紅砂巖集料對水穩基層強度與抗軟化性能的影響

陳福玲，溫郁斌，單俊鴻，魏 杰,周明凱，高 鵬

(1.河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056000；2.山西昔榆高速公路有限公司，晉中 030600；3.武漢理工大學材料科學與工程學院，武漢 430070；4.長治市武理工工程技術研究院，長治 046000)

0 引 言

水泥穩定碎石具有足夠的強度、剛度以及水穩定性[1]，是當前應用最為廣泛的道路基層材料[2]，所用集料一般為石灰巖集料，受砂石限采政策和石灰巖資源不平衡影響，多地石灰巖集料供不應求，價格攀升，與此同時，山西晉中高速公路開挖過程產生約1 800萬m3的紅砂巖廢石，若能將其加工成集料制備水泥穩定基層(水穩基層)，既可緩解石灰巖供應不足的現象，又可消納公路廢石，具有良好的社會經濟效益。

紅砂巖是經風化、遷移、沉積形成的一種沉積巖，因其沉積物中含有黏土礦物[3]，與石灰巖等其他沉積巖相比，紅砂巖具有遇水軟化、浸水崩解[4-5]的特性。經研究[6-7]發現，紅砂巖母巖在干燥狀態下硬度較高，但抗軟化性能差，即遇水后吸水軟化，硬度降低。范祥等[8]研究發現,紅砂巖吸水2 h、吸水率增大0.5%后硬度會降低30%，同時吸水過程伴有體積膨脹。陳勇等[9]研究表明，紅砂巖膨脹應變隨吸水率的增加呈線性增長。周翠英等[10]、吳恩江等[11]建立了巖石軟化界面的動力學模型，揭示了砂巖母巖軟化的微觀機理：砂巖中黏土礦物水化，進而溶解流失，伴隨巖石體積膨脹，內部孔隙增大，導致強度降低。

紅砂巖母巖破碎成集料用于道路基層對基層強度、抗軟化性能有何影響還有待深入研究?，F有研究[12]表明，隨紅砂巖集料對石灰巖集料替代率的增加，水穩基層強度與軟化系數逐漸降低，其中紅砂巖混合料的軟化系數范圍為0.71～0.81，石灰巖混合料的軟化系數范圍為0.75～0.93，生海航[13]認為這是紅砂巖集料本身硬度低、吸水率高所導致。山西晉中地區紅砂巖硬度較高，吸水率略高于石灰巖，這種硬質紅砂巖母巖破碎的粗、細集料硬度如何，集料抗軟化性能如何表征，粗、細集料抗軟化性能是否存在差異，以及紅砂巖集料硬度、抗軟化性能與紅砂巖水穩基層的強度、抗軟化性能的關系等均缺乏研究，采用微觀手段定量、定性分析紅砂巖粗、細集料軟化機理的研究也幾乎沒有。

因此，本文以紅砂巖粗、細集料硬度及抗軟化性能為研究切入點，對比分析了紅砂巖粗、細集料在硬度與抗軟化性能上的差異；并將紅砂巖粗、細集料以不同替代率替代石灰巖集料用于水穩基層，研究了紅砂巖粗、細集料對水穩基層強度與抗軟化性能的影響規律；采用界限含水率、X射線衍射(XRD)分析、掃描電子顯微鏡(SEM)測試，揭示了紅砂巖集料軟化的機理。

1 實 驗

1.1 原材料

紅砂巖和石灰巖取自山西晉中，化學成分和礦物組成分別如表1、圖1所示。分析表1和圖1可知：石灰巖主要成分為CaO，以方解石、白云石等礦物形式存在；紅砂巖CaO含量低于石灰巖，SiO2、Al2O3含量較高，還有一定量的Fe2O3，因而發紅，主要礦物除石英、方解石外，還含有高嶺石、伊利石等黏土礦物。礦渣硅酸鹽水泥(P·S·A 32.5)的主要物理性能指標如表2所示，各項指標均滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)對水泥的要求。

表1 紅砂巖與石灰巖主要化學成分

表2 水泥基本物理性能

圖1 石灰巖和紅砂巖的XRD譜

1.2 試驗設計

首先將紅砂巖和石灰巖破碎分選為4.75～9.5 mm、9.5～26.5 mm的粗集料和0～4.75 mm的細集料，對比研究紅砂巖和石灰巖粗、細集料不同粒徑的硬度及不同浸水時間的抗軟化性能；然后固定水穩基層級配為《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20—2015)C-B-1中值，在水泥穩定全石灰巖集料(CLL)的基礎上，采用紅砂巖粗集料等質量替代50%(CS50L)、100%(CS100L)的石灰巖粗集料，同時，采用紅砂巖細集料等質量替代50%(CSL50)、100%(CSL100)的石灰巖細集料，研究不同紅砂巖粗、細集料替代率對水穩基層強度及浸水抗軟化性能的影響；最后，對比分析紅砂巖、石灰巖集料在浸水前后的塑性指數、礦物組成及微觀形貌的變化，揭示紅砂巖粗、細集料的浸水軟化機理。水穩基層材料配合比見表3。

