洞渣硬质砂岩水泥稳定碎石力学性能研究

杨虎陈 晏 永

（1.云南云路工程检测有限公司，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 653100）

1 引言

我国高速公路的设计和施工采用了“强基薄面”的思路，水泥稳定碎石因其成本低、收缩性低、抗冲刷能力好等特点而被选作高等级公路基层，其所用碎石往往采用性能良好的石灰岩。近年来，云南省高速公路逐步往金沙江流域及各类自然保护区建设，由于建设区域内国家环保要求严格、区域矿料资源分布不均等情况，项目建设常常出现石灰岩石料严重短缺的情况。考虑到金沙江流域高速公路隧道比例大，隧道洞渣多为硬质砂岩，本文尝试在水泥稳定碎石中应用洞渣硬质砂岩进行研究，以解决施工过程中遇到的风险和困难。

砂岩是由各种砂粒胶结而成的沉积岩，主要是因其含有硅、钙、黏土和氧化铁。绝大部分砂岩由石英或长石组成，具有密度低、孔隙率相对较高、单轴抗压强度小等特点，广泛应用于特殊地区的路堤建筑材料。王孟华等曾将红砂岩应用于323国道线、随（州）岳（阳）高速公路的边坡防护材料，取得了良好的工程效果。吕有盛等结合湖南省红砂岩特性提出了红砂岩路基材料的施工要点。文素琴结合衡枣高速公路提出了不同崩解等级下的砂岩路面施工要点。陈晓斌等从微观结构分析了砂岩作为路基填料时的剪切流变性。丛卓红等采用Pearson简单相关系数分析了水泥稳定碎石路用性能指标与原材料技术指标的相关系数，提出了硬质砂岩在水泥稳定碎石中应用的关键性指标。

鉴于此，本文采用垂直振动法成型试件，对云南金沙江流域地区不同隧道产洞渣砂岩成型的水泥稳定碎石进行力学特性研究，以期对工程应用提供指导和依据。

2 试验方案

2.1 原材料

（1）水泥。《公路路面基层施工技术细则》（JTG/T F20-2015）中规定水泥稳定碎石宜使用C32.5、C42.5两个强度等级的水泥，其中初凝时间宜大于3h，终凝时间6～10h。本文所用水泥为云南某水泥厂生产的普通硅酸盐水泥（P·O 42.5），技术指标见表1。

表1 水泥技术指标

（2）集料。采用高速公路沿线的3个隧道洞渣破碎场，选择隧道A、隧道B、隧道C及路面标自购石灰岩D，水泥稳定碎石集料的技术指标见表2。

表2 集料技术指标

（3）级配。水泥稳定碎石采用C-B-3型配合比，各砂岩水泥稳定碎石级配见表3。

表3 水泥稳定碎石配合比

2.2 振动试验方法

（1）成型方式的选取。周勇研究了成型方式对混合料的性能影响，振动成型能够得到强度更高的水泥稳定砂岩碎石混合料，振动成型的试件与实际工程中的水泥稳定碎石密度及排列方式更加接近。因此，本研究对水泥稳定砂岩碎石混合料力学性能的研究采用振动成型方式。

（2）仪器及参数。所用设备为ZY-4液压振动压实成型机，水泥稳定碎石试件尺寸高150mm、直径150mm。振动试验仪的参数设置为：振动频率30Hz、激振力7.6kN、上车系统1.2kN、下车系统1.8kN。成型试件的压实度为98%。

（3）试验方法。选用A、B、C、D四种矿料，按合成级配以及3.0%、4.0%、5.0%三种水泥计量进行水泥稳定碎石拌制，并利用振动压实仪将其压成标准试件后置于养护室中养护，测试前饱水浸泡1d，试件的养生龄期为7d、28d、60d、180d。

3 试验分析

3.1 无侧限抗压强度

无侧限抗压强度是水泥稳定碎石的控制性指标，它代表了水泥稳定碎石的承载能力。本节对不同隧道出产洞渣砂岩（A、B、C、D）、不同水泥剂量（3%、4%、5%）拌制、成型后养护不同时间（7d、28d、60d、180d）的水泥稳定碎石标准试件进行无侧限抗压强度测试。试验结果见图1。

图1 无侧限抗压强度

本节将分别从砂岩类型、水泥剂量、养护时间三个方面分析其对无侧限抗压强度的影响。如图1所示，3%水泥剂量、7d龄期的砂岩A、砂岩B、砂岩C和石灰岩D的无侧限抗压强度分别 为 3.0MPa、2.8MPa、3.0MPa、3.8MPa， 石 灰岩的水泥稳定碎石无侧限强度最高，比砂岩高出27%～36%；5%水泥剂量、120d龄期的砂岩A、砂岩B、砂岩C和石灰岩D的无侧限抗压强度分别为 9.1MPa、8.4MPa、8.8MPa、10.4MPa，石灰岩的水泥稳定碎石无侧限抗压强度最高，比砂岩高出14%～24%，其他剂量和龄期的水泥稳定碎石均呈现该规律。但随着水泥剂量的加大和龄期的延长，石灰岩的增长幅度逐渐减小，原因主要有以下两点：

