二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度特性影響研究

劉 紅 鄒大成

(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)

1 概述

風(fēng)化砂是由地表巖石經(jīng)過一系列風(fēng)化作用而形成顆粒大小不同、堆積松散、棱角分明的礦物質(zhì)。風(fēng)化砂分布廣泛、取材方便、成本及運輸價格低廉，但風(fēng)化砂顆粒容易一捏就碎，自身強度較低，因此圍繞這一問題國內(nèi)學(xué)者對風(fēng)化砂的力學(xué)性能展開了研究分析。安彥卿對二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂以及施工工藝展開了研究分析，試驗結(jié)果得出：石灰、粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為4∶8,5∶10及4∶12的比例二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂抗壓強度均能滿足高等級公路路面底基層的要求，且后期強度仍有很大程度提高[1]。楊萬里[2]對于風(fēng)化砂的工程性質(zhì)及水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂的物理力學(xué)性質(zhì)作出研究，研究結(jié)果表明混合料的7 d無側(cè)限抗壓強度和劈裂強度均隨著水泥摻量的提高而增大。郭應(yīng)杰等[3]針對某高速公路沿線的風(fēng)化砂展開研究，針對其物理力學(xué)性質(zhì)和水泥穩(wěn)定之后的強度特性和路用性能采取了試驗研究，結(jié)果表明風(fēng)化砂經(jīng)過水泥穩(wěn)定之后強度增長明顯，且水穩(wěn)定性及抗凍性均較好。

然而二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂在不同比例、養(yǎng)護齡期作用下對其強度的影響研究較少。因此本文通過二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂采取不同比例，在不同的養(yǎng)護齡期作用下對其進行無側(cè)限抗壓強度試驗，研究其強度演化規(guī)律，并分析作用機理，為以后在實際工程中應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料

2.1.1風(fēng)化砂

本文所用的風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市三峽庫區(qū)某砂料場，大部分風(fēng)化砂是由花崗巖風(fēng)化而成，本身強度較低，較大的顆粒在外力作用下易破碎，呈棱角狀，風(fēng)化砂顆粒內(nèi)部分布著大量的細小裂縫及孔隙，且含有少量的細土粒。風(fēng)化砂的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 風(fēng)化砂基本物理性質(zhì)

2.1.2石灰

本試驗所用石灰為宜昌地區(qū)生產(chǎn)的生石灰在高溫煅燒而成的，外面為白色粉末狀，其中有效CaO含量為82.4%>80%，MgO含量4.5%<5%，屬于Ⅱ級鈣質(zhì)石灰。

2.1.3粉煤灰

本次試驗所用粉煤灰來自宜昌某燃煤電廠，顏色呈灰褐色，主要成分SiO2,Al2O3,Fe2O3占總含量的75.6%，燒矢量為7.2%，表面積為2 649 cm2/g，液限8.1%，塑限為41.2。

2.2 試驗方案

由JTG/T F20—2015公路路面基層施工技術(shù)細則中的規(guī)定，基層或底基層采用石灰粉煤灰穩(wěn)定材料時，石灰和粉煤灰的比例應(yīng)為1∶2～1∶4。因此在二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂力學(xué)試驗中，采用石灰摻量為4%,5%,6%,7%,8%，石灰粉煤灰比例為1∶2,1∶3,1∶4的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂分別在7 d,14 d,21 d,28 d養(yǎng)護齡期后的無側(cè)限抗壓強度，各摻量和比例的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)表

本文中無側(cè)限抗壓強度采用的試模尺寸為：直徑×高=φ100 mm×100 mm。試驗前將所需風(fēng)化砂放入干燥烘箱中烘干24 h以去除水分，保證試樣混合料中含水率的準(zhǔn)確性，若風(fēng)化砂在常溫下的風(fēng)干含水率小于1%，則可以直接用于試驗。試驗過程分別如圖1所示。

3 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度特性影響研究及機理分析

石灰摻量為4%，5%，6%，7%，8%，石灰和粉煤灰比例為1∶2，1∶3，1∶4的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂分別在7 d，14 d，21 d，28 d養(yǎng)護齡期后(其中最后一天泡水)，按照規(guī)范JTG E51—2009公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程規(guī)定的試驗過程對試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

