水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙基層壓實(shí)特性分析

周 磊

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 原材料及試驗設(shè)計

1.1 風(fēng)積沙工程分類

國內(nèi)研究者多參照規(guī)范GB/T50145-2007，采用0.074 mm以下顆粒含量或含泥量作為分類指標(biāo)，以5%和15%為分界點(diǎn)，將風(fēng)積沙大致成了細(xì)砂、含土細(xì)砂和土質(zhì)細(xì)砂3類；對于國外(也門)風(fēng)積沙，劃分界點(diǎn)與國內(nèi)存在著差異，反映了不同地區(qū)風(fēng)積沙工程特性的差異性。

工程實(shí)踐表明，風(fēng)積沙中0.075～0.25 mm的細(xì)沙粒占大多數(shù)，粗顆粒及粉黏粒含量很少。從砂的分類來看，風(fēng)積沙為級配不良砂；從土的分類來看，屬于粗粒土，位于粗粒土與細(xì)粒土的分界處，是一種特殊的細(xì)砂土。已有研究表明，隨著細(xì)粒(0.074 mm以下顆粒)含量增加，風(fēng)積沙的塑性逐漸增強(qiáng)，有向細(xì)粒土轉(zhuǎn)變的趨勢。由此可見，風(fēng)積沙既是一種介于粗粒土與細(xì)粒土之間的特殊細(xì)砂土，又是一種較為特殊的級配不良砂。

為將新疆地區(qū)風(fēng)積沙進(jìn)行工程分類，風(fēng)積沙地區(qū)采集兩個沙樣，其中一個沙樣用于室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)積沙篩分試驗，分析風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)、曲率分析風(fēng)積沙的不均勻系數(shù)、曲率細(xì)度模數(shù)、0.075 mm以下含量0.15 mm篩孔通過率以及含泥量等指標(biāo)。

由于新疆地區(qū)風(fēng)積沙樣的0.15 mm篩孔通過率為7%～95%，對風(fēng)積沙的顆粒組成影響很大；此外，0.15 mm篩孔通過率對風(fēng)積沙細(xì)度模數(shù)，即粗細(xì)程度影響很大，最終會影響到水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙的配合比設(shè)計和路用性能，因此最終確定將0.15 mm篩孔通過率作為風(fēng)積沙的分類指標(biāo)，對新疆地區(qū)風(fēng)積沙進(jìn)行類別劃分。劃分方法為：取六種風(fēng)積沙樣的0.15 mm篩孔通過率，計算其平均值為45%；以平均值為基準(zhǔn)上下各取15%，即以30%和60%為分界點(diǎn)，將風(fēng)積沙劃分為A、B、C三類，如圖1所示。

圖1 新疆風(fēng)積沙分類示意圖

圖中A區(qū)域表示A類風(fēng)積沙，0.15 mm篩孔通過率<30%， 細(xì)度模數(shù)M為0.9～1.4；B區(qū)域表示B類風(fēng)積沙，0.15 mm篩孔通過率30%～60%，細(xì)度模數(shù)M為0.5～0.9；C區(qū)域表示C類風(fēng)積沙，0.15 mm篩孔通過率>60%，細(xì)度模數(shù)M為0～0.5。

1.2 原材料

(1)風(fēng)積沙

本次對風(fēng)積沙沙樣進(jìn)行試驗分析，試驗用風(fēng)積沙的基本信息見表1。

表1 試驗用風(fēng)積沙樣的基本信息

(2)水泥

試驗采用的水泥為P·O 42.5緩凝型普通硅酸鹽水泥，依據(jù)規(guī)范JTG E30-2和GB/T 1346-2011對其各項技術(shù)性能進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果見表2，由此可以看出，試驗用水泥的各項技術(shù)性能均滿足規(guī)范GB 175-2007的要求。

表2 水泥技術(shù)性能檢測結(jié)果

1.3 試驗設(shè)計

針對A、B、C三類風(fēng)積沙，擬定5%、6%、7%、8%、9%五種水泥摻量，每種配合比預(yù)定5個含水率，根據(jù)規(guī)程JTG E51-2009，采用內(nèi)摻法成型Ф10.0×12.7 cm圓柱形試件，每組配合成型5個試件，試驗共成型3×5×5×5=375個試件。試件成型時，分5層進(jìn)行錘擊，每層錘擊27次，擊實(shí)試驗方案見表3。

