高速公路拓寬工程輕質(zhì)粉煤灰路用性能試驗(yàn)研究

藍(lán)克戈

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，物流業(yè)的發(fā)展和城市間的合作往來(lái)更加緊密，高速公路的交通流量日益增加[1]。原有高速公路的設(shè)計(jì)通行能力已遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，迫切需要提升道路的通行能力[2]。在高速公路拓寬的過(guò)程中，原有路基經(jīng)過(guò)行車荷載的長(zhǎng)期作用，已經(jīng)完成自身沉降，而新的路基自身沉降尚未完成，在路堤及行車荷載等附加應(yīng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生沉降變形及路堤填料自身壓縮變形?，F(xiàn)行的工程路堤填料中常采用泡沫輕質(zhì)土、ESP或泡沫玻璃等輕質(zhì)材料克服以上難點(diǎn)，但這些材料在應(yīng)用的過(guò)程中存在性能達(dá)不到要求、沉降效果不明顯且造價(jià)非常昂貴的問(wèn)題，因此研發(fā)一種減少地基附加應(yīng)力、解決新舊路基不均勻沉降問(wèn)題的輕質(zhì)材料刻不容緩。

針對(duì)新路基與原有路基不均勻沉降等問(wèn)題，國(guó)外針對(duì)具體的地基特點(diǎn)，分別進(jìn)行地基置換、設(shè)置樁基礎(chǔ)、設(shè)置塑料排水板、加筋擋墻和填筑輕質(zhì)路基等措施；國(guó)內(nèi)常采用土工合成材料、對(duì)邊坡進(jìn)行臺(tái)階開(kāi)挖和邊坡削減、采取合適的地基處理方法、高強(qiáng)度輕質(zhì)材料等措施來(lái)解決。本文針對(duì)高速公路工程尤其是拓寬施工中性能、沉降和價(jià)格等問(wèn)題，利用粉煤灰、水泥、外加劑和水等材料，在以正交試驗(yàn)確定配合比的基礎(chǔ)上，對(duì)混合料的流動(dòng)性、干縮性和凍融穩(wěn)定性開(kāi)展測(cè)試，試圖研究一種適用于路基拓寬的輕質(zhì)粉煤灰混合料，在滿足路用性能的同時(shí)兼具經(jīng)濟(jì)環(huán)保特點(diǎn)，為粉煤灰在高速公路路基拓寬中的應(yīng)用提供示范。

1 試驗(yàn)

針對(duì)公路路基改擴(kuò)建的需求，采用輕質(zhì)粉煤灰混合料對(duì)路基進(jìn)行填筑，將輕質(zhì)粉煤灰混合料依據(jù)相關(guān)材料的比例配制，制備出水泥粉煤灰試塊。根據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)[3]和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610-2019)[4]等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在已有基礎(chǔ)試驗(yàn)測(cè)試達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，測(cè)試其流動(dòng)性、干縮特性、水穩(wěn)定性，研究輕質(zhì)粉煤灰混合料的最佳性能及機(jī)理。

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 粉煤灰

由燃燒后產(chǎn)物組成的細(xì)灰是粉煤灰。粉煤灰呈灰褐色，通常呈酸性。粉煤灰為球形多孔結(jié)構(gòu)，在松散狀態(tài)下具有良好的滲透性。本文所使用粉煤灰采用廣西某煤電廠生產(chǎn)的C類粉煤灰，各項(xiàng)性能均符合相關(guān)技術(shù)要求(見(jiàn)表1)。

表1 粉煤灰主要指標(biāo)表

1.1.2 水泥

水泥采用廣西某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)性能均符合相關(guān)技術(shù)要求，比表面積、密度、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)如下頁(yè)表2所示。

