水泥粉煤灰穩定碎石組成對其路用性能的影響

張可強

水泥粉煤灰穩定碎石是一種新型路面基層材料，其兼具水泥穩定類和二灰穩定類基層材料的優點。水泥粉煤灰穩定碎石混合料的早期強度高于二灰穩定類材料的而低于水泥穩定類材料的，其后期強度低于二灰穩定類材料的而高于水泥穩定類材料的，適應于重型交通［1－3］。水泥粉煤灰穩定碎石的強度形成機理主要為集料骨架間的嵌擠和摩擦作用及結合料的膠結作用。粉煤灰的摻入能夠較好地填充材料的空隙，使材料更加密實。但粉煤灰摻量過高，則會對集料骨架產生干涉作用，將骨架撐開。另外，粉煤灰具有較強的潛在火山灰活性，結合料的膠結作用與粉煤灰的摻量和養生齡期也有著密切的關系。

一些學者對水泥粉煤灰穩定碎石基層的路用性能進行過相關的研究，但他們的觀點不一致。公路瀝青路面設計規范［4］中推薦水泥粉煤灰與集料的質量比宜為（13～17）∶（87～83）；楊錫武［5］等人采用11%的粉煤灰，使材料的早期強度提高了150%；蕭賡［6］等人的研究表明，當粉煤灰的摻量小于5%時，材料的早期強度和模量均有所增加，隨著粉煤灰繼續摻入，則材料的早期強度和模量會降低，但材料的后期強度會增加；張嘎吱［7－8］等人根據研究結果，提出水泥和粉煤灰的最佳比例為1∶1～1∶2，且其研究成果都是建立在重型擊實法確定的最佳含水率、最大干密度及靜壓成型的試件各種力學性能基礎上得到的。而目前的現場混合料采用振動壓實，室內試驗與現場施工不匹配。這些問題致使該材料設計無據可依，推廣難度增大。

作者以連霍高速公路西（安）－寶（雞）段改擴建工程為依托，以振動成型試驗為手段，擬研究粉煤灰摻量和養生齡期對水泥粉煤灰穩定碎石各項路用性能的影響。

1 原材料與試驗方法

碎石采用石灰巖，水泥采用復合硅酸鹽水泥P.C32.5，3d抗折強度為3.6MPa，3d抗壓強度為16.8MPa，28d抗折強度為7.1MPa，28d抗壓強度為40.1MPa，細度4.6%，初凝時間190min，終凝時間420min，其各項技術指標滿足《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50－2006）和《公路路面基層施工技術規范》（JTJ 034－2000）［9］要求；粉煤灰取自渭河火電廠，技術指標見表1。根據試驗研究成果，本項目固定水泥摻量為3.3%。

表1 粉煤灰技術指標Table 1 Technical index of fly－ash

粉煤灰含水率宜控制在15%～20%，以防揚塵。對于濕粉煤灰，其含水率≤35%。因為含水率過大時，粉煤灰易凝聚成團，造成拌和困難。

2 級配設計

2.1 試驗方法

眾所周知，最佳級配是特定成型方式下的產物，它能模擬現場壓實方式進行試件成型，得到的最佳級配，具有實用價值。而振動擊實法是通過表面振動實驗儀器在一定的振動頻率、振幅、激振力及振動時間下進行的，最大限度地模擬了現場碾壓工藝，使室內混合料的物理結構及力學性能能較好地反映現場工況。

采用振動擊實法，進行水泥粉煤灰穩定碎石試件的成型。在試模內，半剛性基層材料會發生接近自身固有頻率的振動，顆粒間的摩擦力減小，小的顆粒填充到大顆粒材料的空隙中，材料在試模內逐漸被壓實。趙可［10］確定了水泥穩定碎石混合料振動成型參數，它們是：振動頻率30Hz，偏心塊夾角300，激振力7 612N，靜面壓力140kPa，振幅1.4mm，振動總時間2min。其研究表明：振動成型的試件骨架性越強，密度就越大，無側限抗壓強度也越大，而變異系數越低，吸水率只有標準擊實的1／10，且表現出更優的抗干縮性能。

2.2 集料配比確定

為了分析單純粉煤灰摻量對水泥粉煤灰碎石基層強度特性的影響，固定碎石級配不變，改變粉煤灰與碎石之間的比例，采用規范推薦的骨架密實結構，碎石級配及建議范圍見表2。

表2 碎石級配及建議范圍Table 2 Gradation of the crushed stone and the recommended range

3 粉煤灰摻量對強度的影響

水泥粉煤灰穩定碎石混合料強度主要由骨料間嵌擠作用、水泥水化產物及水泥與骨料和粉煤灰間粘結強度所組成的。粉煤灰分別按0%，4%，6%，10%，15%和20%等6種摻量與碎石進行配合，采用振動擊實法，進行最大干密度和最佳含水率試驗。不同粉煤灰摻量的試驗參數和結果見表3。

進行不同齡期（7，28，90和180d）的無側限抗壓強度和劈裂強度試驗，材料的無側限抗壓強度和劈裂強度與粉煤灰摻量的關系分別如圖1，2所示。

表3 不同粉煤灰摻量的試驗參數和結果Table 3 Test parameters and results of different contents of fly－ash

圖1 無側限抗壓強度與粉煤灰摻量的關系Fig.1 The change of the unconfined compressive strength with the fly－ash content

圖2 劈裂強度與粉煤灰摻量的關系Fig.2 The change of the splitting tensile strength with the fly－ash content