表3 混合料配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 集料硬度與浸水抗軟化性能測試

粗集料：硬度采用壓碎值表征，參考《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)中9.5～13.2 mm的壓碎值測試方法，測定4.75～26.5 mm各單粒級的壓碎值，并根據C-B-1中值級配中粗集料各單粒級的分級篩余占比率，計算粗集料整體加權平均壓碎值C；浸水抗軟化性能采用9.5～13.2 mm粒徑粗集料浸水id后壓碎值增大率、質量損失率表征。

細集料：硬度采用壓碎值表征，按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)測定不同粒徑細集料壓碎值，根據C-B-1中值級配中細集料單粒級的分級篩余占比率，計算細集料整體加權平均壓碎值C；抗軟化性能采用2.36～4.75 mm粒徑細集料浸水id后的壓碎值增大率、質量損失率以及細集料混合料浸水膨脹率表征。

1.3.2 紅砂巖水穩基層強度與浸水抗軟化性能測試

強度采用標準養護至指定齡期的無側限抗壓強度表征，測試前不浸水；浸水抗軟化性能采用浸水1 d后的軟化系數，即標準養護齡期最后1 d浸水強度與不浸水強度的比值。按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》(JTG E51—2009)成型試件，檢測強度，其中試件壓實度為98%。

1.3.3 浸水軟化機理測試

塑性指數：按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)中界限含水率測試方法，選取2.36～4.75 mm未浸水與浸水1 d后烘干磨細為同樣細度的0.075 mm以下紅砂巖、石灰巖顆粒進行測定。

XRD、SEM：采用X射線衍射儀(PANalytical.B.V，荷蘭)與掃描電子顯微鏡(蔡司，德國)分別對未浸水與浸水1 d烘干后的2.36～4.75 mm紅砂巖與石灰巖集料進行測定。

2 紅砂巖集料硬度與抗軟化性能

2.1 粗集料硬度與抗軟化性能

紅砂巖與石灰巖不同粒徑粗集料壓碎值試驗結果如表4所示，浸水1 d、2 d、3 d、4 d的壓碎值增大率和質量損失率如圖2所示。

表4 紅砂巖與石灰巖粗集料壓碎值

圖2 紅砂巖與石灰巖粗集料不同浸水時間抗軟化性能

分析表4可以看出，紅砂巖粗集料的加權平均壓碎值小于石灰巖粗集料，即紅砂巖粗集料整體硬度略高于石灰巖粗集料，另外，紅砂巖粗集料壓碎值隨粒徑降低逐漸升高，其中4.75～9.5 mm時壓碎值顯著高于其他粒徑壓碎值，達到25.5%，硬度略低于同粒徑石灰巖粗集料，其他粒徑的紅砂巖粗集料硬度均高于石灰巖粗集料。這可能是因為紅砂巖內部沉積物硬度不一，且低硬度、易破碎的沉積物在粒徑小的顆粒中富集。

從圖2可以看出，隨浸水時間延長，石灰巖粗集料的壓碎值增大率和質量損失率基本為零，而紅砂巖粗集料的壓碎值增大率、質量損失率在浸水1 d后分別達到33%、0.4%，繼續延長浸水時間至2～4 d，變化不明顯?？梢?，紅砂巖粗集料的抗軟化性能比石灰巖粗集料差，主要體現在浸水后顆粒表層的剝落與硬度的降低。

2.2 細集料硬度與抗軟化性能

紅砂巖與石灰巖不同粒徑細集料壓碎值試驗結果如表5所示，浸水1 d、2 d、3 d、4 d的壓碎值增大率、質量損失率、累計膨脹率如圖3所示。

圖3 紅砂巖與石灰巖細集料不同浸水時間抗軟化性能

分析表5可以看出，紅砂巖細集料的加權平均壓碎值遠大于石灰巖細集料，即紅砂巖細集料整體硬度低于石灰巖細集料，另外，紅砂巖細集料壓碎值也隨粒徑的降低而升高，與粗集料硬度隨粒徑變化的規律相一致，充分表明，紅砂巖破碎的粒徑越小，軟弱物質越富集，硬度越低。

