硅灰多孔水泥穩(wěn)定碎石基層性能的試驗(yàn)研究

劉明富，桑偉寧

(1.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 前 言

截至2019年，我國公路總里程已達(dá)484.65萬km，高速公路達(dá)14.26萬km，居世界第一[1]。目前我國建成的高速公路，主要是半剛性基層路面，而半剛性基層具有剛度大、可以承受大荷載的特點(diǎn)。但是半剛性基層屬密實(shí)性結(jié)構(gòu)，道路的最大影響因素就是水。很明顯半剛性基層結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)水的影響時(shí)顯得不足，水分會(huì)在道路基層中累積，無法排到底面層，當(dāng)有行車荷載時(shí)，很容易造成道路結(jié)構(gòu)的沖刷破壞?；诎雱傂曰鶎舆@一劣勢，一種新型基層結(jié)構(gòu)破土而出，多孔水泥穩(wěn)定碎石基層，可以讓流入道路面層和基層中的水，通過一個(gè)個(gè)小孔流到基層的裂隙中向下滲透，流入到路基中，從而很好的避免了水在路面和路基層的停留，讓道路免受雨水的影響[2]?；诙嗫姿喾€(wěn)定碎石的特點(diǎn)，在其中加入硅灰這種材料，研究對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石基層的影響；在其中添加不同種類的硅灰后，對(duì)其路面性能進(jìn)行研究[3]。

1 原材料

(1)硅灰：硅灰A產(chǎn)地上海；硅灰B產(chǎn)地山東；硅灰C產(chǎn)地上海，各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

表1 硅灰性能指標(biāo)

(2)水泥：安徽海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表解。

表2 水泥的性能指標(biāo)

(3)粗集料:巢湖產(chǎn)天然玄武巖碎石，共分兩檔：集料A為4.75～9.5 mm，集料B為9.5～15 mm，各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3，篩分結(jié)果見表4。

表3 粗集料性能指標(biāo)

表4 兩種粗集料的篩分結(jié)果

(4)水：城市自來水。

2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

參考已有研究成果，在滿足規(guī)范要求下，采用單一級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)研究[4]，即30%的粗集料A，70%的粗集料B，水泥和天然河沙摻量參考規(guī)范要求，均采用單一配比，水灰比為0.42，水泥用量摻量8%，擊實(shí)采用重型擊實(shí)方法[5]。

2.1 透水性能

多孔水泥穩(wěn)定碎石相對(duì)于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石，最大優(yōu)勢在于其透水性，因此首先應(yīng)該驗(yàn)算在此級(jí)配下多孔水泥穩(wěn)定碎石透水性的影響。透水性能宜用材料的空隙率和透水系數(shù)表示。根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求，測得此級(jí)配的空隙率和透水系數(shù)見表5。

表5 水穩(wěn)碎石透水性指標(biāo)

由表5可知，試驗(yàn)所用級(jí)配測得空隙率為24.23%，根據(jù)東南大學(xué)對(duì)透水結(jié)構(gòu)層材料空隙的研究，透水結(jié)構(gòu)層材料所形成連通空隙的臨界空隙率為17.33%，故滿足要求。透水系數(shù)為13.8%，說明材料的透水性能較好。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

多孔水泥穩(wěn)定碎石透水性比普通水泥穩(wěn)定碎石高，但由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相應(yīng)的強(qiáng)度可能比一般水泥穩(wěn)定碎石弱，因此首先應(yīng)考慮其強(qiáng)度指標(biāo)，了解摻加三種不同的硅灰對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石的影響，膠凝材料摻量均為8%，測得7 d和28 d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表6、表7。

表6 各硅灰7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表7 各硅灰28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表6、表7可知，硅灰A、B均可提高多孔水泥穩(wěn)定碎石的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，硅灰C僅提高了7 d抗壓強(qiáng)度。硅灰A、C雖然提高了28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但是與前面的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比較，強(qiáng)度提升的幅度有所下降。這是因?yàn)楣杌业膿郊痈艽龠M(jìn)試件早期強(qiáng)度的形成，水泥前期幫助強(qiáng)度形成需要時(shí)間，28 d試件強(qiáng)度形成較完全，因此硅灰提升強(qiáng)度的幅度有所降低。

