摻砂量對玄武巖石屑性能的影響

摘 要：為研究摻砂量對玄武巖石屑性能的影響，實驗室用中砂和玄武巖石屑制備了不同摻砂量的試件，研究摻砂量對抗壓強度、劈裂強度、抗凍性能以及干縮性能的影響。試驗結(jié)果與分析顯示：22%左右摻砂量抗壓強度最大；20%左右摻砂量劈裂強度最大；摻砂量越高，抗凍性能越差；干縮性能越好；20%的摻砂量可以使試件達到最佳的綜合性能。研究結(jié)果顯示，在石屑中摻加適當比例的中砂可以提高石屑的干縮性能、抗壓強度以及劈裂強度，這不但可以解決道路建設(shè)材料需求與供應(yīng)的矛盾，還可以節(jié)約筑路成本，提高筑路質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水泥穩(wěn)定碎石；摻砂量；抗壓強度；劈裂強度；抗凍性能；干縮性能

中圖分類號：TU 528" " " " " 文獻標志碼：A

骨架-密實型水泥穩(wěn)定碎石具有較高的強度、較好的抗收縮性能和施工和易性，目前已成為各等級道路首選的級配類型。但石屑的應(yīng)用和供應(yīng)存在如下問題：1）石屑用量大。級配使石屑的需求量增加，集料中石屑的用量一般在30%～35%。 2）石屑產(chǎn)量低。粗顆粒的顆粒形狀對骨架的形成至關(guān)重要，傳統(tǒng)的顎式破碎機生產(chǎn)的集料已禁止進入高等級公路建設(shè)的集料市場，集料的生產(chǎn)廠家紛紛采用反擊式、錐式以及錘式等破碎方式，使石屑的生產(chǎn)率變得很低，一般為16%～22%，與石屑的平均需求量為32%相比，石屑的凈缺口比例為14%。3）石屑級配偏粗。由于采用硬質(zhì)巖石使石屑質(zhì)量偏粗。因此評價石屑質(zhì)量主要是采用級配、含泥量（或砂當量）以及與水泥反應(yīng)后形成的強度，石屑級配的變化主要與母材巖性和破碎方式有關(guān)，調(diào)整的余地較?。缓嗔浚ɑ蛏爱斄浚┡c集料生產(chǎn)組織有關(guān)，可以完善生產(chǎn)監(jiān)控體系，調(diào)整的幅度較大；石屑與水泥反應(yīng)后形成的強度，主要與石材的巖性有關(guān)。因此，在目前石料生產(chǎn)狀態(tài)下，業(yè)主單位對于石屑可控的指標只有含泥量，但石屑級配的好壞對水泥穩(wěn)定碎石的強度影響巨大。4）石屑的含泥量大。含泥量越大，水泥穩(wěn)定粒料混合料的干縮就越大，水泥穩(wěn)定粒料基層開裂的可能性就越大；在實際施工過程中，應(yīng)盡量降低水泥穩(wěn)定粒料混合料中的含泥量水平，含泥量應(yīng)控制在0%～1%[1]。雖然細集料的含量在集料破碎過程中是可檢可控的因素，但是在碎石集料大規(guī)模、粗放式的生產(chǎn)工程中，精確控制含泥量指標是不可能的。通過上面的分析可知，半剛性基層生產(chǎn)的實際與材料的供應(yīng)存在極大的矛盾，無論是石屑的數(shù)量還是質(zhì)量均滿足不了生產(chǎn)的需求，對于道路的建設(shè)產(chǎn)生了很大的影響。

本文通過室內(nèi)試驗研究摻砂量對干縮性能、強度以及抗凍性的影響，研究其影響規(guī)律和對石屑的替代比例。

1 試驗方法

中砂是工地所用江砂，細集料采用玄武巖石屑。對細集料抗壓強度、劈裂強度以及抗凍性能的影響；摻砂量分別為0%、20%、40%、60%、80%以及100%，水泥劑量取4.5%，成型?10cm×10cm的圓柱型試件，養(yǎng)生7d，考察摻砂量對水泥穩(wěn)定碎石細集料抗壓強度、劈裂強度以及抗凍性能的影響。

