凍融循環(huán)后固化粉煤灰的力學(xué)特性研究

魏 威,廖亞雄,袁盛杰,趙沂偉

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北 武漢 430051)

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

粉煤灰取自工程所在地臨近的火力發(fā)電廠,技術(shù)指標(biāo)見表1。固化劑采用鎮(zhèn)江建科集團(tuán)生產(chǎn),技術(shù)指標(biāo)見表2[1]。

表1 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

1.2 凍融循環(huán)方法

固化粉煤灰試件成型后養(yǎng)護(hù)為28 d,待試件養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行室內(nèi)凍融循環(huán)。采用凍融循環(huán)試驗(yàn)箱對(duì)固化粉煤灰試件展開重復(fù)凍融循環(huán),對(duì)試件進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù),進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),每組制備3個(gè)試件[2]。已有研究表明,凍融循環(huán)6次～7次以后,路基的物理性質(zhì)趨于穩(wěn)定[3],因此本文凍融循環(huán)最多取7次。根據(jù)極端氣候下的溫度情況,選取冷凍溫度為-10 ℃,融化溫度為常溫15 ℃。考慮到實(shí)際溫度的變化并非突變,因此將設(shè)備設(shè)定在1 h內(nèi)緩慢且均勻降溫到冷凍溫度,并恒溫放置3 h;然后取出試件,采用相同的方法升溫至15 ℃,并恒溫放置3 h,以此為一個(gè)凍融循環(huán)過程,每個(gè)循環(huán)過程控制在8 h。

1.3 擊實(shí)特性

固化劑摻量參考規(guī)范取5%～9%,依據(jù)無機(jī)結(jié)合料試驗(yàn)規(guī)程中的重型擊實(shí)試驗(yàn)方法確定固化粉煤灰的最大干密度與最佳含水率,結(jié)果見表3。

表3 不同固化劑含量下重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,固化粉煤灰的干密度最大不超過1.221 kg/m3,而常規(guī)的橋臺(tái)臺(tái)背填筑材料密度不小于1.7 kg/m3[17]?？梢姛o論采用何種劑量的固化粉煤灰回填,至少可減少約30%的附加應(yīng)力,但凍融循環(huán)后的性質(zhì)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 凍融循環(huán)后的力學(xué)特性

2.1 抗壓強(qiáng)度

凍融循環(huán)前后的強(qiáng)度采用粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,以95%的壓實(shí)度成型試件并標(biāo)養(yǎng)28 d,凍融循環(huán)0～7次不同固化劑摻量下的抗壓強(qiáng)度見表4,強(qiáng)度變化趨勢(shì)見圖1。

圖1 不同固化劑含量下的凍融循環(huán)后強(qiáng)度變化趨勢(shì)

表4 不同固化劑含量下凍融循環(huán)后強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4、圖1可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì),前3次的衰減幅度較大,第4次以后衰減趨勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定,并未像其他改良類路基的線性衰減,說明固化粉煤灰在凍融循環(huán)下有良好的工程特性。凍融循環(huán)7次前后的強(qiáng)度變化率見表5。

表5 不同固化劑含量下凍融循環(huán)前后強(qiáng)度變化

由表5可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,強(qiáng)度衰減率隨著增加。雖然表3的結(jié)果顯示在10%的固化劑摻量下凍融循環(huán)7次后的抗壓強(qiáng)度最高,但是強(qiáng)度衰減率已接近50%。這是因?yàn)樵诠袒瘎搅吭黾雍笮枰嗟乃_(dá)到飽和,而凍融循環(huán)過程中水體積的變化對(duì)強(qiáng)度的變化尤為明顯,因此固化粉煤灰不宜采用較高的摻量。

