石灰-粉煤灰-水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能試驗(yàn)

賈 亮, 連尚承

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

道路工程中,常用水泥、粉煤灰及石灰等無(wú)機(jī)結(jié)合材料穩(wěn)定碎石,將其作為路面基層或底基層的鋪筑材料[1-5].穩(wěn)定碎石常見(jiàn)類(lèi)型有石灰-粉煤灰穩(wěn)定類(lèi)、水泥-粉煤灰穩(wěn)定類(lèi)和水泥穩(wěn)定類(lèi).石灰-粉煤灰穩(wěn)定碎石雖然后期強(qiáng)度較高,但前期強(qiáng)度不足;水泥穩(wěn)定碎石前期強(qiáng)度能達(dá)到路面基層的強(qiáng)度要求,但易產(chǎn)生干縮、溫縮開(kāi)裂等問(wèn)題,造成后期強(qiáng)度的降低甚至出現(xiàn)新的病害[3-6],因此部分學(xué)者提出了低劑量水泥或水泥-石灰-粉煤灰綜合穩(wěn)定碎石[7-9].

為提高基層的早期強(qiáng)度,筆者在石灰-粉煤灰穩(wěn)定碎石中添加具有快硬早強(qiáng)、粘結(jié)強(qiáng)度高、環(huán)境友好的硫鋁酸鹽水泥[10-11],組成石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定碎石,并與石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石作力學(xué)性能的對(duì)比,探求不同的級(jí)配、無(wú)機(jī)結(jié)合料含量及水泥種類(lèi)對(duì)穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響,得出UCS和STS與級(jí)配、無(wú)機(jī)結(jié)合料含量、水泥種類(lèi)以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系.

1 試驗(yàn)原材料及配合比

1.1 原材料

碎石取自蘭州北龍口路面維修養(yǎng)護(hù)中心料場(chǎng),石料的壓碎值為13.8%;粉煤灰和熟石灰購(gòu)自河南省鞏義市化工品有限公司,具體化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2.硫鋁酸鹽水泥從上海通達(dá)有限公司購(gòu)買(mǎi),化學(xué)成分見(jiàn)表3.普通硅酸鹽水泥購(gòu)自蘭州祁連山水泥廠.

表1 粉煤灰的化學(xué)成分

表2 石灰的化學(xué)成分

表3 硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分

1.2 石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的配合比

碎石的級(jí)配根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)[12]推薦值選用,通過(guò)改變粒徑范圍的比例得到級(jí)配A和級(jí)配B兩種級(jí)配,碎石通過(guò)篩孔的質(zhì)量百分率如表4.無(wú)機(jī)結(jié)合料的種類(lèi)和含量對(duì)穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度有顯著影響,根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》 (JTG/T F20-2015)[12],石灰與粉煤灰的推薦比例為1∶2～1∶4,結(jié)合料與被穩(wěn)定碎石的比例為20∶80～15∶85,此時(shí)該混合料為骨架密實(shí)式粒料,為減少試驗(yàn)工作量,本試驗(yàn)選用石灰∶粉煤灰=1∶4,無(wú)機(jī)結(jié)合料含量取15%和20%兩種,普通硅酸鹽水泥(硫鋁酸鹽水泥)的含量分別取1%、1.5%及2%.具體的石灰-粉煤灰-水泥穩(wěn)定碎石的配合比如表5.

表4 碎石級(jí)配A、B通過(guò)篩孔的質(zhì)量百分率

表5 穩(wěn)定碎石的配合比、最大干密度和最佳含水量

2 試驗(yàn)方法

首先根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)[12],得出不同類(lèi)別石灰-粉煤灰-水泥穩(wěn)定碎石的最佳含水率和最大干密度;然后根據(jù)最大干密度和最佳含水率,制作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣及劈裂拉伸強(qiáng)度試樣,并在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)1、4、7、28 d,除養(yǎng)護(hù)齡期1 d的試樣外,其它養(yǎng)護(hù)齡期的試樣力學(xué)試驗(yàn)前24 h放入水中浸泡使試樣達(dá)到飽和,取出試樣后用抹布擦去表面的自由水,然后用作力學(xué)性能的測(cè)試試樣.

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的規(guī)定[13],在路強(qiáng)儀上試驗(yàn)時(shí)試樣不受側(cè)向約束,以1 mm/min的速率施加軸向壓力直至試件破壞,破壞時(shí)施加的軸向力與試樣底面積的比值為UCS,為減小誤差,每一個(gè)配合比的試樣共制備13個(gè),以這13個(gè)試樣無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度的平均值為最終的UCS.劈裂拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)遵循《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》中的方法[13],STS根據(jù)破壞時(shí)施加的最大荷載P并通過(guò)計(jì)算得到,考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性,每一個(gè)配合比的試樣共制備13個(gè),以這13個(gè)試樣STS的平均值作為最終的STS.

