水泥穩定碎石的風積沙-石屑復合細集料體系研究

師 華

（中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

沙漠邊緣和腹地相對缺少良好的筑路材料，利用一定厚度的風積沙，可降低筑路成本。但由于風積沙的級配不良，目前風積沙的應用主要集中于路基填筑和低等級公路的基層底基層施工。通過對沙樣和風積沙細集料體系進行試驗研究，獲取風積沙的壓實特性和工程機理，發揮風積沙的承載能力，提高其穩定度和應用范圍。

1 原材料及試驗方案

1.1 風積沙顆粒分析

顆粒級配是細集料最重要的物理性能指標之一，顆粒級配反映材料粒度分布情況和空隙率大小。砂的顆粒級配是指不同粒徑的砂粒搭配比例。良好級配的空隙率達到最小值，堆積密度達最大值，可達到節約水泥劑量，提高水泥穩定級配碎石的綜合性能的目標。采集兩處不同地點的風積沙樣品和石屑進行顆粒篩分。對所取沙樣進行分析，試驗結果見表1對比兩種風積沙樣可以看出，不同地點獲取的沙樣雖然粒度上有所差別，但是相差不大，最大粒徑不超過，70%的顆粒集中0.6-0.15mm，大于0.5mm和小于0.075mm顆粒含量極少，而石屑的小于0.075mm顆粒達到20%[1]。

表1 風積沙、石屑顆粒級配曲線

從細集料級配方面來講，風積沙的不均勻系數Cu和曲率系數Cc分別為：0.5、1.3，是典型的不良級配。由石屑的篩分曲線可以得出：石屑的不均勻系數Cu和曲率系數Cc分別為：0.2、1.4。

1.2 試驗方案

沙的休止角φ反映了堆積集料體內部顆粒受力與坡面表層顆粒受力兩個方面的平衡關系。沙的休止角主要受到顆粒尺寸、表面質地、棱角性、非均勻沙級配、黏性、含水率、群體密實度以及重力加速度等因素的影響。文中采用自然堆積法進行風積沙和石屑的休止角試驗，研究不同含水率條件下風積沙和石屑的休止角變化，試驗方案見表2。

表2 風積沙-石屑復合體系休止角試驗方案

2 研究結果

研究不同含水率和配比條件下風積沙和石屑的休止角變化，結果見圖1。從圖1中可以發現，風積沙的休止角隨著含水量增加（0-約5%范圍內），風積沙的潤濕，休止角逐漸增加，在4%-5%時達到峰點（62.4°），隨后含水率超過6%，在含水率7%-8%時，風積沙的休止角顯著下降，隨后風積沙的休止角隨含水率的增加，發生二次休止角增加，當含水率進一步增大時，含水率又顯著下降，表明風積沙休止角-含水率曲線具有雙峰性，而這主要是一方面風積沙的顆粒較細，比表面積較大，對含水率的敏感性較強，另一方面又受到風積沙顆粒粒徑單一，造成級配不良因此對水的敏感范圍較大，雙重方面作用的結果導致風積沙的休止角-含水率曲線雙峰性；石屑的休止角集中于50-53°，隨著含水量增加，風積沙的潤濕，休止角也逐漸增加[2]。

圖1 休止角-含水率曲線

對比風積沙和石屑的休止角隨含水率變化可以發現：相比于石屑，風積沙的休止角對含水率的變化更為敏感，在含水率低時增長顯著。這主要是由于石屑內部含有大量0.075以下的泥粉顆粒對水的吸附作用顯著，提高了石屑的塑限和液限，導致需要大量水潤濕提高內部顆粒間的作用力，休止角增長緩慢。風積沙的0.075以下顆粒含量非常少，且顆粒主要集中于0.075-0.3之間，潤濕顆粒需水量小；顆粒之間松散堆積，顆粒間作用力微小，因此水的作用敏感性較高，較低水量即可對顆粒表面潤濕起到顯著作用從而大幅提高風積沙的休止角[3]。