根據(jù)表1中的試驗結(jié)果，以石灰摻量為橫坐標(biāo)，以二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度值為縱坐標(biāo)，繪制出石灰與粉煤灰為1∶2，1∶3，1∶4的比例下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度在經(jīng)過7 d，14 d，21 d，28 d養(yǎng)護齡期后隨著石灰摻量由4%增加到8%而變化的關(guān)系曲線，如圖2所示。

由表3，圖2可知：在不同養(yǎng)護齡期下，當(dāng)二灰比例為1∶2及1∶3時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度均隨著石灰摻量的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢，強度增長速率較平緩；當(dāng)二灰比例為1∶4時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度隨著石灰摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在石灰摻量達到7%時，無側(cè)限抗壓強度值開始低于二灰比例為1∶3的強度值。二灰比例為1∶2，石灰摻量由4%增加到8%時，養(yǎng)護齡期7 d～28 d對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度分別增加了0.55 MPa，0.43 MPa，0.42 MPa，0.33 MPa；二灰比例為1∶3，石灰摻量由4%增加到8%時，養(yǎng)護齡期7 d～28 d對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度分別增加了0.53 MPa，0.56 MPa，0.51 MPa，0.47 MPa；二灰比例為1∶4，石灰摻量由4%增加到8%時，養(yǎng)護齡期7 d～28 d對應(yīng)的無側(cè)限抗壓強度分別增加了0.18 MPa,0.25 MPa,0.31 MPa,0.35 MPa。

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是：二灰比例為1∶2及1∶3時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂中的石灰和粉煤灰發(fā)生火山灰作用，生成活性硅酸鈣和活性鋁酸鈣等礦物，這些膠凝礦物具有很好的粘結(jié)能力，能夠把風(fēng)化砂顆粒相互膠結(jié)在一起，因此提高了材料的強度和整體性。石灰摻量由4%增加到8%時，具有活性的膠凝礦物越多，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂顆粒與顆粒之間的粘結(jié)作用也越強，表現(xiàn)為材料整體強度的增大。在相同的石灰摻量下，當(dāng)二灰比例由1∶2變化到1∶3時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂中粉煤灰的量增多，石灰與粉煤灰經(jīng)火山灰作用生成膠凝礦物的同時，多余的粉煤灰顆粒中具有活性的SiO2和Al2O3遇水后會發(fā)生水化反應(yīng)，形成水化二氧化硅和水化三氧化二鋁，活性的水化物與風(fēng)化砂持續(xù)發(fā)生反應(yīng)，強度繼續(xù)增加。因此在相同石灰摻量下，二灰比例為1∶3的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂強度高于二灰比例為1∶2的強度。

當(dāng)二灰比例為1∶4，石灰摻量由4%增加到6%時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂混合料的結(jié)構(gòu)仍能形成一個較完整的水化反應(yīng)體系，導(dǎo)致二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂強度值提高。但石灰摻量由6%增加到8%時，石灰及粉煤灰在風(fēng)化砂混合料結(jié)構(gòu)體系中占比量較大，而風(fēng)化砂占總量比例減少，導(dǎo)致風(fēng)化砂顆粒之間無法緊密接觸，使得風(fēng)化砂顆粒之間的嵌擠作用形成的摩阻力降低，最終導(dǎo)致材料整體的骨架強度下降。

4 結(jié)語

本文對二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂力學(xué)性能試驗展開研究，試驗得出結(jié)論如下所示:

1)當(dāng)二灰比采取1∶2,1∶3時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度均隨著石灰摻量的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢，且強度增長幅度較為平緩。

2)當(dāng)二灰比采取1∶4時，石灰摻量增加到6%時，二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無側(cè)限抗壓強度仍然有所增強，在石灰摻量達到6%后其強度值有所降低，且低于二灰比1∶3時所對應(yīng)的強度值。

3)當(dāng)二灰比例分別為1∶2,1∶3,1∶4，石灰摻量從4%增加至8%時，所制備的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂7 d,14 d,21 d,28 d無側(cè)限抗壓強度均滿足作為一級公路底基層的強度指標(biāo)要求。