表2 P·O 42.5級(jí)水泥主要指標(biāo)表

1.1.3 外加劑

外加劑主要以減水劑為主，減水劑是為了保證混合料具備必要的工作性能。

1.1.4 水

用于輕質(zhì)粉煤灰拌和的水沒(méi)有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，只需符合自來(lái)水、生活用水等有關(guān)水的相關(guān)指標(biāo)即可。本試驗(yàn)用于拌和輕質(zhì)粉煤灰混合料的是自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)高速公路路基，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行材料配合比的設(shè)計(jì)，粉煤灰、水泥等原材料按不同摻量拌和為試件，在溫度20 ℃±5 ℃、濕度50%的條件下展開(kāi)試驗(yàn)，將測(cè)試不同比例的輕質(zhì)粉煤灰混合料的各項(xiàng)指標(biāo)，從而得出輕質(zhì)粉煤灰混合料的最佳配合比。依據(jù)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)A(水泥與粉煤灰的比例)、B(水膠比)、C(外加劑的用量)等成為影響的主要因素。因素與水平設(shè)置表如表3所示。本試驗(yàn)采用50 mm×50 mm×200 mm的試件，粉灰煤比取4∶94、6∶92、8∶90、10∶88，開(kāi)展16組試驗(yàn)，并測(cè)試7 d與14 d的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明粉灰煤比為8∶90時(shí)為最佳配合比，如表4所示為正交試驗(yàn)配合比表。

表3 因素與水平表

2 性能測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)性

輕質(zhì)粉煤灰具有自成型的特點(diǎn)，可通過(guò)稠度測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)這一特性。本試驗(yàn)采用操作簡(jiǎn)單、流程簡(jiǎn)潔并且可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水泥砂漿稠度儀進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[5]，進(jìn)行稠度測(cè)試時(shí)需要提前完成前期準(zhǔn)備工作：(1)需要在滑桿上涂油；(2)用干凈的抹布濕潤(rùn)后擦凈放置盛放輕質(zhì)粉煤灰容器的錐面。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與時(shí)效性，必須按照試驗(yàn)流程嚴(yán)格執(zhí)行。試驗(yàn)操作流程如下：將輕質(zhì)粉煤灰混合物倒入容器中→輕質(zhì)粉煤灰混合料的頂面需高于容器口約10 mm以上→用搗棒進(jìn)行插搗25下→敲擊或搖動(dòng)容器5～6次→將容器置于稠度測(cè)定儀的底座上→使試錐的尖端和輕質(zhì)粉煤灰混合料的表面接觸→使下端的齒條側(cè)桿接觸上端的滑桿→讀取刻度盤(pán)上的實(shí)際數(shù)值，即所測(cè)輕質(zhì)粉煤灰混合料的稠度。若兩次所測(cè)稠度之差>10，需重測(cè)。測(cè)試結(jié)果如表5所示，變化曲線如下頁(yè)圖1所示[6]。

表4 正交試驗(yàn)配合比表

表5 輕質(zhì)粉煤灰混合料的稠度值測(cè)試結(jié)果表

圖1 輕質(zhì)粉煤灰混合料稠度變化曲線圖

由表5可知，水泥與粉煤灰在8∶90和4∶94這兩種比例下，各分為10組不同的用水量，根據(jù)用水量從28%遞增至50%，測(cè)得其稠度隨用水量的變化情況。當(dāng)水泥與粉煤灰的比例為8∶90且用水量為28%～35%時(shí)，稠度由過(guò)小逐漸轉(zhuǎn)為較小；當(dāng)用水量為38%～45%時(shí)，稠度較好；當(dāng)用水量為45%～50%時(shí)，稠度又逐漸增大。當(dāng)水泥與粉煤灰的比例為4∶94且用水量為28%～33%時(shí)，稠度過(guò)小或較??；當(dāng)用水量為35%～38%時(shí)，稠度較大；當(dāng)用水量為40%～45%時(shí)，稠度較好；當(dāng)用水量為48%～50%時(shí)，稠度過(guò)大。根據(jù)圖1可知：隨著用水量的增加，兩種不同配合比的水泥與粉煤灰混合料稠度也在不斷增加，且配比為8∶90的水泥與粉煤灰混合料在不同用水量下的稠度均比配合比為4∶94的稠度大。其中兩種不同配合比的水泥與粉煤灰混合料在用水量為28%～33%時(shí)，稠度均較小或過(guò)??；用水量在40%～45%時(shí)，稠度均較好；用水量>48%時(shí)，稠度均較大或過(guò)大。綜上所述，用水量與稠度成正比關(guān)系，用水量在38%之前，兩種不同配合比的水泥與粉煤灰混合料稠度均較小，用水量在40%～45%時(shí)的稠度均較好，用水量在45%以上時(shí)的稠度均較大。所以，用水量在40%～45%時(shí)，是較為適合水泥與粉煤灰混合料稠度的用水量。

