砂岩力学性能试验研究

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　　摘 要：本文选择石灰岩、砂岩、破碎砾石和玄武岩做为主要试验材料，分析了各种岩石的形成及组成成分，并对集料的磨耗值、冲击值、压碎值、坚固性和磨光值进行试验研究，试验结果表明，所用集料的以上各项性能指标均能满足现行《公路沥青路面施工技术规范》中关于高等级公路沥青路面抗滑表层对集料力学性能的要求。
　　关键词：集料磨耗值 冲击值压碎值坚固性 磨光值
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　　 随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对高速公路的要求已由最初的“解决温饱”发展到现阶段的“高品质生活要求”，除了要求高速公路达到其方便、快捷等方面的基本要求外，安全问题已经成为人们对高等级公路的一个十分关注的方面。抗滑性是满足现代交通快速安全运行的基本条件，而路面所采用材料的抗滑、耐磨等方面是决定高速公路的客观安全问题的最主要的原因之一。研究表明，沥青路面表层的抗滑、耐磨能力的大小主要取决于沥青路面表层结构的宏观纹理（即表面构造深度）以及集料颗粒本身的微观纹理。集料的特性对沥青抗滑磨耗层的抗滑性能有重要影响。
　　 相关调研结果发现，重庆地区分布最多的岩石是石灰岩；现在使用的所谓的花岗岩就是取自河流中的破碎砾石，其中含有花岗岩和其他一些岩石；砂岩的分布也比较少且岩层较薄，一般在20米左右，但是可以开采；没有发现玄武岩的存在。在待建的以及在建的1200多公里高速公路中，如强调采用玄武岩材料作为沥青路面抗滑表层的集料，则须从外地购买玄武岩，这样虽增强路面的抗滑耐磨性能，但是同时也造成了工程费用的大幅上升。针对以上情况，本文通过对重庆范围内有的石灰岩、破碎砾石和砂岩3种岩石进行集料的力学性能及耐磨性试验研究，并与玄武岩相比较，以分析其是否适用于重庆地区的在建、待建的高速公路的抗滑表层。
　　1材料性质
　　 岩浆岩是由地壳运动岩浆沿着地壳薄弱带侵入地壳或喷出地表，温度降低、冷凝而形成。沉积岩的形成过程一般可以分为先成岩石的破坏（风化作用和剥蚀作用）、搬运作用、沉积作用和硬结成岩作用等几个互相衔接的阶段。试验选用的破碎砾石是取自长江的鹅卵石破碎而成的，其中含有花岗岩和其他一些岩石，石灰岩和砂岩取自重庆武隆，玄武岩从江苏运来。
　　 花岗岩[1]是岩浆岩的一种，是一种酸性的深层侵入岩，花岗石多呈肉红色、灰色和灰白色，性质均匀坚固，结构均匀，质地坚硬，在无构造断裂和风化微弱的情况下的力学强度很高。
　　 石灰岩[1]是沉积岩的一种，简称灰岩。其矿物成分以方解石为主，另有少量的白云石和粘土矿物。常呈深灰、浅灰色，纯质灰岩呈白色。由纯化学作用生成的石灰岩具有结晶结构，但晶粒极细。经重结晶作用即可形成晶粒比较明显的结晶灰岩。由生物化学作用生成的灰岩，常含有丰富的有机物残骸。
　　 砂岩[2]是沉积岩的一种，本试验使用的砂岩经过岩性鉴定为，此砂岩是鳞片粉砂结构，岩石由碎屑石英、云母、长石由水云母、绿泥石胶结组成。硅质砂岩的颜色浅，强度高，抗风化的能力强。
　　 玄武岩[2]是岩浆岩的一种，由于岩浆喷出地表后迅速冷却凝固形成玄武岩,因此岩浆中所含气体未能充分从岩浆中排出,所以玄武岩常形成许多气孔，为基性岩类。灰黑至黑色，致密坚硬，性脆，强度高。
　　 一般说来[3]，含强度高的矿物如石英、长石、角闪石、辉石及橄榄石等较多时，岩石强度就高，相反，含软弱矿物如云母、粘土矿物、滑石及绿泥石等较多时，强度就较低。花岗岩和玄武岩中长石的含量分别为49％和36％，从其矿物组成来看是属于强度较高的岩石；石灰岩中方解石含量为95％，在干燥情况下其抗压强度为152.9MPa，根据试验分析知道砂岩中的石英含量达到60％，其干燥抗压强度为117.2MPa，由此可知，花岗岩、砂岩石灰岩和玄武岩都具有较高的抗压强度。
　　2 试验方法