從圖3可以看出，隨著浸水時間的延長，石灰巖細集料的各項抗軟化性能指標均未有明顯變化，而紅砂巖細集料浸水1 d后抗軟化性能明顯變差，繼續延長浸水時間，抗軟化性能變化不明顯，與粗集料抗軟化性能和浸水時間的關系相一致。但是，與粗集料相比，紅砂巖細集料浸水1 d后壓碎值增大率可達56%，明顯高于粗集料33%的結果，質量損失率為5%，也大幅高于粗集料0.4%的結果，同時細集料由于尺寸效應[14]在浸水過程中還伴隨吸水膨脹現象，浸水1 d膨脹率可達0.025%。綜上，紅砂巖細集料的抗軟化性能明顯差于石灰巖細集料，且細集料的抗軟化性能明顯差于粗集料，可見紅砂巖集料抗軟化性能與硬度一樣，也隨粒徑降低而變差。

3 紅砂巖集料水穩基層強度與抗軟化性能

3.1 紅砂巖粗集料水穩基層強度及抗軟化性能

紅砂巖粗集料分別以50%、100%的替代率替代石灰巖粗集料制備的水穩基層的7 d、28 d、90 d強度如圖4(a)所示，浸水1 d軟化系數如圖4(b)所示。

圖4 紅砂巖粗集料替代對強度及軟化系數的影響

分析圖4(a)可以看出:隨齡期延長，不同紅砂巖粗集料替代率的水穩基層強度逐漸升高；同齡期時，隨紅砂巖粗集料替代率增加，水穩基層強度逐漸降低；隨著齡期的延長，當紅砂巖粗集料替代率相同時，與水泥穩定全石灰巖相比，強度降低率逐漸減小。如7 d齡期，紅砂巖粗集料替代率為50%、100%時，水穩基層7 d強度從4.70 MPa分別降到4.56 MPa、4.27 MPa，降低率分別為3%、9%；紅砂巖粗集料替代率為100%時，與水泥穩定全石灰巖相比，紅砂巖粗集料水穩基層7 d、28 d、90 d的強度降低率分別為9%、7%、7%?？梢?，盡管紅砂巖粗集料硬度高于石灰巖粗集料，但其制備的水穩基層強度略低于石灰巖粗集料水穩基層，這可能是因為紅砂巖粗集料在成型拌合水的作用下，發生了類似于浸水過程的軟化，水分在集料表面形成厚結合水膜[15]，降低粗集料骨架嵌擠[16]摩擦力的同時，弱化了水泥在集料上的膠結，強度逐漸降低；隨齡期延長，水泥膠凝作用[17]增強，強度降低率略有下降。

分析圖4(b)可以看出：隨齡期延長，不同紅砂巖粗集料替代率水穩基層軟化系數逐漸升高；同齡期時，隨紅砂巖粗集料替代率增加，水穩基層軟化系數逐漸降低；隨齡期延長，紅砂巖粗集料替代率相同時，與水泥穩定全石灰巖相比，水穩基層軟化系數降低率逐漸減小。如7 d齡期，粗集料替代率為50%、100%時，紅砂巖粗集料水穩基層7 d軟化系數從0.92分別降到0.90、0.86，降低率分別為2%、7%；紅砂巖粗集料替代率為100%時，與水泥穩定全石灰巖相比，紅砂巖粗集料水穩基層7 d、28 d、90 d的軟化系數降低率分別為7%、6%、5%。原因在于浸水1 d過程進一步增厚了結合水膜，同時紅砂巖粗集料出現浸水軟化崩解效應，即紅砂巖粗集料浸水壓碎值增大與浸水質量損失增加，導致紅砂巖粗集料形成新的水-巖界面，進一步弱化了水泥在紅砂巖粗集料上的膠結作用，軟化系數降低；水泥水化程度隨齡期延長而增大，所以軟化系數略有下降。

3.2 紅砂巖細集料水穩基層強度與抗軟化性能

紅砂巖細集料分別以50%、100%的替代率替代石灰巖細集料制備的水穩基層的7 d、28 d、90 d強度如圖5(a)所示，浸水1 d軟化系數如圖5(b)所示。

圖5 紅砂巖細集料替代對強度及軟化系數影響

從圖5(a)、(b)可以看出:隨齡期延長，不同紅砂巖細集料替代率水穩基層強度、軟化系數逐漸升高；同齡期時，隨紅砂巖細集料替代率增加，水穩基層強度、軟化系數逐漸降低；不同的是，與水泥穩定全石灰巖相比，同齡期、同替代率時，紅砂巖細集料水穩基層強度與軟化系數降低幅度明顯高于紅砂巖粗集料水穩基層。如7 d齡期，當替代率為100%時，紅砂巖細集料水穩基層強度從4.70 MPa降至3.27 MPa，降低率為30%，明顯高于紅砂巖粗集料水穩基層強度降低率為9%的結果，軟化系數從0.92降至0.73，降低率為21%，也大幅高于紅砂巖粗集料水穩基層軟化系數降低率為7%的結果。原因在于紅砂巖細集料整體硬度遠低于石灰巖細集料，承載力低，且紅砂巖細集料粒徑小，比表面積大，即細集料與水泥接觸面積大，導致結合水膜對集料與水泥界面過渡區的弱化作用加劇，因此強度降低幅度大；紅砂巖細集料中軟弱顆粒富集，浸水1 d質量損失率大于紅砂巖粗集料，集料與水泥膠結界面弱化作用加劇，同時浸水后膨脹率增大，集料內部疏松化明顯，導致軟化系數降低程度大。