2.2 干縮特性

液態(tài)粉煤灰的干縮系數(shù)隨含水量和水泥含量的增加而增大，干縮速率隨著液態(tài)粉煤灰齡期的增加而減小，干縮特性通過(guò)其干燥收縮值來(lái)表現(xiàn)。輕質(zhì)粉煤灰混合料成分中尚無(wú)粗骨料作為骨架，且其干燥過(guò)程容易導(dǎo)致路基的開(kāi)裂，為此，進(jìn)行了干縮特性測(cè)試。試驗(yàn)采用30 mm×30 mm×130 mm的試件，按照以下方法逐步進(jìn)行測(cè)試：混合料拌和→混合料澆筑→成型后養(yǎng)護(hù)(20 ℃±1 ℃，90%濕度)→7 d拆?！鷮⒃嚰幪?hào)→常溫靜置(3～6 h)→后續(xù)試驗(yàn)。測(cè)試收縮率時(shí)，將初始長(zhǎng)度和不同齡期的試件長(zhǎng)度[7]進(jìn)行對(duì)比，利用式(1)計(jì)算收縮率。如表6所示為試驗(yàn)結(jié)果、圖2所示為變化曲線。

(1)

式中：W——收縮率；

μ——試件長(zhǎng)度。

由表6可知，輕質(zhì)粉煤灰混合料在不同用水量下，干燥收縮值隨著齡期的增加而產(chǎn)生變化。其中，根據(jù)用水量的不同將輕質(zhì)粉煤灰混合料分為6組，用水量分別為33%、35%、38%、40%、43%、45%，干燥收縮值則是在7 d、14 d、21 d、28 d、56 d、90 d時(shí)每組各采集一次數(shù)據(jù)。如圖2所示為混合料干燥收縮值在不同含水率的變化曲線，根據(jù)圖2可以得出：隨著用水量的增長(zhǎng)，干燥收縮值隨著天數(shù)的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中在7～28 d時(shí)，各組的干燥收縮值上升變化幅度均較大。含水率分別為33%、35%、38%、40%、43%和45%的組別從7～21 d的干燥收縮值上升速率均達(dá)到最大，含水率為45%的組別在7 d時(shí)的干燥收縮值達(dá)到了184，是同一齡期下含水率為33%的組別的1.6倍；含水率為33%的組別在第21 d的干燥收縮值為136，含水率為35%的組別在第21 d的干燥收縮值為146，含水率為38%的組別在第21 d的干燥收縮值為160，含水率為40%的組別在第21 d的干燥收縮值為173，含水率為43%的組別在第21 d的干燥收縮值為201，含水率為45%的組別在第21 d的干燥收縮值為218。由此可見(jiàn)，前28 d的干燥收縮值占總干燥收縮值的3/4，說(shuō)明前28 d的粉煤灰混合料所消耗水量較多，水分在早期因溫度消耗較多，尤其是在前14 d水分蒸發(fā)流失最快，故在前14 d需要做好養(yǎng)護(hù)，避免水分因蒸發(fā)流失太快而導(dǎo)致收縮開(kāi)裂。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，在不同的用水量下，干燥收縮值隨著齡期的增加均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，前28 d的干燥收縮值占總干燥收縮值的3/4，所以在前14 d需要做好養(yǎng)護(hù)，保證水分不流失。