2.2 水穩(wěn)定性

在車輛荷載作用下會(huì)形成破壞,因此要評(píng)價(jià)凍融循環(huán)之后的水穩(wěn)定性,以試件的飽水強(qiáng)度與不飽水強(qiáng)度比值進(jìn)行判定。凍融循環(huán)直接采用7次后的測(cè)試結(jié)果,不同固化劑摻量下在凍融循環(huán)前后的測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 不同固化劑含量下重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知,凍融循環(huán)前的水穩(wěn)定性隨著固化劑摻量的增加而增加,但凍融循環(huán)后呈現(xiàn)出相反的規(guī)律,原因與抗壓強(qiáng)度的衰減類似。因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)的過程中含水率的增加,水體積的變壞造成試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。由圖2可見,隨著固化劑摻量的增加,凍融循環(huán)前后水穩(wěn)定系數(shù)的差值呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),說明固化劑摻量過大會(huì)造成水穩(wěn)定性的進(jìn)一步衰減。凍融循環(huán)7次前后的水穩(wěn)定性變化率見表7。

圖2 不同固化劑含量下的凍融循環(huán)后水穩(wěn)定系數(shù)變化趨勢(shì)

表7 不同固化劑含量下凍融循環(huán)前后強(qiáng)度變化

由表7的衰減率可知,建議固化劑摻量不超過7%。

2.3 動(dòng)應(yīng)力

由文獻(xiàn)可知,當(dāng)一定圍壓下,動(dòng)應(yīng)力的曲線為臨界型時(shí),是區(qū)分試件穩(wěn)定與破壞的界限。因此本文采用動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)試固化粉煤灰在凍融循環(huán)前后的臨界動(dòng)應(yīng)力的范圍,進(jìn)而評(píng)價(jià)在凍融循環(huán)前后,不同劑量的固化粉煤灰能否滿足路基填筑要求。圍壓分別采用35、45、69、89、103 kPa進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果以圍壓的范圍呈現(xiàn),見表8。

表8 不同固化劑含量下的動(dòng)應(yīng)力

由表8可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,動(dòng)應(yīng)力的規(guī)律與抗壓強(qiáng)度的規(guī)律類似,表現(xiàn)為初期衰減較大。由文獻(xiàn)[19]可知,在典型瀝青路面結(jié)構(gòu)中,路基頂面的豎向應(yīng)力通常不超過20 kPa,在固化劑摻量不超過7%的情況下,至少可達(dá)到規(guī)范最大值的1.75倍。因此考慮到凍融循環(huán)后動(dòng)應(yīng)力的衰減與城市道路的設(shè)計(jì)要求,建議固化劑摻量為5%～7%。

3 結(jié) 語

(1)根據(jù)江蘇省地標(biāo)推薦的5%～10%的固化劑摻量,作為輕質(zhì)材料,固化粉煤灰充分發(fā)揮了減少路基附加應(yīng)力與沉降的作用,作為橋臺(tái)臺(tái)背或路基填筑時(shí)至少可減少約30%的附加應(yīng)力。

(2)固化粉煤灰的抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小,第4次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定,并未像其他改良類路基的線性衰減;雖然在劑量增加后,在飽和水體積變化作用下,抗壓強(qiáng)度衰減率已接近50%,但仍然表明固化粉煤灰在凍融循環(huán)下有良好的工程特性。作為路基填料往往位于水穩(wěn)層以下,即在南方極端條件下凍融循環(huán)后依然滿足強(qiáng)度要求。

(3)固化粉煤灰在凍融循環(huán)前的水穩(wěn)定性隨著固化劑摻量的增加而增加,但凍融循環(huán)后相反,凍融循環(huán)前后水穩(wěn)定系數(shù)的差值呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),固化劑摻量超過一定界限會(huì)造成水穩(wěn)定性的衰減。試驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)際使用中固化劑的摻量不宜超過7%。

(4)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,動(dòng)應(yīng)力初期衰減較大,而3次以后逐漸趨于穩(wěn)定。在固化劑摻量不超過7%的情況下,至少可達(dá)到規(guī)范最大值的1.75倍。因此在典型瀝青路面結(jié)構(gòu)中建議固化劑摻量為5%～7%。