水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石組成對(duì)其路用性能的影響

張可強(qiáng)

水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石是一種新型路面基層材料，其兼具水泥穩(wěn)定類和二灰穩(wěn)定類基層材料的優(yōu)點(diǎn)。水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的早期強(qiáng)度高于二灰穩(wěn)定類材料的而低于水泥穩(wěn)定類材料的，其后期強(qiáng)度低于二灰穩(wěn)定類材料的而高于水泥穩(wěn)定類材料的，適應(yīng)于重型交通［1－3］。水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度形成機(jī)理主要為集料骨架間的嵌擠和摩擦作用及結(jié)合料的膠結(jié)作用。粉煤灰的摻入能夠較好地填充材料的空隙，使材料更加密實(shí)。但粉煤灰摻量過高，則會(huì)對(duì)集料骨架產(chǎn)生干涉作用，將骨架撐開。另外，粉煤灰具有較強(qiáng)的潛在火山灰活性，結(jié)合料的膠結(jié)作用與粉煤灰的摻量和養(yǎng)生齡期也有著密切的關(guān)系。

一些學(xué)者對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層的路用性能進(jìn)行過相關(guān)的研究，但他們的觀點(diǎn)不一致。公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［4］中推薦水泥粉煤灰與集料的質(zhì)量比宜為（13～17）∶（87～83）；楊錫武［5］等人采用11%的粉煤灰，使材料的早期強(qiáng)度提高了150%；蕭賡［6］等人的研究表明，當(dāng)粉煤灰的摻量小于5%時(shí)，材料的早期強(qiáng)度和模量均有所增加，隨著粉煤灰繼續(xù)摻入，則材料的早期強(qiáng)度和模量會(huì)降低，但材料的后期強(qiáng)度會(huì)增加；張嘎吱［7－8］等人根據(jù)研究結(jié)果，提出水泥和粉煤灰的最佳比例為1∶1～1∶2，且其研究成果都是建立在重型擊實(shí)法確定的最佳含水率、最大干密度及靜壓成型的試件各種力學(xué)性能基礎(chǔ)上得到的。而目前的現(xiàn)場(chǎng)混合料采用振動(dòng)壓實(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)施工不匹配。這些問題致使該材料設(shè)計(jì)無(wú)據(jù)可依，推廣難度增大。

作者以連霍高速公路西（安）－寶（雞）段改擴(kuò)建工程為依托，以振動(dòng)成型試驗(yàn)為手段，擬研究粉煤灰摻量和養(yǎng)生齡期對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石各項(xiàng)路用性能的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

碎石采用石灰?guī)r，水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥P.C32.5，3d抗折強(qiáng)度為3.6MPa，3d抗壓強(qiáng)度為16.8MPa，28d抗折強(qiáng)度為7.1MPa，28d抗壓強(qiáng)度為40.1MPa，細(xì)度4.6%，初凝時(shí)間190min，終凝時(shí)間420min，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50－2006）和《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034－2000）［9］要求；粉煤灰取自渭河火電廠，技術(shù)指標(biāo)見表1。根據(jù)試驗(yàn)研究成果，本項(xiàng)目固定水泥摻量為3.3%。

表1 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of fly－ash

粉煤灰含水率宜控制在15%～20%，以防揚(yáng)塵。對(duì)于濕粉煤灰，其含水率≤35%。因?yàn)楹蔬^大時(shí)，粉煤灰易凝聚成團(tuán)，造成拌和困難。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方法

眾所周知，最佳級(jí)配是特定成型方式下的產(chǎn)物，它能模擬現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)方式進(jìn)行試件成型，得到的最佳級(jí)配，具有實(shí)用價(jià)值。而振動(dòng)擊實(shí)法是通過表面振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器在一定的振動(dòng)頻率、振幅、激振力及振動(dòng)時(shí)間下進(jìn)行的，最大限度地模擬了現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝，使室內(nèi)混合料的物理結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能能較好地反映現(xiàn)場(chǎng)工況。