表6 不同齡期的輕質(zhì)粉煤灰混合料的干燥收縮值試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 混合料干燥收縮值變化曲線圖

2.3 凍融穩(wěn)定性

凍融穩(wěn)定性是考量乳液體系經(jīng)受凍結(jié)和融化交替變化時(shí)其穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[8]，在本試驗(yàn)中用于檢驗(yàn)輕質(zhì)粉煤灰混合料在特殊天氣條件下是否能滿足道路工程的支撐強(qiáng)度，用凍融殘留抗壓強(qiáng)度比(BDR)作為評(píng)定指標(biāo)。該凍融穩(wěn)定性性能檢測(cè)需制作20 cm×20 cm的圓筒試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，以BDR作為變量進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。其中，凍融組養(yǎng)護(hù)28 d后，在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)冷凍20 h，后放入常溫水中融化9 h，進(jìn)行5個(gè)循環(huán)的凍融周期，并測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。其計(jì)算方法如式(2)所示。如表7所示為輕質(zhì)粉煤灰混合料的凍融穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示為其變化曲線。

(2)

圖3 輕質(zhì)粉煤灰混合料的凍融穩(wěn)定性隨水泥含量的變化 曲線圖

根據(jù)輕質(zhì)粉煤灰混合料凍融性的滿足使用標(biāo)準(zhǔn)以及表7可知：當(dāng)泥煤比不變的情況下，水泥含量逐漸增加，對(duì)比試件的抗壓強(qiáng)度，BDR也隨之增加，從2%的1.118 MPa逐漸增大到10%的2.437 MPa；5次凍融循環(huán)后的殘余強(qiáng)度隨之增加，至水泥含量為10%時(shí)增加至2.187 MPa。根據(jù)圖3可知：當(dāng)水泥含量以2%的幅度增加，在2%增加至4%、6%、8%、10%的過(guò)程中，BDR從0.662逐漸增長(zhǎng)到0.913，說(shuō)明BDR與水泥含量呈正相關(guān)趨勢(shì)；當(dāng)水泥含量<6%時(shí)，曲線斜率較大、增幅較快，當(dāng)水泥含量>6%時(shí)，曲線斜率變緩、增幅較慢，拐點(diǎn)出現(xiàn)在6%時(shí)，其數(shù)值為0.853。綜上所述，隨著水泥含量的不斷提高，BDR也在不斷提高，且當(dāng)水泥含量在<6%時(shí)增速較快，在>6%后增速較緩，說(shuō)明水泥含量在6%時(shí)的凍融穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速公路拓寬工程特點(diǎn)，研究了一種以粉煤灰、水泥等材料為基體的輕質(zhì)粉煤灰混合料，通過(guò)測(cè)試其路用性能，為今后在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：

(1)水泥與粉煤灰的稠度與用水量呈正相關(guān)關(guān)系，且配合比為8∶90的稠度均比4∶94的稠度大，當(dāng)用水量在40%～43%時(shí)，稠度較為合適。

(2)在不同的用水量下，干燥收縮值隨著齡期的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，28 d前的干燥收縮值占總干燥收縮值的3/4，故在前14 d需要做好養(yǎng)護(hù)，避免水分因蒸發(fā)流失太快而導(dǎo)致收縮開(kāi)裂。

(3)根據(jù)輕質(zhì)粉煤粉的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著水泥含量的增加，凍融穩(wěn)定性中的BDR也在不斷增大，因此水泥和凍融穩(wěn)定性成正相關(guān)，且水泥含量在6%時(shí)的凍融穩(wěn)定性較好。