對水泥穩(wěn)定碎石細集料干縮性能的影響；摻砂量分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，水泥劑量取4.5%，成型5cm×5cm×20cm的小梁試件，考察摻砂量對水泥穩(wěn)定碎石細集料干縮性能的影響。

2 摻砂量對玄武巖石屑性能的影響

試驗中所用細集料的表觀密度見表1。

2.1 物理指標

在玄武巖石屑中摻入中砂做擊實試驗，測定含砂率對細集料最佳含水率和最大干密度的影響。擊實試驗的結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著摻砂量增加，最佳含水率隨之減少。這是由于砂的吸水性比石屑的吸水性差。最大干密度隨著摻砂量增加而增加，當50%時達到最大值，此時砂與石屑的密實性最好。

2.2 力學與功能指標

2.2.1 抗壓強度

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果進行配料，并裝入塑料袋中，加入預(yù)加水量的2/3拌合均勻，密封4h以便集料充分浸潤，然后加入剩余水量，采用靜壓法制成10cm×10cm的圓柱試件。成型24h后脫模，用塑料袋封裝后放入養(yǎng)生室養(yǎng)生，6d后從養(yǎng)生室取出試件，浸水24h后采用壓力機靜壓至試件破壞，得到試件破壞的極限荷載，從而計算試件的抗壓強度。每個級配成型2個平行試件，最后結(jié)果取平均值，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，當含砂率為20%時抗壓強度達到最高值，然后隨著含砂率提高，抗壓強度逐漸降低。砂與石屑的密實度越高，試件的空隙率越小，抗壓強度就越高，因此當摻砂率為20%時石屑與砂的密實性最好。

2.2.2 劈裂強度

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果進行配料，并裝入塑料袋中，加入預(yù)加水量的2/3拌合均勻，密封4h以便集料充分浸潤，然后加入剩余水量，采用靜壓法制成10cm×10cm的圓柱試件。成型24h后脫模，用塑料袋封裝后放入養(yǎng)生室養(yǎng)生，6d后從養(yǎng)生室取出試件，浸水24h后采用壓力機靜壓至試件破壞，得到試件破壞的極限荷載，從而計算試件的劈裂強度。每個級配成型2個平行試件，最后結(jié)果取平均值，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，當含砂率為20%時，劈裂強度達到最高值，隨著含砂率提高，劈裂強度逐漸降低。砂與石屑的密實度越高，試件的空隙率越小，劈裂強度就越高，因此當摻砂率為20%時石屑與砂的密實性最好。分析試件的抗壓強度和劈裂強度可知，抗壓強度和劈裂強度隨著含砂量增加，其變化規(guī)律曲線基本一致，這是由于抗壓強度和劈裂強度都是體現(xiàn)材料本身的力學特性，都與材料的密實性有正相關(guān)的關(guān)系。

2.2.3 抗凍性能

按成型要求制成10cm×10cm的圓柱試件，成型24h后脫模，用塑料袋封裝后放入養(yǎng)生室養(yǎng)生，第六天從養(yǎng)生室拿出試件，浸水24h后放入溫度為-18℃的低溫箱中，凍結(jié)時間為16h。然后立即放入20℃的恒溫水槽中進行融化，融化時間為8h。至此一次凍融循環(huán)結(jié)束。凍融組進行4次凍融循環(huán)后用壓力機進行無側(cè)限抗壓強度試驗，測得其抗壓強度，并與沒進行凍融循環(huán)的對照組進行對比，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖4中可知，隨著含砂率提高，試件的抗凍性能逐漸降低。由于砂中粉料含量少，與水泥的黏結(jié)性比石屑差，并且摻砂量越高，試件表面孔隙越多，在凍融循環(huán)中表面孔隙容易駐留水分導致表面松散，因此隨著摻砂量提高，集料抗凍性隨之降低。

