水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層的抗凍性能研究

王 上，楊晨光，馬慶偉，郭 平

(1.安康公路管理局，陜西 安康 725000； 2.西安公路研究院，陜西 西安 710065)

0 引 言

陜北地區(qū)冬季極端氣溫低于-20 ℃，最大凍土深度為0.8～1.2 m，在初冬至春融期間，反復(fù)凍融循環(huán)造成道路基層強度衰減及路面局部凍脹翻漿。該地區(qū)以層狀分布的砂巖沉積巖為主，缺乏石灰?guī)r資源，富含砂巖礦藏。砂巖屬于天然損傷材料，根據(jù)水冰相變理論及冷生水合作用理論，在成巖過程中，巖體的干濕變化使得砂巖收縮膨脹，導(dǎo)致其含水率及孔隙率均高于石灰?guī)r，強度遠低于后者[1-2]。石灰?guī)r常常被用作水泥穩(wěn)定碎石基層材料，設(shè)計過程中的強度標準為抗壓強度及劈裂強度?？紤]到砂巖自身特性及陜北地區(qū)的特殊氣候特征，傳統(tǒng)的強度設(shè)計標準難以滿足陜北地區(qū)高速公路的通行要求，故有必要對水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層的抗凍性進行研究。目前，砂巖用于高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層尚無先例，且水泥穩(wěn)定砂巖碎石抗凍性的技術(shù)要求及設(shè)計標準仍有待研究[3-5]。本文基于陜北某高速公路的水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層實體工程的設(shè)計及施工經(jīng)驗，對水泥穩(wěn)定砂巖碎石試件進行凍融循環(huán)，研究凍融前后試件的強度變化規(guī)律，提出水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層的抗凍性設(shè)計標準。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗選用P.O42.5 緩凝水泥及粉煤灰，細集料為粒徑0～4.75 mm的石灰?guī)r，粗集料為黃陵至延安高速公路沿線3處料場生產(chǎn)的3種砂巖碎石A、B、C，選擇山西臨汾地區(qū)的石灰?guī)rD作為對照組。碎石粒徑為4.75～9.5 mm、9.5～19 mm及19～37.5 mm。陜北地區(qū)各料場的砂巖碎石母巖物理及技術(shù)指標不同，見表1。

表1 碎石試件母巖的物理及技術(shù)指標

由表1可知，不同類型砂巖的物理及力學(xué)指標變化幅度不大，但與石灰?guī)r相比有較大差距，吸水率及孔隙率為石灰?guī)r的10倍左右，單軸飽水抗壓強度比石灰?guī)r低53%～60%，堅固性試驗后飽水抗壓強度比石灰?guī)r低71.4%～79.2%。

1.2 配合比

經(jīng)室內(nèi)試驗及黃延高速現(xiàn)場驗證，選用表2中的配合比時，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的合成級配曲線與水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石一致[6]。水泥穩(wěn)定砂巖碎石的抗凍性試驗配合比見表2，水泥劑量分別為3.5%、4.0%及4.5%。

表2 抗凍性試驗試件配合比

1.3 抗凍性試驗

1.3.1 抗凍性指標

水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層的抗凍性試驗指標分為凍融殘留抗壓強度比及凍融殘留劈裂強度比。凍融循環(huán)后的殘留抗壓強度比為半剛性材料的抗凍性指標。凍融殘留劈裂強度比適合用作對抗拉較敏感的半剛性材料的抗凍性補充指標。其中，凍融殘留抗壓強度比為經(jīng)凍融循環(huán)試件的抗壓強度Rc1與未凍融試件的抗壓強度Rc0之比；凍融殘留劈裂強度比為經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂強度Ri1與未凍融試件的劈裂強度Ri0之比。

1.3.2 試驗方法

采用振動擊實成型法擊實水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層的抗凍性試驗試件[7]，依據(jù)JTG/T F20—2015及JTG E51—2009的要求制備并養(yǎng)生，測定圓柱形試件的最大干密度、最佳含水率、試件尺寸及表干質(zhì)量?？箖鲂栽囼瀾?yīng)制備2組試件，一組依據(jù)JTG E51—2009中T0805的要求測定未凍融試件的無側(cè)限抗壓強度及劈裂強度；另一組置于-10 ℃的低溫箱中凍結(jié)，待3 h后取出試件量高、稱重，并置于25 ℃恒溫水槽中融化，記錄試件表面破損、裂縫及邊角缺損情況，待重復(fù)凍融5次后，分別測定抗壓強度Rc1及劈裂強度Ri1。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 凍融殘留抗壓強度比

圖1 凍融前水泥穩(wěn)定砂巖碎石抗壓強度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

水泥穩(wěn)定砂巖碎石凍融前后的無側(cè)限抗壓強度及劈裂強度與試件的抗凍性直接相關(guān)[8-10]。采用水泥劑量為4.0%的水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石作為空白對照組，分析水泥摻量(3.5%、4.0%及4.5%)、砂巖類型(砂巖A、砂巖B及砂巖C)與齡期(7 d、28 d、60 d、90 d及180 d)對試件無側(cè)限抗壓強度的影響。圖1、2分別為凍融前后的試件無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系。

圖2 凍融后水泥穩(wěn)定砂巖碎石抗壓強度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

由圖1、2可得出以下幾點。

(1)凍融前后的水泥穩(wěn)定砂巖碎石抗壓強度均隨養(yǎng)生齡期增長，養(yǎng)生60 d前增長迅速，之后增長速度平緩且趨于穩(wěn)定。

(2)養(yǎng)生60 d前的試件凍融后抗壓強度損失約15%，養(yǎng)生后期(60 d后)抗壓強度損失小于10%。

(3)砂巖A、砂巖B的水泥穩(wěn)定碎石凍融前后的抗壓強度不足水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的60%，砂巖C的水泥穩(wěn)定碎石凍融前后的抗壓強度不足水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的75%。