　　 道路路面建筑[5]用粗集料的力学性质主要是压碎值和磨耗值，其次还有磨光值、道瑞磨耗值和冲击值，本次试验通过磨光值、磨耗值、压碎值、冲击值和坚固性来评定石灰岩、砂岩、破碎砾石和玄武岩的力学性质。
　　 石料的磨耗值是评价石料抵抗摩擦、撞击和剪切等综合作用的性能指标。由于高速公路上车辆多、车速快，对路面面层材料的磨耗也增大，因此对石料磨耗值的评价是非常重要的，磨耗试验采用洛杉矶磨耗试验方法，选用B类粒度类别，按照《公路工程集料试验规程》[4]用T0317－2005试验方法对集料进行磨耗试验，为了更好的说明集料的耐磨性及作为高速公路表层材料的可行性，对集料分别进行500次、700次、900次和1100次的磨耗，由此可以提供路面在交通量增大或路面使用年限延长的情况下路面的耐磨性能。
　　 石料冲击值是评价石料抵抗冲击性能的能力。车辆在行驶过程中，除了与路面有磨耗之外，还对路面有冲击力的作用，车辆给路面的力直接与道路面层接触，然后通过面层向中面层、下面层及基层传递，而面层所受的力主要由面层中的粗集料来承受，因此，集料的抗冲击能力的强弱可以决定路面的服务能力和使用年限。冲击值试验按照《公路工程集料试验规程》中的T0322-2000试验方法测定材料的冲击值，本试验在规程规定的冲击次数的基础上，增加试验冲击次数，试验次数分别为15次、20次、25次和30次，通过增加对材料的冲击次数来评价材料抵抗外界冲击的能力。
　　 石料压碎值是集料在连续增加的荷载下，抵抗压碎的能力，是评价石料抵抗压碎性能的指标。路面石料长期经受轮胎的摩擦、冲击、碾压等综合作用，集料的压碎值太大，在外力的作用下容易被压碎而产生车辙等路面破坏，按照《公路工程集料试验规程》中T0316-2005的试验要求在10分钟内荷载匀速加到400KN，为了更好的了解材料抵抗外界荷载的能力，本试验进行了400KN、450KN、500KN、550KN和600KN共5个荷载的试验，按照每分钟增加40KN的速度匀速加载达到设定荷载。
　　 坚固性是指石料在自然风化和其它外界物理化学因素作用下抵抗破裂的能力，集料坚固性的好坏直接决定集料的耐久。由于路面石料长时间裸露在外，经受风、雪、雨、温度等对石料的反复作用，而产生物理和化学反应，使得岩石产生风化，强度降低，减少了路面的使用年限。《公路工程集料试验规程》中T0314-2000的试验方法对集料只进行5次冻融循环，按照本试验的试验目的再对集料进行了15次反复冻融循环，每5次测定一个坚固性质量损失率，由此来检测集料抵抗外界环境作用的强弱。
　　 作为道路面层的集料长期受到车轮的碾压和磨耗，时间长了就会把集料表面裹附的沥青层磨掉而露出集料来，这时路面的抗滑性能就靠集料提供的摩擦力来维持，集料的耐摩擦性好坏用集料的磨光值来表征，集料的磨光值越大说明集料越不容易被磨光，其抗滑性能就越好。本实验方法采用《公路工程集料试验规程》中T0321-2005的试验方法用粗砂和细砂对集料进行3次循环反复磨光，并测定每次循环磨光后的磨光值。
　　3 结果与讨论
　　3.1磨耗值试验
　　规范[6]规定，用于高速公路表面层的石料的磨耗值不大于28%，通过磨耗试验其结果见图1：
　　
　　
　　图1 磨耗值试验结果
　　 经过数据的拟合分析，试验数据回归方程相关系数的平方都在0.99以上，模型的拟合非常好。
　　 石料的磨耗损失率：石灰岩>砂岩>破碎砾石，破碎砾石和玄武岩几乎相等，随着磨耗转数的增加，每种集料的磨光值与磨耗次数是成线性增长的，当磨耗转数达到1100转时，石灰岩的磨耗值为47.5％，砂岩的磨耗值为28.9％，花岗岩的磨耗值为19.26％，玄武岩的磨耗值为20.37％。

　　3.2冲击值试验
　　 通过试验得出集料的冲击值随冲击次数增加的变化规律见图2，规范规定高等级公路集料的冲击值一般不大于28％。
　　
　　
　　图2冲击值试验结果
　　 经过数据的拟合分析，试验数据回归方程相关系数的平方都在0.99以上，模型拟合很好。冲击值增长率为石灰岩>砂岩> 破碎砾石>玄武岩，但是斜率的差异不大，而且在经过30次冲击后，石灰岩的冲击值24.27％，砂岩的冲击值为19.3％，花岗岩的冲击值为15.32％，玄武岩的冲击值为21.231％，都也没有超过28％。由此说明，石灰岩、砂岩和破碎砾石在增加了一倍冲击次数的情况下仍然符合作为高等级公路的表层材料对冲击值的要求。