2.2.4 干縮性能

根據(jù)擊實試驗的結(jié)果成型5cm×5cm×20cm的小梁試件。以最佳含水量拌合后裝入試模，用壓力機靜壓到要求的高度為止，表面覆蓋塑料紙養(yǎng)生1天后脫模，用塑料紙封閉包裝，安裝支架、千分表、稱重以及量長，千分表調(diào)零后開始觀測干縮數(shù)據(jù)，每天觀測一次數(shù)據(jù)，15天后去掉薄膜，繼續(xù)觀測，繪制干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)的變化曲線，如圖5、圖6所示。

試驗中試件用塑料膜覆蓋養(yǎng)生284h后，脫去塑料膜。此時，水分散失加快，由圖5可以看出累計干縮應(yīng)變快速增加，此時，容易發(fā)生收縮裂縫。

由圖可知，隨著含砂率提高，干縮應(yīng)變逐漸變小，即試件的干縮性能逐漸提高。

半剛性基層材料中固相部分的收縮系數(shù)取決于各固相的成分及其含量配比，就組成固相的礦物顆粒而言，原材料中砂粒以上顆粒的溫度收縮系數(shù)較小，粉粒以下顆粒，特別是黏土礦物的溫度收縮性較大；粉煤灰的脹縮性較小，新生膠結(jié)物具有較大的溫度脹縮性。因此，減少混合料中細集料含量或通過摻加脹縮性小的材料，可以減少混合料溫縮系數(shù)，從而提高半剛性材料的抗裂性能[2]。優(yōu)質(zhì)石屑的含泥量極少，而且石屑粒料多棱角，內(nèi)摩角大，又多細料（0.075 mm篩孔的通過率占1.2%），與骨料結(jié)合在一起易形成密級配，從而切斷孔隙通道，使水分不易散失。砂的表面光滑，無棱角，內(nèi)摩角小，吸水性差。同時，通過篩分發(fā)現(xiàn)通過0.075 mm篩孔僅為0.8%。由于砂的存在，使試件中的液相水容易散失，從而導致液相體積減少；也使毛細管作用加劇，材料礦物晶體或凝膠體減少。一般認為，氣相中大部分空隙貫通，也與大氣相通，不考慮它的變化[3]。

2.3 試驗小結(jié)

由以上試驗可以獲得摻砂量對試件性能的影響規(guī)律：對干縮性能來說，摻砂量越高，干縮性能越好；對抗壓強度來說，22%左右摻砂量抗壓強度最大；劈裂強度上，20%左右摻砂量劈裂強度最大；對抗凍性能來說，摻砂量越高，抗凍性能越差。由此可知，20%的摻砂量可以使玄武巖石屑和中砂試件的性能達到最好。

3 結(jié)論

采用合適比例的中砂代替石屑是可行的，在石屑中摻加適當比例的中砂可以提高石屑的干縮性能、抗壓強度以及劈裂強度。從該試驗所用材料來看，20%的摻砂量可以使玄武巖石屑和中砂試件的性能達到最好。對于砂儲量豐富的地區(qū)，可以通過試驗確定工程所用細集料的最佳摻砂量，采用部分中砂代替石屑。這不但可以解決道路建設(shè)材料需求與供應(yīng)的矛盾，而且可以節(jié)約筑路成本，提高筑路質(zhì)量。

參考文獻

[1]廖公云，黃曉明，傅智.含泥量對水泥穩(wěn)定粒料干縮特性的影響[J].公路交通科技，2005，22（1）：22-26.

[2]陳冬燕.半剛性基層材料抗裂性能研究[D].西安：長安大學，2005.

[3]劉超飛，徐江萍，曾石發(fā).摻砂對水泥穩(wěn)定碎石干縮性能的影響[J].黑龍江交通科技， 2006（6）：1-5.