水泥粉煤灰穩定碎石施工性能的試驗室研究

黃 明1，陳 瀟2，謝 俊3

（1.武漢中交二航局六工程分公司，武漢430000；2.武漢理工大學綠色建筑材料及制造教育部工程研究中心，武漢430070；3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點試驗室，武漢430070）

由于早期強度高、水穩性好、施工機動性強等優點［1］，水泥穩定類材料已成為我國高等級公路廣泛采用的半剛性基層材料。但通過一些研究以及應用發現，該類材料在施工過程中存在擊實性能差［2］、離析嚴重［3－6］等缺點，嚴重影響了基層的施工質量。水泥粉煤灰穩定碎石是一類具有較好路用性能的新型基層材料［7］，由于集料級配的改變以及粉煤灰的摻入，必然會對材料的上述施工性能產生影響，但目前，針對水泥粉煤灰穩定碎石施工性能的研究還少有報道，而且缺乏試驗室中針對相關性能進行研究的試驗方法以及評價指標，以至于無法很好的兼顧材料的路用性能和施工性能來對其進行配合比設計，嚴重制約了該類材料的推廣與應用。

文章通過設計針對水泥粉煤灰穩定碎石擊實性能、抗離析性能的實驗室試驗方法以及評價指標，系統研究集料級配、結合料填充系數（結合料填充系數是指水泥粉煤灰穩定碎石中水泥粉煤灰結合料的體積與集料空隙體積的比例）等因素對其上述施工性能的影響，并分析作用機理。為同時兼顧路用性能以及施工性能的水泥粉煤灰穩定碎石配合比設計，提供理論基礎。

1 試 驗

1.1 原材料

1）水泥

采用華新水泥廠32.5級普通硅酸鹽水泥。

2）粉煤灰

粉煤灰取自青山火電廠，其物理特性如表1所示：

表1 粉煤灰的物理性能

3）集料

為了研究集料級配對材料施工性能的影響，調配了4種具有代表性的集料級配，分別為規范JTG D50—2006《公路瀝青路面設計規范》中所推薦的懸浮密實型水泥穩定類材料的級配中值、骨架密實型的級配中值、骨架密實型二灰穩定類的級配中值以及文獻［8］所推薦的級配（偏粗），其具體級配如表2所示：

表2 集料級配 ／%

4）配合比設計

通過擊實試驗求出水泥粉煤灰結合料中水泥摻量與結合料最大干密度之間的關系，按照文獻［9］相關方法，通過計算求出水泥劑量為整體干混合料的4%（內摻），不同級配下，結合料填充系數分別為0.6、0.8、1.0、1.2以及1.4的配合比并根據擊實試驗求出相關成型參數如表3所示：

表3 計算配合比以及相關成型參數

1.2 試驗方法

1）擊實試驗

擊實試驗按照JTJ057—94《無機結合料穩定粒料試驗規程》中重型擊實的試驗方法，同時通過二次回歸繪制材料干密度與含水量之間的關系曲線。半剛性基層材料干密度－含水量曲線，實際表示了材料干密度受含水量影響的性能，一般呈開口向下的拋物線形。拋物線頂點處的干密度即為材料的最大干密度，其所對應的含水量就是材料的最佳含水量。曲線的曲率K是針對曲線上某個點的切線方向角對弧長的轉動率，表明曲線偏離直線的程度。曲率K越大，表示曲線的彎曲程度越大［10］。所以，可以采用擊實曲線頂點處的曲率K表示材料在最大干密度附近區域內，干密度對含水量的敏感程度。曲率K越大，則材料干密度對含水量越敏感，反之亦然。

2）抗離析試驗

對水泥類穩定材料的抗離析性能的評價是采用在試驗室中進行模擬攤鋪，并用集料級配的變化進行評價。具體做法是采用60L混凝土拌和機對材料進行拌和1min后，快速將拌鍋放下，然后用22r／min的轉速進行出料。料堆的分布情況如圖1所示：

如圖1所示，分別按照圖1的不同區域各取5kg的混合料，采用水洗法將混合料去除0.6mm以下的顆粒（由表1所示，粉煤灰可以完全洗掉，故排除了粉煤灰摻量不同對集料級配的影響），烘干后進行顆粒分析，且與材料的原始級配進行比較，將每個篩孔變化的絕對值相加，并求取區域A（A－1和A－2）以及B（B－1和B－2）的平均值，即為材料不同區域的離析系數Li。各個區域離析系數的總和就是該種材料的總離析系數L。離析系數L越小，則材料的抗離析性能越好。