采用振動(dòng)擊實(shí)法，進(jìn)行水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石試件的成型。在試模內(nèi)，半剛性基層材料會(huì)發(fā)生接近自身固有頻率的振動(dòng)，顆粒間的摩擦力減小，小的顆粒填充到大顆粒材料的空隙中，材料在試模內(nèi)逐漸被壓實(shí)。趙可［10］確定了水泥穩(wěn)定碎石混合料振動(dòng)成型參數(shù)，它們是：振動(dòng)頻率30Hz，偏心塊夾角300，激振力7 612N，靜面壓力140kPa，振幅1.4mm，振動(dòng)總時(shí)間2min。其研究表明：振動(dòng)成型的試件骨架性越強(qiáng)，密度就越大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也越大，而變異系數(shù)越低，吸水率只有標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的1／10，且表現(xiàn)出更優(yōu)的抗干縮性能。

2.2 集料配比確定

為了分析單純粉煤灰摻量對(duì)水泥粉煤灰碎石基層強(qiáng)度特性的影響，固定碎石級(jí)配不變，改變粉煤灰與碎石之間的比例，采用規(guī)范推薦的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，碎石級(jí)配及建議范圍見表2。

表2 碎石級(jí)配及建議范圍Table 2 Gradation of the crushed stone and the recommended range

3 粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料強(qiáng)度主要由骨料間嵌擠作用、水泥水化產(chǎn)物及水泥與骨料和粉煤灰間粘結(jié)強(qiáng)度所組成的。粉煤灰分別按0%，4%，6%，10%，15%和20%等6種摻量與碎石進(jìn)行配合，采用振動(dòng)擊實(shí)法，進(jìn)行最大干密度和最佳含水率試驗(yàn)。不同粉煤灰摻量的試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果見表3。

進(jìn)行不同齡期（7，28，90和180d）的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系分別如圖1，2所示。

表3 不同粉煤灰摻量的試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果Table 3 Test parameters and results of different contents of fly－ash

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.1 The change of the unconfined compressive strength with the fly－ash content

圖2 劈裂強(qiáng)度與粉煤灰摻量的關(guān)系Fig.2 The change of the splitting tensile strength with the fly－ash content

從圖1，2中可以看出，試驗(yàn)齡期內(nèi)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，強(qiáng)度增加的原因是：①粉煤灰摻量不大時(shí)，它起到填充作用（質(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），使混合料更加密實(shí)；②與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和石料周圍的Ca（OH）2發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，生成了具有凝膠性質(zhì)的產(chǎn)物，增加了顆粒間的粘結(jié)力；③對(duì)水泥顆粒起到物理分散作用，水化緩慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化更充分。但粉煤灰摻量增加到一定數(shù)量后，粉煤灰便會(huì)起到干涉作用，使集料間嵌擠和摩擦作用減弱，混合料強(qiáng)度降低。對(duì)比粉煤灰摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和石料周圍的Ca（OH）2發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，生成了具有凝膠性質(zhì)的產(chǎn)物，對(duì)材料的抗劈裂和抗拉性能有更大的貢獻(xiàn)［11］。從室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度特性來(lái)看，粉煤灰摻量在4%～15%之間是合適的。

4 粉煤灰摻量對(duì)干縮特性的影響

水泥與各種粗（細(xì)）集料和粉煤灰進(jìn)行拌合、碾壓后，由于蒸發(fā)和混合料內(nèi)部水化作用，混合料內(nèi)部水分不斷減小，會(huì)發(fā)生毛細(xì)管作用、吸附作用、分子間作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化作用等，而引起水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料產(chǎn)生體積收縮。表征混合料抗干縮能力的指標(biāo)有混合料的干縮應(yīng)變和干縮系數(shù)。如果干縮應(yīng)變過大，則在水分散發(fā)的過程中混合料將產(chǎn)生過大的干縮，在瀝青面層、底基層及基層板體本身的聯(lián)合約束下，基層本身將不能自由收縮，從而形成混合料內(nèi)部拉應(yīng)力。該拉應(yīng)力一旦超過混合料所能承受的拉應(yīng)力，便會(huì)產(chǎn)生微裂縫。

