水泥稳定砂岩碎石基层的抗冻性能研究

王 上，杨晨光，马庆伟，郭 平

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

0 引 言

陕北地区冬季极端气温低于-20 ℃，最大冻土深度为0.8～1.2 m，在初冬至春融期间，反复冻融循环造成道路基层强度衰减及路面局部冻胀翻浆。该地区以层状分布的砂岩沉积岩为主，缺乏石灰岩资源，富含砂岩矿藏。砂岩属于天然损伤材料，根据水冰相变理论及冷生水合作用理论，在成岩过程中，岩体的干湿变化使得砂岩收缩膨胀，导致其含水率及孔隙率均高于石灰岩，强度远低于后者[1-2]。石灰岩常常被用作水泥稳定碎石基层材料，设计过程中的强度标准为抗压强度及劈裂强度。考虑到砂岩自身特性及陕北地区的特殊气候特征，传统的强度设计标准难以满足陕北地区高速公路的通行要求，故有必要对水泥稳定砂岩碎石基层的抗冻性进行研究。目前，砂岩用于高速公路水泥稳定碎石基层尚无先例，且水泥稳定砂岩碎石抗冻性的技术要求及设计标准仍有待研究[3-5]。本文基于陕北某高速公路的水泥稳定砂岩碎石基层实体工程的设计及施工经验，对水泥稳定砂岩碎石试件进行冻融循环，研究冻融前后试件的强度变化规律，提出水泥稳定砂岩碎石基层的抗冻性设计标准。

1 试验方案

1.1 原材料

试验选用P.O42.5 缓凝水泥及粉煤灰，细集料为粒径0～4.75 mm的石灰岩，粗集料为黄陵至延安高速公路沿线3处料场生产的3种砂岩碎石A、B、C，选择山西临汾地区的石灰岩D作为对照组。碎石粒径为4.75～9.5 mm、9.5～19 mm及19～37.5 mm。陕北地区各料场的砂岩碎石母岩物理及技术指标不同，见表1。

表1 碎石试件母岩的物理及技术指标

由表1可知，不同类型砂岩的物理及力学指标变化幅度不大，但与石灰岩相比有较大差距，吸水率及孔隙率为石灰岩的10倍左右，单轴饱水抗压强度比石灰岩低53%～60%，坚固性试验后饱水抗压强度比石灰岩低71.4%～79.2%。

1.2 配合比

经室内试验及黄延高速现场验证，选用表2中的配合比时，水泥稳定砂岩碎石的合成级配曲线与水泥稳定石灰岩碎石一致[6]。水泥稳定砂岩碎石的抗冻性试验配合比见表2，水泥剂量分别为3.5%、4.0%及4.5%。

表2 抗冻性试验试件配合比

1.3 抗冻性试验

1.3.1 抗冻性指标

水泥稳定砂岩碎石基层的抗冻性试验指标分为冻融残留抗压强度比及冻融残留劈裂强度比。冻融循环后的残留抗压强度比为半刚性材料的抗冻性指标。冻融残留劈裂强度比适合用作对抗拉较敏感的半刚性材料的抗冻性补充指标。其中，冻融残留抗压强度比为经冻融循环试件的抗压强度Rc1与未冻融试件的抗压强度Rc0之比；冻融残留劈裂强度比为经冻融循环试件的劈裂强度Ri1与未冻融试件的劈裂强度Ri0之比。

1.3.2 试验方法

采用振动击实成型法击实水泥稳定砂岩碎石基层的抗冻性试验试件[7]，依据JTG/T F20—2015及JTG E51—2009的要求制备并养生，测定圆柱形试件的最大干密度、最佳含水率、试件尺寸及表干质量。抗冻性试验应制备2组试件，一组依据JTG E51—2009中T0805的要求测定未冻融试件的无侧限抗压强度及劈裂强度；另一组置于-10 ℃的低温箱中冻结，待3 h后取出试件量高、称重，并置于25 ℃恒温水槽中融化，记录试件表面破损、裂缝及边角缺损情况，待重复冻融5次后，分别测定抗压强度Rc1及劈裂强度Ri1。

2 数据分析

2.1 冻融残留抗压强度比

图1 冻融前水泥稳定砂岩碎石抗压强度与养生龄期的关系

水泥稳定砂岩碎石冻融前后的无侧限抗压强度及劈裂强度与试件的抗冻性直接相关[8-10]。采用水泥剂量为4.0%的水泥稳定石灰岩碎石作为空白对照组，分析水泥掺量(3.5%、4.0%及4.5%)、砂岩类型(砂岩A、砂岩B及砂岩C)与龄期(7 d、28 d、60 d、90 d及180 d)对试件无侧限抗压强度的影响。图1、2分别为冻融前后的试件无侧限抗压强度与养生龄期的关系。