表3 水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙擊實(shí)試驗方案

2 水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙壓實(shí)特性

通過室內(nèi)重型擊實(shí)試驗，各組試件最大干密度和最佳含水量的測試結(jié)果如下：

表4 水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙擊實(shí)試驗結(jié)果

2.1 水泥摻量對擊實(shí)特性的影響

水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙的最佳含水量與水泥摻量的關(guān)系見圖2。

圖2 水泥摻量對最佳含水量的影響

由圖2中試驗結(jié)果可以看出，A、B、C三個不同類別的風(fēng)積沙對應(yīng)的最佳含水量均隨著水泥摻量的增加有不同程度的增大，這主要是因為水泥比表面積比風(fēng)積沙大，水泥劑量的增加顯著改變水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙材料比表面積，因此水泥摻量增加，相應(yīng)最佳含水量也逐漸增大。

此外，由圖中結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對于A、B、C三個不同類別的風(fēng)積沙，水泥劑量對水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙最佳含水量的影響幅度均很小，同一類沙洋不同水泥摻量的最佳含水量最大差值僅為2.2%。因此，采用不同配合比的水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙進(jìn)行現(xiàn)場施工時，可采用最佳含水量的平均值作為控制指標(biāo)進(jìn)行施工，既能滿足施工精度要求，又可提高施工效率。

2.2 水泥摻量對最大干密度的影響

水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙的最大干密度與水泥摻量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 水泥摻量對最大干密度的影響

由圖3中水泥摻量對最大干密度的影響試驗結(jié)果可以看出，不同類別風(fēng)積沙對應(yīng)的最大干密度均隨著水泥劑量的增加有不同程度的增大，這主要是由于水泥顆粒較細(xì)，在水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙材料中可以起到填充骨料間隙的作用，從而使內(nèi)部更加密實(shí)。因此，水泥劑量增加，其最大干密度也隨之增大。

此外，由圖中結(jié)試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，對于不同類別風(fēng)積沙，水泥劑量對水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙最大干密度的影響也均為很小，同一類沙洋不同水泥摻量的最大干密度最大僅僅相差0.1%。因此，當(dāng)采用不同配合比的水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙進(jìn)行現(xiàn)場施工時，可采用最大干密度的平均值作為控制指標(biāo)進(jìn)行施工，既能滿足施工精度要求，又可提高施工效率。

2.3 風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率對擊實(shí)特性的影響

風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率是風(fēng)積沙類別的劃分指標(biāo)，為了分析其對水泥風(fēng)積沙材料的最佳含水量和最大干密度的影響，繪制了最佳含水量和最大干密度隨風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率的變化規(guī)律圖，見圖4與圖5。

圖4 風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率對最佳含水量的影響

圖5 風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率對最大干密度的影響

由圖4可以看出，風(fēng)積沙以0.15 mm篩孔通過率作為風(fēng)積沙類別的劃分指標(biāo)，對水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙的最佳含水量影響很大。水泥摻量相同，風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率越大，混合料的最佳含水量也越大。例如，以A類風(fēng)積沙各配合比的最佳含水量平均值ω=9.1%為基準(zhǔn)，B類風(fēng)積沙最佳含水量(ω=10.9%)增加了19.8%，C類風(fēng)積沙(ω=11.5%)增加了26.4%。其主要原因是風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率越大，風(fēng)積沙顆粒越細(xì)，其比表面積越大，吸附水分越多，因此最佳含水量也越大。

由圖5可以看出，風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率對水泥風(fēng)積沙的最大干密度有一定影響；0.15 mm篩孔通過率越大，水泥風(fēng)積沙的最大干密度越小。例如，以A類風(fēng)積沙的各配合比的最大干密度平均值ρ=1.885 g·cm為基準(zhǔn)，B類風(fēng)積沙(ρ=1.825 g·cm)減小了3.2%，C類風(fēng)積沙(ρ=1.765 g·cm)減小了6.4%。其主要原因是風(fēng)積沙0.15 mm篩孔通過率越大，風(fēng)積沙顆粒越細(xì)，最佳含水量越大，材料中水分就會占用更多的空間，致使材料不易壓實(shí)；另外，風(fēng)積沙顆粒越細(xì)，級配越差，水泥漿體的填充作用越弱，也導(dǎo)致了壓實(shí)性能的下降，因此其最大干密度就越小。

3 結(jié) 語

水泥摻量、風(fēng)積沙級配對水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙材料的壓實(shí)性能影響程度完全不同，其壓實(shí)性能受風(fēng)積沙級配的影響程度遠(yuǎn)大于水泥摻量。水泥的添加增加了水泥穩(wěn)定風(fēng)積沙材料比表面積且在混合料中起到填充作用。因此對于同一種沙洋，水泥摻量越高，最佳含水量及最大干密度也就越大。

而風(fēng)積沙粒徑越集中，顆粒越均勻，結(jié)構(gòu)就越為松散，顆粒間難以形成嵌擠結(jié)構(gòu)。如果風(fēng)積沙顆粒越細(xì)，級配越差，材料中水分就會占用更多的空間，水泥漿體的填充作用越弱，致使材料不易壓實(shí)導(dǎo)致壓實(shí)性能的下降。