　　3.3压碎值试验
　　 按照规范要求，高等级公路面层石料压碎值不得大于26%，具体的试验结果见图3。
　　
　　
　　图3压碎值试验结果
　　 经过数据的拟合分析，试验数据回归方程相关系数的平方都在0.95以上，模型拟合很好。石灰岩的压碎值最大，在承受荷载达到600KN时，石灰岩的压碎值达到了26.45％，砂岩、花岗岩和玄武岩在荷载为600KN时都没有超过规范要求在400KN时的压碎值26％，这足以说明如果用石灰岩、砂岩和破碎砾石修建路面，即使在车辆超重的情况下，路面混合料中粗集料也不会有太多的被压碎，不会对路面结构有任何影响，满足高速公路抗滑表层材料的要求。
　　3.4 坚固性试验
　　 规范规定应用于高速公路表面层中的石料的坚固性损失不得大于12％。按照试验规程中T0314-2000的试验方法可以得出石灰岩、砂岩和花岗岩在经过反复的20次冻融循环后集料的质量损失率，见图4。
　　
　　
　　图 4坚固性试验结果
　　 根据图4利用一元线性回归得到的相关系数的平方都在0.9以上。根据《公路沥青路面施工技术规范》中对沥青混合料用粗集料质量技术要求可知，集料在经过5次反复冻融循环后集料损失率不得大于12％，从图4得知：石灰岩、砂岩和破碎砾石在经过5次方法冻融混合后的损失率都小于2％，在经过20次冻融循环后，破碎砾石的质量损失率仅为7.69％，石灰岩为12.79％，砂岩在15次冻融循环后的质量损失率为12.22％，比较试验所得的数据结果和规范的要求可知，石灰岩、砂岩和花岗岩的抗风化能力符合规范要求。
　　3.5磨光值试验
　　 四种集料经过3次循环磨光后的磨光值见图5。
　　
　　
　　图5磨光值试验结果
　　 试验按照试验规程的试验方法对集料进行3次反复磨光后的磨光值分别为，砂岩47.1，石灰岩45.1，花岗岩48.7，玄武岩61.8。利用一元线性回归对磨光值进行回归后的相关系数的平方都在0.97以上，模拟效果非常好。现行的规范中对用于高等级公路的集料在分别用粗砂和细砂经约3个小时的磨光后的磨光值在潮湿地区要求不小于42，在其他地区对集料磨光值要求更小，而试验所选集料在进行了3个循环的加强磨光后的磨光值都大于47；从试验所得数据可以看出这三种集料都可以用于高等级公路。
　　 对以上图表曲线进行一次线性回归后计算出每种岩石的磨耗值为28％，磨光值42，冲击值28％，压碎值26％和坚固性12％时所经过的试验次数、荷载及循环次数；见表1
　　表1 达到规范要求值时规定试验次数与实际需要试验次数比较
　　
　　
　　4结论
　　 综合以上试验结果可以得出结论:
　　 就集料的力学性能而言，花岗岩>砂岩>石灰岩，其质量都符合高速公路表层沥青混合料用粗集料质量技术要求。
　　 ②从经济上来分析，在不考虑路面的早期损坏的情况下，如果使用玄武岩的路面的设计寿命为15年，那么花岗岩也能达到12年，砂岩能达到10年，石灰岩能达到7年，从外地运回玄武岩的费用一般为200-300元/平方米，按照料场离拌和站平均距离15Km计算，破碎砾石材料价格加上运输费一般在100元/平方米左右。石灰岩更便宜，材料费加上运输费一般在75元/平方米左右，只有玄武岩的2/5～1/3，如果用石灰岩做路面材料能使用7年，在7年之后把表面层刨去再铺一层也能达到15年的使用年限，再加上施工及沥青的费用也可以节省了不少。
　　 ③根据对重庆地区已建高速公路的调查发现，由于施工、路基、气候等方面的原因使路面还没有达到7年就开始修补，严重路段开挖重铺路面，因此在早期破坏比较严重的重庆，使用玄武岩和石灰岩作为表层材料从路用性能上说没有太大的差别。
　　 ④因此，在修建高速公路时可以考虑用重庆分布较多的石灰岩作为抗滑表层材料，这样就可以大大的节约工程费用。
　　
　　注：文章内的图表、公式请到PDF格式下查看

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