高速公路拓寬工程輕質粉煤灰路用性能試驗研究

藍克戈

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速增長，物流業(yè)的發(fā)展和城市間的合作往來更加緊密，高速公路的交通流量日益增加[1]。原有高速公路的設計通行能力已遠不能滿足日益增長的交通需求，迫切需要提升道路的通行能力[2]。在高速公路拓寬的過程中，原有路基經過行車荷載的長期作用，已經完成自身沉降，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力的作用下，會產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土、ESP或泡沫玻璃等輕質材料克服以上難點，但這些材料在應用的過程中存在性能達不到要求、沉降效果不明顯且造價非常昂貴的問題，因此研發(fā)一種減少地基附加應力、解決新舊路基不均勻沉降問題的輕質材料刻不容緩。

針對新路基與原有路基不均勻沉降等問題，國外針對具體的地基特點，分別進行地基置換、設置樁基礎、設置塑料排水板、加筋擋墻和填筑輕質路基等措施；國內常采用土工合成材料、對邊坡進行臺階開挖和邊坡削減、采取合適的地基處理方法、高強度輕質材料等措施來解決。本文針對高速公路工程尤其是拓寬施工中性能、沉降和價格等問題，利用粉煤灰、水泥、外加劑和水等材料，在以正交試驗確定配合比的基礎上，對混合料的流動性、干縮性和凍融穩(wěn)定性開展測試，試圖研究一種適用于路基拓寬的輕質粉煤灰混合料，在滿足路用性能的同時兼具經濟環(huán)保特點，為粉煤灰在高速公路路基拓寬中的應用提供示范。

1 試驗

針對公路路基改擴建的需求，采用輕質粉煤灰混合料對路基進行填筑，將輕質粉煤灰混合料依據相關材料的比例配制，制備出水泥粉煤灰試塊。根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)[3]和《公路路基施工技術規(guī)范》(JTG/T 3610-2019)[4]等技術標準，在已有基礎試驗測試達標的基礎上，測試其流動性、干縮特性、水穩(wěn)定性，研究輕質粉煤灰混合料的最佳性能及機理。

1.1 試驗原材料

1.1.1 粉煤灰

由燃燒后產物組成的細灰是粉煤灰。粉煤灰呈灰褐色，通常呈酸性。粉煤灰為球形多孔結構，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的C類粉煤灰，各項性能均符合相關技術要求(見表1)。

表1 粉煤灰主要指標表

1.1.2 水泥

水泥采用廣西某水泥廠生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，各項性能均符合相關技術要求，比表面積、密度、凝結時間等指標如下頁表2所示。

表2 P·O 42.5級水泥主要指標表

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

用于輕質粉煤灰拌和的水沒有規(guī)定的標準，只需符合自來水、生活用水等有關水的相關指標即可。本試驗用于拌和輕質粉煤灰混合料的是自來水。

1.2 試驗方案

針對高速公路路基，采用正交試驗法進行材料配合比的設計，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%的條件下展開試驗，將測試不同比例的輕質粉煤灰混合料的各項指標，從而得出輕質粉煤灰混合料的最佳配合比。依據測試各項指標發(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。因素與水平設置表如表3所示。本試驗采用50 mm×50 mm×200 mm的試件，粉灰煤比取4∶94、6∶92、8∶90、10∶88，開展16組試驗，并測試7 d與14 d的抗壓強度。經測試，試驗數(shù)據表明粉灰煤比為8∶90時為最佳配合比，如表4所示為正交試驗配合比表。

表3 因素與水平表

2 性能測試結果與分析

2.1 流動性

輕質粉煤灰具有自成型的特點，可通過稠度測試來檢驗這一特性。本試驗采用操作簡單、流程簡潔并且可實時監(jiān)測的水泥砂漿稠度儀進行檢測。根據建筑砂漿基本性能試驗方法標準[5]，進行稠度測試時需要提前完成前期準備工作：(1)需要在滑桿上涂油；(2)用干凈的抹布濕潤后擦凈放置盛放輕質粉煤灰容器的錐面。為保證試驗的準確性與時效性，必須按照試驗流程嚴格執(zhí)行。試驗操作流程如下：將輕質粉煤灰混合物倒入容器中→輕質粉煤灰混合料的頂面需高于容器口約10 mm以上→用搗棒進行插搗25下→敲擊或搖動容器5～6次→將容器置于稠度測定儀的底座上→使試錐的尖端和輕質粉煤灰混合料的表面接觸→使下端的齒條側桿接觸上端的滑桿→讀取刻度盤上的實際數(shù)值，即所測輕質粉煤灰混合料的稠度。若兩次所測稠度之差>10，需重測。測試結果如表5所示，變化曲線如下頁圖1所示[6]。