3 結(jié)果與分析

3.1 最大干密度和最佳含水率

最大干密度和最佳含水率是評(píng)價(jià)路面基層材料壓實(shí)特性的重要指標(biāo).圖1為不同類(lèi)別石灰-粉煤灰-穩(wěn)定碎石的干密度和含水率關(guān)系曲線.由圖1可知:干密度隨著含水率的增加而增大,當(dāng)干密度達(dá)到峰值后,干密度隨著含水率的增加反而減小;當(dāng)水泥含量相同,無(wú)機(jī)結(jié)合料含量為15%時(shí)的最大干密度大于無(wú)機(jī)結(jié)合料含量為20%時(shí)穩(wěn)定碎石的最大干密度,級(jí)配A穩(wěn)定碎石的最大干密度大于級(jí)配B.可見(jiàn),隨著無(wú)機(jī)結(jié)合料和細(xì)集料含量的增加,最佳含水率也隨之增大,但最大干密度隨之減小.

圖1 穩(wěn)定碎石的擊實(shí)曲線

3.2 水泥含量、碎石級(jí)配及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)UCS和STS的影響

許多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)機(jī)結(jié)合料含量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間及碎石的級(jí)配對(duì)穩(wěn)定碎石強(qiáng)度有較大影響[14-15].筆者通過(guò)UCT和STS得出不同水泥含量、碎石的級(jí)配及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)穩(wěn)定碎石UCS和STS的影響如圖2所示.由圖2可知:當(dāng)水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí),養(yǎng)護(hù)齡期1 d穩(wěn)定碎石的UCS大小關(guān)系為Ⅰ-A(ⅰ-A)>Ⅱ-A(ⅱ-A)>Ⅰ-B(ⅰ-B) >Ⅱ-B(ⅱ-B),可見(jiàn)當(dāng)碎石級(jí)配良好,摻加較少的無(wú)機(jī)結(jié)合料也能獲得較高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石中碎石級(jí)配良好時(shí),碎石骨架的相互嵌擠及摩擦作用形成了較高的強(qiáng)度.但STS最大的一組為Ⅱ-A(ⅱ-A),這是因?yàn)檩^多的細(xì)集料和膠結(jié)物質(zhì)形成的粘聚力更大.當(dāng)碎石級(jí)配、無(wú)機(jī)結(jié)合料含量和養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí),穩(wěn)定碎石的UCS和STS隨著水泥含量的增加而增大,當(dāng)水泥含量為2%時(shí)穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度最大.當(dāng)無(wú)機(jī)結(jié)合料含量、水泥含量和碎石級(jí)配相同時(shí),穩(wěn)定碎石的UCS和STS隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而提高,這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥的水化反應(yīng)、石灰粉煤灰的水化反應(yīng)及水泥粉煤灰之間的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)生成了膠結(jié)物質(zhì),能將碎石膠結(jié)在一起,這是穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的另一個(gè)重要來(lái)源.

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期的UCS和STS

3.3 水泥種類(lèi)對(duì)UCS和STS的影響

不同水泥種類(lèi)對(duì)UCS和STS的影響如圖3所示.由圖3可知,當(dāng)無(wú)機(jī)結(jié)合料含量、水泥含量相同時(shí),養(yǎng)護(hù)齡期為1 d的硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的UCS和STS高于相同養(yǎng)護(hù)齡期的普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度,Ⅰ-3-A類(lèi)的石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石1 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大(2.28 MPa),達(dá)到了二級(jí)及以下公路路面基層開(kāi)放交通的規(guī)定[11],此時(shí)石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的UCS和STS分別為石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石UCS和STS的1.2和1.78倍,這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥早期水化反應(yīng)速率大于普通硅酸鹽水泥,生成大量的膠結(jié)物質(zhì)快速提升了穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度.養(yǎng)護(hù)齡期為4天和7天時(shí),兩種水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度接近,養(yǎng)護(hù)齡期為28天時(shí),硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度稍微高于普通硅酸鹽水泥,沒(méi)有出現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥混凝土類(lèi)似的強(qiáng)度降低現(xiàn)象[9-10],可見(jiàn)石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石作為路面基層和底基層材料可以達(dá)到快速修補(bǔ)要求.

圖3 不同水泥種類(lèi)穩(wěn)定碎石的UCS和STS的對(duì)比圖

4 結(jié)論

1) 石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石基層養(yǎng)護(hù)齡期1 d的UCS最大可達(dá)2.28 MPa,滿足二級(jí)及以下公路路面基層開(kāi)放交通的強(qiáng)度要求,石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的UCS、STS分別為石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石的1.2和1.78倍,說(shuō)明用硫鋁酸鹽水泥綜合穩(wěn)定碎石可大大提高穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度.

2) 碎石的級(jí)配對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定碎石強(qiáng)度有重要影響,選擇良好級(jí)配的碎石,在相同的無(wú)機(jī)結(jié)合料含量下穩(wěn)定碎石具有較高的強(qiáng)度.

3) 養(yǎng)護(hù)時(shí)間為4天和7天的石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石與同齡期石灰-粉煤灰-普通硅酸鹽水泥穩(wěn)定碎石UCS和STS接近,且養(yǎng)護(hù)28 d后強(qiáng)度沒(méi)有降低,說(shuō)明石灰-粉煤灰-硫鋁酸鹽水泥穩(wěn)定碎石可用于路面基層的快速維修養(yǎng)護(hù)中.