對比圖1中不同配比的風積沙和石屑的含水量與休止角之間的關系曲線，可以發現：不同比例的風積沙和石屑的含水量與休止角之間的關系曲線形狀并無明顯相似性。這主要是由于風積沙和石屑的水敏感性呈現不同的區間作用變化。其中當石屑:風積沙為9:1，由于材料以石屑為主，最佳含水率點（約10%）主要受到石屑影響，而其中的風積沙休止角水敏感性在10%附近時，出現顯著的第二休止角敏感點，因此體系的休止角（55.9°）要大于純石屑的休止角（50°）。與上述相類似，當石屑:風積沙為8:2，由于材料以石屑為主，最佳含水率點（約10%）主要受到石屑影響，而其中的風積沙休止角水敏感性在10%附近時，出現顯著的第二休止角敏感點，同時由于石屑:風積沙（8:2）組成的體系的級配良好，使得石屑:風積沙（8:2）的休止角遠大于石屑:風積沙（9:1）。

隨著風積沙的比例進一步增加，石屑:風積沙為7:3，材料雖仍以石屑為主，最佳含水率點主要受到風積沙的影響，發生左移（7%），而風積沙休止角水敏感性在5%-10%附近時，出現明顯的休止角度降低，因此體系的休止角（56.9°）要低于石屑:風積沙（8:2）組成的體系。當石屑:風積沙比例增大到6:4，風積沙的作用提高，體系的最佳含水率點進一步發生左移（6.5%），同時體系級配進一步破壞，體系的休止角（53.8°）要低于石屑:風積沙（7:3）組成的體系。當石屑:風積沙比例增大到5:5，體系內的風積沙為主，體系的最佳含水率點進一步發生左移（5%），同時體系石屑的休止角下降幅度遠大于風積沙休止角的增加幅值，因此體系的休止角（49.8°）要低于石屑:風積沙（6:4）組成的體系。由上述可知：相同配比的物料，隨著含水率的增加，物料的休止角基本呈現先增加后減小的趨勢，不同配比的物料的休止角隨著風積沙比例的增大，風積沙對物料貢獻作用增加，導致休止角的突變點逐漸減小，含水率由10%減小到3%-6%，隨著風積沙的比例增加，風積沙對物料的作用進一步增強，休止角峰值點逐漸左移。

3 工程應用

水泥穩定碎石基層沙漠地區，通過試驗檢測發現：相同水泥劑量的無風積沙水泥穩定碎石的無側限抗壓強度為平均值5.0MPa，代表值4.1MPa，最大值5.8MPa，最小值4.1MPa；等量替代石屑摻加風積沙（石屑：風積沙=8:2）的水泥穩定級配碎石的無側限抗壓強度為平均值5.9MPa，代表值4.6MPa，最大值6.5MPa，最小值5.5MPa；同時現場檢測摻加風積沙的芯樣嵌擠密實，取芯完整性較好。通過對比得出：等量替代石屑摻加風積沙（石屑：風積沙=8:2）水泥穩定碎石，比相同水泥劑量的無風積沙水泥穩定碎石的無側限強度提高0.5MPa，約20%[4-5]。

4 結論

試驗研究表明：（1）風積沙顆粒組成較為單一，風積沙的不均勻系數Cu和曲率系數Cc分別為：0.5、1.3，屬于不良級配沙，且風積沙的休止角具有雙峰性。（2）由于風積沙的休止角的雙峰性，加之風積沙和石屑對水的不同敏感性的雙重作用，導致隨著細集料復合體系內部的風積沙的比例增加，不同比例的風積沙和石屑的含水量與休止角之間的關系曲線形狀并無非常顯著的相似性。（3）相同配比的風積沙-石屑細集料復合體系，隨著含水率的增加，細集料復合體系的休止角基本呈現先增加后減小的趨勢，不同配比的風積沙-石屑的休止角受風積沙和石屑比例影響，隨著風積沙的比例增加，風積沙對細集料復合體系的作用進一步增強，休止角峰值點逐漸左移。（4）細集料體系摻入20%風積沙，水泥穩定碎石的強度可提高0.5MPa。