图2 冻融后水泥稳定砂岩碎石抗压强度与养生龄期的关系

由图1、2可得出以下几点。

(1)冻融前后的水泥稳定砂岩碎石抗压强度均随养生龄期增长，养生60 d前增长迅速，之后增长速度平缓且趋于稳定。

(2)养生60 d前的试件冻融后抗压强度损失约15%，养生后期(60 d后)抗压强度损失小于10%。

(3)砂岩A、砂岩B的水泥稳定碎石冻融前后的抗压强度不足水泥稳定石灰岩碎石的60%，砂岩C的水泥稳定碎石冻融前后的抗压强度不足水泥稳定石灰岩碎石的75%。

2.2 冻融残留劈裂强度比

采用水泥剂量为4.0%的水泥稳定石灰岩碎石作为空白对照组，研究冻融作用、水泥掺量、砂岩类型及养生龄期对试件劈裂强度的影响[11-12]。图3、4分别为冻融前后试件的劈裂强度与养生龄期的关系。

图4 冻融后水泥稳定砂岩碎石劈裂强度与养生龄期的关系

由图3、4可知，冻融前后的水泥稳定砂岩碎石的劈裂强度与养生龄期、水泥掺量均呈正相关[13]，养生60 d前劈裂强度增长迅速，之后增长缓慢且趋于稳定。在相同龄期下，水泥稳定砂岩碎石的劈裂强度不足水泥稳定石灰岩碎石的40%。

2.3 抗冻性指标推荐值

水泥稳定砂岩碎石试件设计应考虑冻融前后的7 d劈裂强度及7 d抗压强度。基于图1、2绘制冻融残留抗压强度比与养生龄期的关系曲线，基于图3、4绘制冻融残留劈裂强度比与养生龄期的关系曲线，分别如图5、6所示。

图5 冻融残留抗压强度比与养生龄期的关系

图6 冻融残留劈裂强度比与养生龄期的关系

由图5可知：水泥稳定砂岩碎石的冻融残留抗压强度比与养生龄期呈正相关，养生90 d时趋于稳定；与水泥掺量呈正相关，水泥掺量越大，冻融残留抗压强度比越高；在相同龄期下，水泥稳定砂岩碎石的冻融残留抗压强度比高于水泥稳定石灰岩碎石10%，这是由于砂岩吸水率大于石灰岩，在冻融循环中，水泥稳定砂岩碎石的抗压强度损失更大[14]。

由图6可知：水泥稳定砂岩碎石的冻融残留劈裂强度比与养生龄期呈正相关，且逐渐趋于稳定。在相同龄期下，水泥稳定石灰岩碎石的冻融残留劈裂强度比明显高于水泥稳定砂岩碎石，平均高出6%左右。这是由于砂岩强度低于石灰岩，吸水率大，在冻融过程中，砂岩内部强度衰减比石灰岩快，导致劈裂强度低于石灰岩。随着水泥含量增加，水泥稳定碎石冻融残留劈裂强度比呈增长趋势，水泥含量为4.5%的砂岩试件的残留劈裂强度比比水泥含量为3.5%时高3%左右。

对图5、6中的冻融残留抗压强度比及冻融残留劈裂强度比进行统计分析，确定残留强度比推荐值[15-17]，结果见表3。

表3中，7 d冻融残留抗压强度比和冻融残留劈裂强度比推荐值分别为85.0%～93.0%和87.0%～91.0%，即当水泥含量大于3.5%时，水泥稳定砂岩碎石的7 d冻融残留抗压强度比不低于85%，冻融残留劈裂强度比不低于87%。

表3 水泥稳定砂岩碎石的冻融残留强度比推荐值

分别对图2及图4中冻融后水泥稳定砂岩碎石的抗压强度及劈裂强度进行拟合与统计分析，推荐3.5%～4.5%水泥掺量对应的冻融后强度值见表4。

表4 水泥稳定砂岩碎石的冻融后强度推荐值

表4中，冻融后7 d抗压强度和劈裂强度推荐值分别为4.5～6.0 MPa和0.40～0.65 MPa，即当水泥剂量大于3.5%时，水泥稳定砂岩碎石的冻融后7 d抗压强度不低于4.5 MPa，7 d劈裂强度不低于0.40 MPa。建议当陕北地区公路交通荷载等级高或应用层位较高时，取上限作为劈裂强度标准。

3 结 语

本文研究冻融前后试件的无侧限抗压强度及劈裂强度随养生龄期变化的规律，对比不同水泥剂量及养生龄期下试件的冻融残留抗压强度比及冻融残留劈裂强度比，得到以下结论。

(1)水泥掺量与水泥稳定砂岩碎石的抗冻性呈正相关性。水泥稳定砂岩碎石的冻融残留抗压强度比、冻融残留劈裂强度比、Rc0、Rc1、Ri0及Ri1均随水泥掺量增长而增长，当水泥掺量为4.5%时，试件的各项抗冻性能最佳。

(2)养生龄期超过60 d时，水泥稳定砂岩碎石冻融前后的劈裂强度及抗压强度趋于稳定；养生龄期超过90 d时，水泥稳定砂岩碎石的Rc0、Rc1、Ri0及Ri1趋于稳定。陕北地区水泥稳定砂岩碎石基层施工应保证养生温度在10 ℃以上，养生时间为60～90 d。

(3)在水泥稳定砂岩碎石设计过程中，应保证水泥含量大于3.5%，且水泥稳定砂岩碎石的7 d冻融残留抗压强度比不低于85%，冻融残留劈裂强度比不低于87%，冻融后7 d抗压强度不低于4.5 MPa，劈裂强度不低于0.40 MPa。