風積沙摻量對水泥穩定級配礫石性能的影響研究

李文君

（新疆應用職業技術學院，新疆 奎屯 833200）

0 引言

風積沙在沙漠地區具有豐富的儲量，是沙漠修建公路的主要材料之一[1]。風積沙在沙漠地區修建公路中具有低污染、低排放、低消耗、高效能等眾多優勢。但當前對于摻風積沙水泥穩定性級配礫石混合料基層的研究還處于初始階段，風積沙替代填料應用于水泥穩定級配礫石混合料是否可行還需要進一步研究。

1 實驗方案

1.1 實驗材料

水泥：選擇42.5 號普通硅酸鹽水泥，水泥的各項指標均滿足GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規范要求，水泥的初凝時間為210min，終凝時間為395min，28d 抗壓強度47.8MPa，燒失量1.22%。

風積沙：風積沙外觀呈淡黃色，松散狀，堆積密度1.35g/cm3，含水率0.2%，空隙率47%，細度模數0.64，含泥量1.9%，最大粒徑0.493mm，級配如表1 所示。

表1 風積沙粒徑級配

粗集料為花崗巖，細集料為機制砂，粗集料壓碎值19.0%，粉塵含量0.075mm 下＜1%，軟土含量＜1%，有機含量＜1%，硫酸鹽含量＜0.1%，顆粒篩分能夠滿足《公路路面基層施工技術細則》JTG/TF20-2015（簡稱《細則》）的要求。本文的試驗研究采用《細則》推薦的C-B-3 骨架密實型水泥穩定級配礫石礦料級配。

1.2 實驗方案

試驗采用相同礦料級配，對風積沙、集料逐檔篩分之后，根據表2 所示的水泥穩定級配礫石礦料級配要求，反復計算各篩孔的篩余量，將風積沙采用內摻形式參與級配合成，調整風積沙的摻量為0%、3%、6%、9%、12%，通過7d 無側限抗壓強度實驗，確定不同風積沙摻量下,水泥穩定級配礫石混合料的最佳水泥摻量。對于風積沙摻量對于水泥穩定級配礫石混合料力學性能和耐久性的影響進行試驗，評價內容包括干縮試驗、溫縮試驗、單軸壓縮模量試驗、彎拉強度試驗、抗沖刷試驗、疲勞試驗、凍融試驗[3]。

表2 試驗采用水泥礫石礦料級配

1.3 實驗方法

在實驗過程中，設置環境溫度為20±2℃，相對濕度≥95%，養生至《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTGE51-2009）規范規定齡期[4]。其中，彎拉強度試驗使用550mm×150mm×150mm 大梁試件，根據《無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗方法》（T08051-1994）規范開展實驗。疲勞試驗分別采用4 個應力強度比：0.5、0.6、0.7、0.8，施加10Hz 頻率的連續Havesine 波，根據《無機結合料穩定材料疲勞試驗方法》（T0856-2009）規范進行實驗。單軸壓縮模量試驗選擇Φ150×150mm 圓柱體試件，根據《公路瀝青路面設計規范》（JTGD50-2017）進行實驗。無側限抗壓強度的實驗則是采用Φ150×150mm 圓柱體試件，以《無機結合料穩定材料無側限抗壓強度試驗方法》（T0805-1994）為實驗方法為實驗方法參照。溫縮試驗設定穩定為60～-25℃，試件尺寸采用550×150×150mm 大梁試件，實驗方法則是參照《無機結合料穩定材料溫縮試驗方法》（T0855-2009）規范。設置干縮實驗的環境溫度為20℃，相對濕度為60%，采用550mm×150mm×150mm 大梁試件，按照《無機結合料穩定材料干縮試驗方法》（T0854-2009）規范進行試驗。沖刷試驗采用Φ150mm×20mm 圓柱體試件，試驗方法參照《無機結合料穩定材料抗沖刷試驗方法》（T0860-2009）規范，動水沖刷峰值為0.5MPa，沖刷30min，沖刷頻率為10Hz[5]。