從圖1，2中可以看出，試驗齡期內，無側限抗壓強度和劈裂強度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢，強度增加的原因是：①粉煤灰摻量不大時，它起到填充作用（質量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），使混合料更加密實；②與水泥水化產物Ca（OH）2和石料周圍的Ca（OH）2發生結晶反應，生成了具有凝膠性質的產物，增加了顆粒間的粘結力；③對水泥顆粒起到物理分散作用，水化緩慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化更充分。但粉煤灰摻量增加到一定數量后，粉煤灰便會起到干涉作用，使集料間嵌擠和摩擦作用減弱，混合料強度降低。對比粉煤灰摻量對無側限抗壓強度和劈裂強度的影響，粉煤灰與水泥水化產物Ca（OH）2和石料周圍的Ca（OH）2發生結晶反應，生成了具有凝膠性質的產物，對材料的抗劈裂和抗拉性能有更大的貢獻［11］。從室內試驗強度特性來看，粉煤灰摻量在4%～15%之間是合適的。

4 粉煤灰摻量對干縮特性的影響

水泥與各種粗（細）集料和粉煤灰進行拌合、碾壓后，由于蒸發和混合料內部水化作用，混合料內部水分不斷減小，會發生毛細管作用、吸附作用、分子間作用、材料礦物晶體或凝膠體間層間水的作用和碳化作用等，而引起水泥粉煤灰穩定碎石混合料產生體積收縮。表征混合料抗干縮能力的指標有混合料的干縮應變和干縮系數。如果干縮應變過大，則在水分散發的過程中混合料將產生過大的干縮，在瀝青面層、底基層及基層板體本身的聯合約束下，基層本身將不能自由收縮，從而形成混合料內部拉應力。該拉應力一旦超過混合料所能承受的拉應力，便會產生微裂縫。

筆者采用千分表來測量水泥粉煤灰穩定碎石混合料試件的干縮能力。按最佳含水率和最大干密度采用振動擊實法制作試件，養生7d，取出。于室溫下風干12h，以排除對干縮并不產生作用的表面水。取失水前、后千分表的讀數差及試件的質量差來計算干縮應變和失水量，直到測試時間達到600h以上。不同粉煤灰摻量干縮系數與失水率的關系如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著水分的散失，水泥粉煤灰穩定碎石混合料的干縮應變逐漸增大。隨著粉煤灰摻量的增加，混合料的干縮系數逐漸減小。當粉煤灰摻量增加到一定程度時（15%），其干縮系數開始增大。當粉煤灰摻量增加到20%時，其干縮系數急劇增長，為摻加4%～15%時的2倍。其原因是：隨著粉煤灰摻量的增加，它吸收了部分水泥的水化熱，減少了收縮和溫宿，其干縮系數減小；但粉煤灰摻量增加到一定數量后，粉煤灰更多的是起到粉性集料作用。而細集料（特別是0.075mm以下粉性集料）的增加會降低半剛性基層的抗裂能力，使干縮系數增大。從室內試驗干縮特性來看，粉煤灰摻量在4%～10%之間是合適的。

圖3 不同粉煤灰摻量干縮系數與失水率的關系Fig.3 The change of the shrinkage coefficient and the filtration rate with the fly－ash content

5 實體工程驗證

連霍高速（G30）西安至寶雞段改擴建工程130km基層全部使用水泥粉煤灰穩定碎石材料，粉煤灰用量選定為6%（內摻），根據最大干密度和最佳含水率來確定水泥摻量。不同水泥摻量下混合料試驗的結果分別見表4，5。從工程經濟和現場施工條件考慮，確定水泥粉煤灰穩定碎石基層水泥摻量為3.3%。

表4 不同水泥摻量混合料擊實試驗的結果Table 4 Test results of different amount of cement

鋪筑完成養護7d后，進行鉆芯試驗，均可取出表面光滑的完整芯樣。將芯樣切割成φ150mm×150mm的試樣，進行無側限抗壓強度試驗。路面三標基層芯樣強度平均值為7.8MPa，實驗室振動擊實成型強度為7.5MPa。這表明振動擊實方式與現場振動碾壓方式的壓實功相接近。

表5 7d無側限抗壓強度試驗的結果Table 5 Test results of unconfined compressive strength for 7days

對實體工程進行跟蹤觀測，觀測結果見表6。從表6中可以看出，基于振動成型法的水泥粉煤灰穩定碎石抗裂性能優良，具有較好的路用性能。

表6 橫向裂縫間距Table 6 Transverse cracks of the pitch

6 結論

1）室內試件和現場芯樣無側限抗壓強度試驗結果表明：振動擊實儀擊實與振動壓路機碾壓工況相匹配。

2）粉煤灰摻量對水泥粉煤灰穩定碎石（振動擊實法成型的試件）早期強度影響不明顯，水泥粉煤灰穩定碎石的無側限抗壓強度和劈裂強度隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢。

3）隨著水分的散失，水泥粉煤灰穩定碎石混合料的干縮應變逐漸增大，其干縮系數隨著粉煤灰摻量的增加呈先增后減的趨勢。

4）綜合強度試驗和干縮試驗結果，推薦粉煤灰的摻量為4%～10%。通過實體工程試驗并跟蹤觀測，粉煤灰摻量為6%的水泥粉煤灰穩定碎石基層抗裂性能優良，證明本研究結論可行，可以推廣應用。

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