4 紅砂巖集料軟化機理

從紅砂巖水穩基層強度與抗軟化性能的分析可知，紅砂巖集料軟化是紅砂巖水穩基層強度與軟化系數降低的主要原因，且從紅砂巖集料抗軟化性能分析可知，紅砂巖粗、細集料軟化表現一致，其中細集料抗軟化性能更差。為此，選取紅砂巖和石灰巖未浸水、浸水1 d的2.36～4.75 mm細集料，探究紅砂巖集料軟化的機理。

4.1 礦物組成及含量

紅砂巖和石灰巖未浸水、浸水1 d的2.36～4.75 mm細集料的塑性指數如表6所示，礦物主衍射峰強度值和XRD譜分別如表7和圖6所示。

表6 紅砂巖與石灰巖浸水前后的塑性指數

表7 紅砂巖與石灰巖浸水前后礦物主衍射峰強度值

圖6 紅砂巖與石灰巖浸水前后的XRD譜

分析表6可以看出，紅砂巖細集料未浸水前塑性指數高于石灰巖細集料，浸水1 d塑性指數降低，而石灰巖細集料塑性指數未受浸水影響。同樣細度下，塑性指數與黏土礦物含量成正比[18]，黏土礦物含量越高，集料的塑性指數越高，可見浸水后紅砂巖集料中黏土礦物發生了流失。同時，圖6也表明，紅砂巖細集料浸水后高嶺石、伊利石的峰值強度出現明顯降低，而石灰巖細集料在浸水前后主礦物的峰值強度并沒有明顯變化。上述結果充分表明紅砂巖集料浸水后崩解剝落主要是表層黏土礦物浸水后流失所致，同時表明，紅砂巖細集料中黏土礦物含量多，崩解剝落程度大。

4.2 微觀形貌

紅砂巖和石灰巖未浸水、浸水1 d的 2.36～4.75 mm細集料的SEM照片如圖7～圖10所示。

圖7 紅砂巖集料浸水前SEM照片

圖8 紅砂巖集料浸水后SEM照片

圖9 石灰巖集料浸水前SEM照片

圖10 石灰巖集料浸水后SEM照片

分析圖7、圖8可以看出，浸水前紅砂巖集料表面呈現明顯的層狀結構，內部主要由黏粒以及碎屑組成，界面連接處為石英與黏土礦物，其中黏土礦物中的假六角片狀高嶺石與絲縷狀伊利石[19]起膠結作用[20]，浸水1 d后，紅砂巖集料表面溝壑縱橫，出現明顯孔洞，且界面連接處的高嶺石集合體內部連接減弱，崩解剝落；而對比圖9、圖10可以看出，石灰巖集料浸水前后表面都呈現明顯的致密結構，且浸水前后多棱方塊狀[21]方解石與石英界面仍緊密連接。結果表明，紅砂巖集料浸水后強度與軟化系數降低主要是由黏土礦物吸水膨脹疏松化、崩解剝落所致，同時與紅砂巖細集料浸水發生膨脹的結果相一致。

5 結 論

(1)紅砂巖集料硬度隨粒徑減小而降低，抗軟化性能隨粒徑減小而變差。紅砂巖粗集料硬度略高于石灰巖粗集料，紅砂巖細集料硬度遠低于石灰巖細集料。紅砂巖粗、細集料均存在浸水硬度降低、浸水質量損失等軟化現象，且粗集料抗軟化性能優于細集料。

(2)紅砂巖粗集料替代石灰巖粗集料，水穩基層強度、軟化系數略降低，紅砂巖細集料替代石灰巖細集料，水穩基層強度、軟化系數降低明顯，主要是因為紅砂巖細集料硬度、抗軟化性能遠低于石灰巖細集料。隨齡期增長，紅砂巖水穩基層的強度、抗軟化性能有所提高。

(3)紅砂巖集料浸水軟化主要是由集料中高嶺石、伊利石等黏土礦物吸水崩解剝落、體積膨脹、結構不致密所致，且粒徑越小，黏土礦物含量越高，所以抗軟化性能越差。紅砂巖集料吸水后表面疏松，與水泥膠結作用變差，從而導致水穩基層強度、軟化系數降低?？傮w來說，紅砂巖細集料不宜用于水穩基層。