2.3 彎拉強(qiáng)度

高速公路主要采用半剛性基層瀝青路面，此種基層早期破壞問題主要為路面開裂，即抗彎拉強(qiáng)度不足。因?yàn)閺澙瓘?qiáng)度是很重要的指標(biāo)，本節(jié)主要討論的是摻量不同的硅灰是否會(huì)對(duì)多孔水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度造成影響。本次試驗(yàn)制作100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，級(jí)配與前面相同，總共四組試件，一組不摻加硅灰，其余三組分別按照前面相同的摻量摻加不同種類的硅灰，養(yǎng)護(hù)28 d后，依據(jù)規(guī)范測試試件的彎拉強(qiáng)度，并將彎拉強(qiáng)度表示為中點(diǎn)豎向位移的函數(shù)，結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 不摻硅灰抗彎壓強(qiáng)度變化圖

圖2 摻硅灰A抗彎壓強(qiáng)度變化圖

圖3 摻硅灰B抗彎壓強(qiáng)度變化圖

圖4 摻硅灰C抗彎壓強(qiáng)度變化圖

由圖1～圖4可知，各條曲線的變化規(guī)律均是中點(diǎn)豎向位置隨著抗彎拉強(qiáng)度的增大而增大，前期上升較快，而后逐漸變緩，在相同的中點(diǎn)豎向位移下，圖2～圖4的彎拉強(qiáng)度均大于圖1，說明摻加三種硅灰均可以提高水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度。

2.4 室內(nèi)動(dòng)態(tài)抗壓回彈模量

室內(nèi)抗壓回彈模量表示無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件在彈性變形階段內(nèi)，在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力。試驗(yàn)按照規(guī)范要求制作φ150 mm×150 mm試件，制作四組試件，分別為不摻硅灰和單獨(dú)摻加三種硅灰，配合比均與前文相同。養(yǎng)護(hù)90 d，預(yù)定壓力分為5個(gè)等級(jí)逐級(jí)加載，記錄相應(yīng)過程的變形量，結(jié)果見表8。

表8 各硅灰摻量試件室內(nèi)抗壓回彈模量

由表8可知，不摻硅灰材料的回彈模量為868.7 MPa，參加三種硅灰，回彈模量分別增長了9.6%、3.6%、2.0%，說明摻加硅灰后，能夠提高多孔水泥穩(wěn)定碎石的室內(nèi)動(dòng)態(tài)回彈模量，效果最好的是硅灰A。

3 結(jié) 論

(1)多孔水泥穩(wěn)定碎石透水性能優(yōu)于普通水穩(wěn)碎石，對(duì)于抵抗水損壞具有重要的意義。

(2)加入硅灰后試件的7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高，其中7 d強(qiáng)度增長最多是硅灰A，28 d強(qiáng)度增長幅度與7 d相比均下降，對(duì)28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長最大的是硅灰A，硅灰C沒有明顯變化、

(3)摻加硅灰后，試件的最大彎拉強(qiáng)度呈增長趨勢，對(duì)于裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有較好的抑制作用。

(4)試件在加入硅灰材料后，室內(nèi)動(dòng)態(tài)回彈模量都在增大，增長最大的是硅灰A，增長了9.6%。

(6)綜合比較三種硅灰材料，總體上硅灰A的各項(xiàng)性能最好，有利于水穩(wěn)碎石在道路中應(yīng)用。因?yàn)楸疚募?jí)配參考相關(guān)規(guī)范，綜合前人研究所得，沒有對(duì)不同級(jí)配的材料摻入硅灰后進(jìn)行深入研究，級(jí)配對(duì)于硅灰摻入多孔水泥穩(wěn)定碎石的影響有待進(jìn)一步研究。