2 結果與分析

2.1 水泥粉煤灰穩定碎石的擊實性能

表4為各擊實曲線通過二次回歸后的擬合函數以及頂點處的曲率K。

表4 擬合曲線以及曲率K

通過表4可以看出：

1）在集料級配相同時，隨著結合料填充系數的提高，擊實曲線逐漸變的平滑，其頂點處的曲率K逐漸變小。這說明材料的干密度對含水量的敏感度逐漸減小，在施工中有利于材料最佳含水量的控制。這主要是因為，碎石材料的附水性能較差，且具有一定的觸變性［11］，故水分在其擊實過程中所起到的潤滑作用較小，大多數水并沒有被集料所吸附，而是以流漿的形式存在，所以當結合料填充系數較小時，材料的擊實曲線存在突變性。而隨著結合料填充系數的逐漸增加，一方面粉煤灰表面吸附了大量的水膜，使材料的擊實性能進一步體現出來，另一方面粉煤灰具有較好的“滾珠效應”［2］，在材料擊實過程中起到了潤滑作用，有效抑制了碎石材料的觸變性。

2）在相同結合料填充系數下，懸浮型級配較骨架型級配的擊實曲線要平滑一些，且頂點處的曲率K要略微小一些，也就是其含水量對干密度的影響較小。這主要是由于，懸浮型級配中細小顆粒的含量較大，如a級配中4.75mm以下通過率為37%，而c級配該通過率僅為12%。在碎石材料中，細集料吸附水分的能力要遠遠強于粗集料，故其所表現出的擊實性能也更為優良。

2.2 水泥粉煤灰穩定碎石的抗離析性能

表5，表6分別為不同級配下（級配A，B）以及不同結合料填充系數（0.6，1.0，1.4）的水泥粉煤灰穩定碎石在試驗前后的級配變化。

表5 水泥粉煤灰穩定碎石的級配變化，級配類型為A

表6 水泥粉煤灰穩定碎石的級配變化，級配類型為B

通過分析表5，表6可以看出：

1）混合料經過攪拌快速傾倒出來后，在區域 A－1、A－2（如圖1）內級配普遍偏粗，而在區域B－1、B－2（如圖1）內級配普遍偏細，與施工過程中攤鋪機攤鋪后混合料分布有一定的相似性；

2）在級配類型相同時，隨著結合料填充系數的增加，材料在不同區域（A或者B）內的級配變化（也就是離析指數Li）均逐漸降低，材料總的離析指數L也呈現下降趨勢；可見，結合料填充系數的提高有助于提高水泥粉煤灰碎石混合料的抗離析性能；

3）在結合料填充系數相同時，級配為懸浮型（級配A）的混合料在不同區域（A或者B）內級配變化較骨架型級配（級配B）要小，總離析指數L也相對較小，可見，懸浮型級配具有更好的抗離析性能；

4）有研究認為混合料中顆粒的相對位移與混合料的粘度系數、粒徑大小分布等因素有關［12］。結合料填充系數的增加，可以增加混合料的粘度系數，而懸浮型級配顆粒的粒徑大小相對骨架型級配而言，具有更好的連續性，所以顆粒的相對位移較小，抗離析性能較高。

3 結 論

a.結合料填充系數的增加，使水泥粉煤灰穩定碎石材料的擊實性能、抗離析性能以及抗破碎性能均有所改善；相同結合料填充系數下，集料級配類型對水泥粉煤灰穩定碎石的施工性能具有不同的影響，懸浮型級配有利于混合料擊實性能、抗離析性能的改善；

b.水泥粉煤灰穩定碎石擊實性能主要反映材料干密度對含水量的敏感程度，結合料填充系數大、細集料含量高的混合料，具有更強的對水吸附的能力以及粉煤灰的“滾珠效應”，故擊實曲線頂點處的曲率K更小，干密度對含水量的變化更不敏感，擊實性能更好；

c.粉煤灰以及細集料具有對粗集料的包裹、粘附作用，能有效提高水泥粉煤灰穩定碎石混合料的粘度系數，同時懸浮型級配其顆粒粒徑又具有很強的連續性，故抗離析性能較好；

d.對于不同級配類型的混合料，結合料填充系數提高到1.0后，均能顯著改善材料的施工性能，故在考慮施工性能對水泥粉煤灰穩定碎石進行配合比設計時，其結合料填充系數應大于1.0。

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