2 力學性能

2.1 無側限抗壓強度

不同水泥摻量下，風積沙水泥穩定級配礫石混合料的7d 無側限抗壓強度試驗結果如圖1 所示。在相同風積沙摻量下，混合料的無側限抗壓強度，會隨著水泥摻量增加而增加；相同水泥摻量下，無側限抗壓強度隨著風積沙摻量增加而下降。因此，風積沙摻量的增加會對混合料無側限抗壓強度產生負面影響。

圖1 無側限抗壓強度試驗結果

2.2 劈裂強度

劈裂強度試驗結果如圖2 所示。試驗結果表明：隨著風積沙摻量的增加，混合料劈裂強度逐漸減小,但劈裂強度應不小于0.5MPa 的下限要求，風積沙摻量最大應控制在6%。

圖2 劈裂強度試驗結果

2.3 彎拉強度

彎拉強度實驗結果如圖3 所示。隨著風積沙摻量的不斷增加，混合料的彎拉強度則呈現出逐漸遞減的趨勢，擬合優化度R2 大于0.95。風積沙摻量從0 增加到12%，混合料彎拉強度從2.34MPa 下降至1.42MPa，降幅達39.3%。在0～9%的風積沙摻量下，其彎拉強度需要滿足《公路瀝青路面設計規范》（JTGD50-2017）要求的1.5～2.0MPa 彎拉強度的參考范圍，而風積沙摻量12%的情況下，彎拉強度小于1.5MPa。因此，風積沙摻量過多，會導致水泥穩定級配礫石混合料的彎拉強度出現嚴重劣化，即便是6%的水泥摻量條件下，將最小彎拉強度1.5MPa 作為約束條件，那么水泥穩定級配礫石混合料的最大風積沙摻量也不能大于9%。

圖3 不同風積沙摻量下水泥穩定級配礫石混合料7d 彎拉強度

3 耐久性能

不同沖刷時間下的水泥穩定級配礫石沖刷質量損失情況如圖4 所示，具體分析如下：

圖4 水泥穩定級配碎石沖刷試驗結果

（1）隨著沖刷時間的延長，水泥穩定級配礫石的沖刷損失質量會逐漸增加，混合料的松散破壞情況發生率越高。而通過對沖刷損失質量與沖刷時間線性擬合方程的斜率、截距進行比較，可以發現，隨著風積沙摻量的增加，斜率和截距也會隨之增大，這意味著風積沙摻量越大，混合料在經過水沖刷之后的質量損失也更大，并且,混合料沖刷損失質量對于時間增加,其敏感度不斷增加，所以摻加風積沙對于水泥穩定級配礫石混合料的水穩定性存在負面影響。風積沙摻量越高，混合料質量越差。

（2）經過30min 的沖刷之后，不同比例的風積沙水泥穩定級配礫石混合料的沖刷質量損失程度也不同，風積沙摻量分別為3%、6%、9%、12%時，混合料質量損失依次為34.6g、37.3g、43.2g、49.3g。與未摻加風積沙的混合料比較而言，均出現了不同程度的增加。

（3）風積沙摻量在0～6%時，沖刷損失質量可以滿足《細則》的要求，而風積沙摻量大于6%之后，沖刷損失質量則無法滿足《細則》的沖刷損失質量要求。所以，基于水穩定性要求，風積沙摻量最大為6%。

4 結束語

（1）風積沙摻量對于水泥穩定級配礫石混合料的力學性能存在一定的負面影響。風積沙摻量由0 增大至12%，水泥穩定級配礫石的彎拉強度降低幅度達39.3%，劈裂強度降低幅度達66.7%。

（2）從半剛性基層水泥穩定性考慮，最大的風積沙摻量為6%。

（3）摻加風積沙會影響水泥穩定級配礫石混合料的抗沖刷性能，風積沙摻量為0～6%，沖刷損失質量才可以滿足《細則》中的相關要求。