筆者采用千分表來(lái)測(cè)量水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料試件的干縮能力。按最佳含水率和最大干密度采用振動(dòng)擊實(shí)法制作試件，養(yǎng)生7d，取出。于室溫下風(fēng)干12h，以排除對(duì)干縮并不產(chǎn)生作用的表面水。取失水前、后千分表的讀數(shù)差及試件的質(zhì)量差來(lái)計(jì)算干縮應(yīng)變和失水量，直到測(cè)試時(shí)間達(dá)到600h以上。不同粉煤灰摻量干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著水分的散失，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的干縮應(yīng)變逐漸增大。隨著粉煤灰摻量的增加，混合料的干縮系數(shù)逐漸減小。當(dāng)粉煤灰摻量增加到一定程度時(shí)（15%），其干縮系數(shù)開始增大。當(dāng)粉煤灰摻量增加到20%時(shí)，其干縮系數(shù)急劇增長(zhǎng)，為摻加4%～15%時(shí)的2倍。其原因是：隨著粉煤灰摻量的增加，它吸收了部分水泥的水化熱，減少了收縮和溫宿，其干縮系數(shù)減?。坏勖夯覔搅吭黾拥揭欢〝?shù)量后，粉煤灰更多的是起到粉性集料作用。而細(xì)集料（特別是0.075mm以下粉性集料）的增加會(huì)降低半剛性基層的抗裂能力，使干縮系數(shù)增大。從室內(nèi)試驗(yàn)干縮特性來(lái)看，粉煤灰摻量在4%～10%之間是合適的。

圖3 不同粉煤灰摻量干縮系數(shù)與失水率的關(guān)系Fig.3 The change of the shrinkage coefficient and the filtration rate with the fly－ash content

5 實(shí)體工程驗(yàn)證

連霍高速（G30）西安至寶雞段改擴(kuò)建工程130km基層全部使用水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石材料，粉煤灰用量選定為6%（內(nèi)摻），根據(jù)最大干密度和最佳含水率來(lái)確定水泥摻量。不同水泥摻量下混合料試驗(yàn)的結(jié)果分別見表4，5。從工程經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工條件考慮，確定水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層水泥摻量為3.3%。

表4 不同水泥摻量混合料擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果Table 4 Test results of different amount of cement

鋪筑完成養(yǎng)護(hù)7d后，進(jìn)行鉆芯試驗(yàn)，均可取出表面光滑的完整芯樣。將芯樣切割成φ150mm×150mm的試樣，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。路面三標(biāo)基層芯樣強(qiáng)度平均值為7.8MPa，實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)擊實(shí)成型強(qiáng)度為7.5MPa。這表明振動(dòng)擊實(shí)方式與現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)碾壓方式的壓實(shí)功相接近。

表5 7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果Table 5 Test results of unconfined compressive strength for 7days

對(duì)實(shí)體工程進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見表6。從表6中可以看出，基于振動(dòng)成型法的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石抗裂性能優(yōu)良，具有較好的路用性能。

表6 橫向裂縫間距Table 6 Transverse cracks of the pitch

6 結(jié)論

1）室內(nèi)試件和現(xiàn)場(chǎng)芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)擊實(shí)儀擊實(shí)與振動(dòng)壓路機(jī)碾壓工況相匹配。

2）粉煤灰摻量對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石（振動(dòng)擊實(shí)法成型的試件）早期強(qiáng)度影響不明顯，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)。

3）隨著水分的散失，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的干縮應(yīng)變逐漸增大，其干縮系數(shù)隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)。

4）綜合強(qiáng)度試驗(yàn)和干縮試驗(yàn)結(jié)果，推薦粉煤灰的摻量為4%～10%。通過實(shí)體工程試驗(yàn)并跟蹤觀測(cè)，粉煤灰摻量為6%的水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石基層抗裂性能優(yōu)良，證明本研究結(jié)論可行，可以推廣應(yīng)用。

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