（1）石灰岩集料的无侧限强度高于洞渣砂岩，其在水泥稳定碎石中提供的内摩擦力更强，使砂岩水泥稳定碎石的无侧限抗压强度低于石灰岩水泥稳定碎石。但随着水泥用量的增加和养护时间的延长，水泥稳定碎石中的水泥充分水化，强度提高，岩性对无侧限抗压强度的影响逐渐减小。

（2）砂岩的表面比较粗糙、孔洞较多，使其在相同粒径范围下比表面积更大，所需水量更高，在相同水泥剂量条件下水灰比更高，从而影响水泥水化产物的强度，造成水泥稳定碎石的无侧限抗压强度更低。

3.2 间接拉伸强度

间接拉伸强度是水泥稳定碎石的主要指标，其代表了水泥稳定碎石的抗开裂能力。本节对上述水泥稳定碎石标准试件进行间接拉伸强度测试。试验结果见图2。

图2 间接拉伸强度

本节将分别从砂岩类型、水泥剂量和养护时间三个方面分析其对间接抗拉强度的影响。如图2所示，3%水泥剂量、7d龄期的砂岩A、砂岩B、砂岩C和石灰岩D的间接拉伸强度分别为0.34MPa、0.28MPa、0.32MPa、0.38MPa，石灰岩的水泥稳定碎石间接拉伸强度最高，比砂岩高出12%～36%；5%水泥剂量、120d龄期的砂岩A、砂岩B、砂岩C和石灰岩D的间接拉伸强度分别为 0.92MPa、0.84MPa、0.91MPa、1.03MPa，石灰岩的水泥稳定碎石间接拉伸强度最高，比砂岩高出12%～23%，其他剂量和龄期的水泥稳定碎石均呈现该规律。但随着水泥剂量的加大和龄期的延长，砂岩和石灰岩水泥稳定碎石的间接拉伸强度趋于相同。砂岩能够提供水泥稳定碎石较好的间接拉伸强度，其原因主要有以下三点：

（1）水泥稳定碎石混合料的间接拉伸强度主要由水泥水化产物提供，集料的强度对其影响有限，故集料类型对其影响明显低于水泥剂量和养护时间。

（2）砂岩的表面比较粗糙、孔洞较多。一方面，该特性使其在相同粒径范围下比表面积更大，所需水量更多，在相同水泥剂量条件下水灰比更高，从而影响水泥水化产物的强度，造成水泥稳定碎石的间接拉伸强度更低。另一方面，粗糙的表面在制约集料的相互错动方面具有优势，但间接拉伸过程中主要考察的是水化产物与集料之间的黏结强度，粗糙的表面反而制约了水化产物与集料表面的黏结强度。

（3）长期养护后的砂岩水泥稳定性更高，给试件内部的水泥水化反应提供了更充分的水，使其在长龄期条件的间接拉伸强度与石灰岩水泥稳定碎石相近。

3.3 抗压回弹模量

抗压回弹模量是水泥稳定碎石的主要指标，其是高速等级公路沥青路面结构设计的重要参数。本节对上述水泥稳定碎石标准试件进行抗压回弹模量进行测试。试验结果见图3。

图3 抗压回弹模量

本节将分别从砂岩类型、水泥剂量和养护时间三个方面分析其对抗压回弹模量强度的影响。如图3所示，3%水泥剂量、7d龄期的砂岩A、砂岩B、砂岩C和石灰岩D的抗压回弹模量分别为 572MPa、537MPa、554MPa、591MPa，石灰岩的水泥稳定碎石抗压回弹模量最高，比砂岩高出3%～10%；5%水泥剂量、120d龄期的砂岩A、砂岩B、砂岩C和石灰岩D的抗压回弹模量分别为2 178MPa、2 014MPa、2 103MPa、2 321MPa， 石灰岩的水泥稳定碎石抗压回弹模量最高，比砂岩高出7%～15%，其他剂量和龄期的水泥稳定碎石均呈现该规律。随着龄期的增长，各岩性、各水泥剂量的水泥稳定碎石的抗压回弹模量不断增长，前期增长较快，60d后的增长趋于平缓。相同水泥剂量和养护龄期下的各岩性水泥稳定碎石的抗压回弹模量不超过15%，差异较小，足以说明使用砂岩作为水泥稳定碎石用集料并不会对路面设计厚度结果产生明显影响。在实际工程中可用水泥稳定碎石计算的基层厚度进行施工，无需重新调整设计。

4 结语

（1）砂岩用于水泥稳定碎石会使无侧限抗压强度和间接拉伸强度下降，但可通过适当增加水泥剂量获得同等的承载力。（2）随着养护试件的延长，砂岩对水泥稳定碎石造成无侧限抗压强度和间接拉伸强度的影响会明显减小，可推测在长期性能方面与石灰岩水泥稳定碎石相当。（3）砂岩对水泥稳定碎石的抗压回弹模量影响较小，在实际工程中，无需重新调整设计。（4）在砂岩水泥稳定碎石的应用过程中应考虑最佳含水率对其干缩性能的影响，避免过高含水率造成实体工程大面积干缩开裂。