硅灰多孔水泥穩(wěn)定碎石基層性能的試驗研究

劉明富，桑偉寧

(1.安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230088；2.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

0 前 言

截至2019年，我國公路總里程已達484.65萬km，高速公路達14.26萬km，居世界第一[1]。目前我國建成的高速公路，主要是半剛性基層路面，而半剛性基層具有剛度大、可以承受大荷載的特點。但是半剛性基層屬密實性結構，道路的最大影響因素就是水。很明顯半剛性基層結構在應對水的影響時顯得不足，水分會在道路基層中累積，無法排到底面層，當有行車荷載時，很容易造成道路結構的沖刷破壞?；诎雱傂曰鶎舆@一劣勢，一種新型基層結構破土而出，多孔水泥穩(wěn)定碎石基層，可以讓流入道路面層和基層中的水，通過一個個小孔流到基層的裂隙中向下滲透，流入到路基中，從而很好的避免了水在路面和路基層的停留，讓道路免受雨水的影響[2]。基于多孔水泥穩(wěn)定碎石的特點，在其中加入硅灰這種材料，研究對多孔水泥穩(wěn)定碎石基層的影響；在其中添加不同種類的硅灰后，對其路面性能進行研究[3]。

1 原材料

(1)硅灰：硅灰A產(chǎn)地上海；硅灰B產(chǎn)地山東；硅灰C產(chǎn)地上海，各項性能指標見表1。

表1 硅灰性能指標

(2)水泥：安徽海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表解。

表2 水泥的性能指標

(3)粗集料:巢湖產(chǎn)天然玄武巖碎石，共分兩檔：集料A為4.75～9.5 mm，集料B為9.5～15 mm，各項性能指標見表3，篩分結果見表4。

表3 粗集料性能指標

表4 兩種粗集料的篩分結果

(4)水：城市自來水。

2 試驗方案與結果分析

參考已有研究成果，在滿足規(guī)范要求下，采用單一級配進行試驗研究[4]，即30%的粗集料A，70%的粗集料B，水泥和天然河沙摻量參考規(guī)范要求，均采用單一配比，水灰比為0.42，水泥用量摻量8%，擊實采用重型擊實方法[5]。

2.1 透水性能

多孔水泥穩(wěn)定碎石相對于傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定碎石，最大優(yōu)勢在于其透水性，因此首先應該驗算在此級配下多孔水泥穩(wěn)定碎石透水性的影響。透水性能宜用材料的空隙率和透水系數(shù)表示。根據(jù)規(guī)范相關要求，測得此級配的空隙率和透水系數(shù)見表5。

表5 水穩(wěn)碎石透水性指標

由表5可知，試驗所用級配測得空隙率為24.23%，根據(jù)東南大學對透水結構層材料空隙的研究，透水結構層材料所形成連通空隙的臨界空隙率為17.33%，故滿足要求。透水系數(shù)為13.8%，說明材料的透水性能較好。

2.2 無側(cè)限抗壓強度

多孔水泥穩(wěn)定碎石透水性比普通水泥穩(wěn)定碎石高，但由于其結構特點，相應的強度可能比一般水泥穩(wěn)定碎石弱，因此首先應考慮其強度指標，了解摻加三種不同的硅灰對多孔水泥穩(wěn)定碎石的影響，膠凝材料摻量均為8%，測得7 d和28 d抗壓強度數(shù)據(jù)見表6、表7。

表6 各硅灰7 d無側(cè)限抗壓強度

表7 各硅灰28 d無側(cè)限抗壓強度

由表6、表7可知，硅灰A、B均可提高多孔水泥穩(wěn)定碎石的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強度，硅灰C僅提高了7 d抗壓強度。硅灰A、C雖然提高了28 d無側(cè)限抗壓強度，但是與前面的7 d無側(cè)限抗壓強度相比較，強度提升的幅度有所下降。這是因為硅灰的摻加更能促進試件早期強度的形成，水泥前期幫助強度形成需要時間，28 d試件強度形成較完全，因此硅灰提升強度的幅度有所降低。

2.3 彎拉強度

高速公路主要采用半剛性基層瀝青路面，此種基層早期破壞問題主要為路面開裂，即抗彎拉強度不足。因為彎拉強度是很重要的指標，本節(jié)主要討論的是摻量不同的硅灰是否會對多孔水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強度造成影響。本次試驗制作100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，級配與前面相同，總共四組試件，一組不摻加硅灰，其余三組分別按照前面相同的摻量摻加不同種類的硅灰，養(yǎng)護28 d后，依據(jù)規(guī)范測試試件的彎拉強度，并將彎拉強度表示為中點豎向位移的函數(shù)，結果見圖1～圖4。

圖1 不摻硅灰抗彎壓強度變化圖

圖2 摻硅灰A抗彎壓強度變化圖

圖3 摻硅灰B抗彎壓強度變化圖

圖4 摻硅灰C抗彎壓強度變化圖

由圖1～圖4可知，各條曲線的變化規(guī)律均是中點豎向位置隨著抗彎拉強度的增大而增大，前期上升較快，而后逐漸變緩，在相同的中點豎向位移下，圖2～圖4的彎拉強度均大于圖1，說明摻加三種硅灰均可以提高水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強度。

2.4 室內(nèi)動態(tài)抗壓回彈模量

室內(nèi)抗壓回彈模量表示無機結合料穩(wěn)定材料試件在彈性變形階段內(nèi)，在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力。試驗按照規(guī)范要求制作φ150 mm×150 mm試件，制作四組試件，分別為不摻硅灰和單獨摻加三種硅灰，配合比均與前文相同。養(yǎng)護90 d，預定壓力分為5個等級逐級加載，記錄相應過程的變形量，結果見表8。

表8 各硅灰摻量試件室內(nèi)抗壓回彈模量

由表8可知，不摻硅灰材料的回彈模量為868.7 MPa，參加三種硅灰，回彈模量分別增長了9.6%、3.6%、2.0%，說明摻加硅灰后，能夠提高多孔水泥穩(wěn)定碎石的室內(nèi)動態(tài)回彈模量，效果最好的是硅灰A。

3 結 論

(1)多孔水泥穩(wěn)定碎石透水性能優(yōu)于普通水穩(wěn)碎石，對于抵抗水損壞具有重要的意義。

(2)加入硅灰后試件的7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度均有不同程度的提高，其中7 d強度增長最多是硅灰A，28 d強度增長幅度與7 d相比均下降，對28 d無側(cè)限抗壓強度增長最大的是硅灰A，硅灰C沒有明顯變化、

(3)摻加硅灰后，試件的最大彎拉強度呈增長趨勢，對于裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展有較好的抑制作用。

(4)試件在加入硅灰材料后，室內(nèi)動態(tài)回彈模量都在增大，增長最大的是硅灰A，增長了9.6%。

(6)綜合比較三種硅灰材料，總體上硅灰A的各項性能最好，有利于水穩(wěn)碎石在道路中應用。因為本文級配參考相關規(guī)范，綜合前人研究所得，沒有對不同級配的材料摻入硅灰后進行深入研究，級配對于硅灰摻入多孔水泥穩(wěn)定碎石的影響有待進一步研究。