2.2 凍融殘留劈裂強度比

采用水泥劑量為4.0%的水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石作為空白對照組，研究凍融作用、水泥摻量、砂巖類型及養(yǎng)生齡期對試件劈裂強度的影響[11-12]。圖3、4分別為凍融前后試件的劈裂強度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系。

圖4 凍融后水泥穩(wěn)定砂巖碎石劈裂強度與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

由圖3、4可知，凍融前后的水泥穩(wěn)定砂巖碎石的劈裂強度與養(yǎng)生齡期、水泥摻量均呈正相關(guān)[13]，養(yǎng)生60 d前劈裂強度增長迅速，之后增長緩慢且趨于穩(wěn)定。在相同齡期下，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的劈裂強度不足水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的40%。

2.3 抗凍性指標推薦值

水泥穩(wěn)定砂巖碎石試件設(shè)計應(yīng)考慮凍融前后的7 d劈裂強度及7 d抗壓強度?；趫D1、2繪制凍融殘留抗壓強度比與養(yǎng)生齡期的關(guān)系曲線，基于圖3、4繪制凍融殘留劈裂強度比與養(yǎng)生齡期的關(guān)系曲線，分別如圖5、6所示。

圖5 凍融殘留抗壓強度比與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

圖6 凍融殘留劈裂強度比與養(yǎng)生齡期的關(guān)系

由圖5可知：水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融殘留抗壓強度比與養(yǎng)生齡期呈正相關(guān)，養(yǎng)生90 d時趨于穩(wěn)定；與水泥摻量呈正相關(guān)，水泥摻量越大，凍融殘留抗壓強度比越高；在相同齡期下，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融殘留抗壓強度比高于水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石10%，這是由于砂巖吸水率大于石灰?guī)r，在凍融循環(huán)中，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的抗壓強度損失更大[14]。

由圖6可知：水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融殘留劈裂強度比與養(yǎng)生齡期呈正相關(guān)，且逐漸趨于穩(wěn)定。在相同齡期下，水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石的凍融殘留劈裂強度比明顯高于水泥穩(wěn)定砂巖碎石，平均高出6%左右。這是由于砂巖強度低于石灰?guī)r，吸水率大，在凍融過程中，砂巖內(nèi)部強度衰減比石灰?guī)r快，導(dǎo)致劈裂強度低于石灰?guī)r。隨著水泥含量增加，水泥穩(wěn)定碎石凍融殘留劈裂強度比呈增長趨勢，水泥含量為4.5%的砂巖試件的殘留劈裂強度比比水泥含量為3.5%時高3%左右。

對圖5、6中的凍融殘留抗壓強度比及凍融殘留劈裂強度比進行統(tǒng)計分析，確定殘留強度比推薦值[15-17]，結(jié)果見表3。

表3中，7 d凍融殘留抗壓強度比和凍融殘留劈裂強度比推薦值分別為85.0%～93.0%和87.0%～91.0%，即當水泥含量大于3.5%時，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的7 d凍融殘留抗壓強度比不低于85%，凍融殘留劈裂強度比不低于87%。

表3 水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融殘留強度比推薦值

分別對圖2及圖4中凍融后水泥穩(wěn)定砂巖碎石的抗壓強度及劈裂強度進行擬合與統(tǒng)計分析，推薦3.5%～4.5%水泥摻量對應(yīng)的凍融后強度值見表4。

表4 水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融后強度推薦值

表4中，凍融后7 d抗壓強度和劈裂強度推薦值分別為4.5～6.0 MPa和0.40～0.65 MPa，即當水泥劑量大于3.5%時，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融后7 d抗壓強度不低于4.5 MPa，7 d劈裂強度不低于0.40 MPa。建議當陜北地區(qū)公路交通荷載等級高或應(yīng)用層位較高時，取上限作為劈裂強度標準。

3 結(jié) 語

本文研究凍融前后試件的無側(cè)限抗壓強度及劈裂強度隨養(yǎng)生齡期變化的規(guī)律，對比不同水泥劑量及養(yǎng)生齡期下試件的凍融殘留抗壓強度比及凍融殘留劈裂強度比，得到以下結(jié)論。

(1)水泥摻量與水泥穩(wěn)定砂巖碎石的抗凍性呈正相關(guān)性。水泥穩(wěn)定砂巖碎石的凍融殘留抗壓強度比、凍融殘留劈裂強度比、Rc0、Rc1、Ri0及Ri1均隨水泥摻量增長而增長，當水泥摻量為4.5%時，試件的各項抗凍性能最佳。

(2)養(yǎng)生齡期超過60 d時，水泥穩(wěn)定砂巖碎石凍融前后的劈裂強度及抗壓強度趨于穩(wěn)定；養(yǎng)生齡期超過90 d時，水泥穩(wěn)定砂巖碎石的Rc0、Rc1、Ri0及Ri1趨于穩(wěn)定。陜北地區(qū)水泥穩(wěn)定砂巖碎石基層施工應(yīng)保證養(yǎng)生溫度在10 ℃以上，養(yǎng)生時間為60～90 d。

(3)在水泥穩(wěn)定砂巖碎石設(shè)計過程中，應(yīng)保證水泥含量大于3.5%，且水泥穩(wěn)定砂巖碎石的7 d凍融殘留抗壓強度比不低于85%，凍融殘留劈裂強度比不低于87%，凍融后7 d抗壓強度不低于4.5 MPa，劈裂強度不低于0.40 MPa。