表4 正交試驗配合比表

表5 輕質粉煤灰混合料的稠度值測試結果表

圖1 輕質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，根據用水量從28%遞增至50%，測得其稠度隨用水量的變化情況。當水泥與粉煤灰的比例為8∶90且用水量為28%～35%時，稠度由過小逐漸轉為較小；當用水量為38%～45%時，稠度較好；當用水量為45%～50%時，稠度又逐漸增大。當水泥與粉煤灰的比例為4∶94且用水量為28%～33%時，稠度過小或較小；當用水量為35%～38%時，稠度較大；當用水量為40%～45%時，稠度較好；當用水量為48%～50%時，稠度過大。根據圖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，稠度均較小或過??；用水量在40%～45%時，稠度均較好；用水量>48%時，稠度均較大或過大。綜上所述，用水量與稠度成正比關系，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%時的稠度均較好，用水量在45%以上時的稠度均較大。所以，用水量在40%～45%時，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，干縮特性通過其干燥收縮值來表現(xiàn)。輕質粉煤灰混合料成分中尚無粗骨料作為骨架，且其干燥過程容易導致路基的開裂，為此，進行了干縮特性測試。試驗采用30 mm×30 mm×130 mm的試件，按照以下方法逐步進行測試：混合料拌和→混合料澆筑→成型后養(yǎng)護(20 ℃±1 ℃，90%濕度)→7 d拆模→將試件編號→常溫靜置(3～6 h)→后續(xù)試驗。測試收縮率時，將初始長度和不同齡期的試件長度[7]進行對比，利用式(1)計算收縮率。如表6所示為試驗結果、圖2所示為變化曲線。

(1)

式中：W——收縮率；

μ——試件長度。

由表6可知，輕質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生變化。其中，根據用水量的不同將輕質粉煤灰混合料分為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時每組各采集一次數(shù)據。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，根據圖2可以得出：隨著用水量的增長，干燥收縮值隨著天數(shù)的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，其中在7～28 d時，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到最大，含水率為45%的組別在7 d時的干燥收縮值達到了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，前28 d的干燥收縮值占總干燥收縮值的3/4，說明前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，避免水分因蒸發(fā)流失太快而導致收縮開裂。綜合上述試驗結果，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，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，保證水分不流失。

表6 不同齡期的輕質粉煤灰混合料的干燥收縮值試驗結果表

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受凍結和融化交替變化時其穩(wěn)定性的一個關鍵指標[8]，在本試驗中用于檢驗輕質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度，用凍融殘留抗壓強度比(BDR)作為評定指標。該凍融穩(wěn)定性性能檢測需制作20 cm×20 cm的圓筒試件，在標準養(yǎng)護的條件下養(yǎng)護28 d后，以BDR作為變量進行對照實驗。其中，凍融組養(yǎng)護28 d后，在低溫試驗箱內冷凍20 h，后放入常溫水中融化9 h，進行5個循環(huán)的凍融周期，并測試其抗壓強度。其計算方法如式(2)所示。如表7所示為輕質粉煤灰混合料的凍融穩(wěn)定性試驗結果，如圖3所示為其變化曲線。

(2)

圖3 輕質粉煤灰混合料的凍融穩(wěn)定性隨水泥含量的變化 曲線圖

根據輕質粉煤灰混合料凍融性的滿足使用標準以及表7可知：當泥煤比不變的情況下，水泥含量逐漸增加，對比試件的抗壓強度，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)后的殘余強度隨之增加，至水泥含量為10%時增加至2.187 MPa。根據圖3可知：當水泥含量以2%的幅度增加，在2%增加至4%、6%、8%、10%的過程中，BDR從0.662逐漸增長到0.913，說明BDR與水泥含量呈正相關趨勢；當水泥含量<6%時，曲線斜率較大、增幅較快，當水泥含量>6%時，曲線斜率變緩、增幅較慢，拐點出現(xiàn)在6%時，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，且當水泥含量在<6%時增速較快，在>6%后增速較緩，說明水泥含量在6%時的凍融穩(wěn)定性較好。

3 結語

本文針對高速公路拓寬工程特點，研究了一種以粉煤灰、水泥等材料為基體的輕質粉煤灰混合料，通過測試其路用性能，為今后在實際工程中的應用提供理論依據。結果表明：

(1)水泥與粉煤灰的稠度與用水量呈正相關關系，且配合比為8∶90的稠度均比4∶94的稠度大，當用水量在40%～43%時，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，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，避免水分因蒸發(fā)流失太快而導致收縮開裂。

(3)根據輕質粉煤粉的有關標準以及實驗數(shù)據，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，且水泥含量在6%時的凍融穩(wěn)定性較好。