研究表明：（1）风积沙颗粒组成较为单一，风积沙的不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别为：0.5、1.3，属于不良级配沙，且风积沙的休止角具有双峰性。（2）由于风积沙的休止角的双峰性，加之风积沙和石屑对水的不同敏感性的双重作用，导致随着细集料复合体系内部的风积沙的比例增加，不同比例的风积沙和石屑的含水量与休止角之间的关系曲线形状并无非常显著的相似性。（3）相同配比的风积沙-石屑细集料复合体系，随着含水率的增加，细集料复合体系的休止角基本呈现先增加后减小的趋势，不同配比的风积沙-石屑的休止角受风积沙和石屑比例影响，随着风积沙的比例增加，风积沙对细集料复合体系的作用进一步增强，休止角峰值点逐渐左移。（4）细集料体系掺入20%风积沙，水泥稳定碎石的强度可提高0.5MPa。