路用水泥稻殼灰穩定碎石混合料性能試驗研究

朱俊樸

中山翠亨新區工程項目建設事務中心，廣東 中山 528400

水泥穩定碎石因具有強度高、穩定性強、整體性與抗凍脹性能好等優點，被廣泛應用于公路基層、鐵路路橋過渡段與寒區鐵路路基材料中［1-3］。我國稻殼每年產量高達4 500萬t［4］，常用的焚燒處理方法對生態環境影響大。稻殼焚燒后產生的稻殼灰價廉，且具有較強的火山灰活性，非晶質SiO2含量高達90%。

國內外學者對稻殼灰水泥基材料和性能進行了理論與試驗研究。汪知文等［5］介紹了稻殼灰的理化性質、微觀結構、生產制備工藝及其對水泥混凝土各項性能的影響，闡述了稻殼灰在水泥混凝土中的工作機理；龔建清等［6］發現稻殼灰取代硅灰比例達到100%時，試件28 d抗壓強度、抗折強度分別比基準組提高15.4%和16.0%；馬嘉琛等［7］研究發現粒徑7～10μm的細粒稻殼灰可縮短水泥凈漿凝結時間，替代率5%時可提高水泥抗折及抗壓強度；王佳雷等［8］研究發現水泥-石灰石粉-稻殼灰復合料試件抗壓強度隨著稻殼灰摻量增加先增大后減小，替代率10%時抗壓強度最高；Gemma［9］發現稻殼灰可以降低混凝土滲透系數，替代率20%時混凝土滲透系數最低。Khan等［10］發現摻入稻殼灰的混凝土呈現出較好的抗氯離子滲透性能。王維紅、Givi等［11-12］發現稻殼灰與其他礦物料復摻適當替代水泥能在一定程度上改善水泥混凝土的強度及耐久性能。

國內外針對稻殼水泥基材料的研究主要集中在材料本身性能改善方面，關于稻殼灰應用于水泥穩定碎石混合料基層時，其對強度及耐久性能的影響鮮有研究，而水泥穩定碎石在鐵路、公路路基與基床中應用廣泛。本文采用稻殼灰替代水泥，替代率分別為0、20%、40%、60%、80%。通過無側限抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度等強度試驗和抗凍性能、抗干縮性能、抗溫縮性能等耐久性能試驗，對不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料性能變化規律進行探究。

1 試驗原材料

水泥為P.C32.5復合硅酸鹽水泥，其基本性能指標符合TJ E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》要求。集料為表面粗糙干燥的石灰石，其性能指標符合JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》要求。稻殼灰為普通稻殼經鍋爐房焚燒后所得，見圖1。

圖1 稻殼灰樣品

通過X射線衍射法對稻殼灰元素組成進行分析，結果見表1。可知，稻殼灰主要由碳、氧、硅元素以SiO2晶體形式存在。這三種元素質量占比接近95.7%。

表1 稻殼灰元素含量 %

采用掃描電鏡法對粉磨后的稻殼灰微觀形態進行分析，結果見圖2。可見稻殼灰主要存在兩種形態。一種稻殼灰呈棱角分明的碎片狀，粒徑小于5μm；另一種稻殼灰因相互吸附聚攏成球狀顆粒。大量微小球狀顆粒使得稻殼灰比表面積達到50～100 m2∕g，這可能是稻殼灰具有高火山灰活性的原因之一［13］。

圖2 稻殼灰掃描電鏡圖像

2 水泥-稻殼灰穩定碎石混合料配合比

水泥用量太高將降低混合料的收縮性能，太低又影響其強度。參考JTG D50—2017《公路瀝青路面設計規范》，試驗時水泥質量取全部集料總質量的5.0%。集料采用JTG F20—2015《公路路面基層施工技術細則》推薦的級配中值，見表2。篩孔尺寸單位為mm。

表2 集料級配

3 擊實試驗

通過擊實試驗測定水泥稻殼灰穩定碎石混合料的最優含水率及最大干密度，結果見表3。其中：配合比為水泥、稻殼灰和集料三種組分的質量百分比。可知，稻殼灰取代部分水泥對混合料最大干密度幾乎無影響，但能明顯提升其最優含水率。

表3 水泥稻殼灰穩定碎石混合料擊實試驗結果

4 水泥稻殼灰穩定碎石混合料強度試驗

試件分為?150 mm×150 mm（高）圓柱形及400 mm（長）×100 mm（寬）×100 mm（高）梁式兩種，采用靜力壓實法成型。按照JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》要求進行無側限抗壓強度、劈裂強度、彎拉強度、抗壓回彈模量試驗。按照JTG D50—2017對試驗結果進行定量分析。

4.1 無側限抗壓強度

不同替代率下試件的無側限抗壓強度隨齡期變化曲線見圖3。可知：①同一齡期下水泥穩定碎石混合料的抗壓強度隨稻殼灰替代率增加而降低，四種替代率混合料的抗壓強度與齡期均成正相關。②未摻稻殼灰時180 d齡期混合料抗壓強度比7 d齡期增長42.2%，替代率為20%、40%、60%、80%時混合料抗壓強度依次增長46.7%、49.5%、89.1%、261.0%。增長率越大，說明早期強度越低，強度形成所需時間越長。這是由于稻殼灰替代率的增加使混合料最優含水率增大，進而影響到混合料的水化反應，延緩了早期強度的形成時間。③規范中高速公路或一級公路無機結合料穩定材料7 d無側限抗壓強度參考值為4.0～6.0 MPa。稻殼灰替代率為20%時混合料抗壓強度（4.22 MPa）滿足要求，說明稻殼灰替代水泥后，混合料抗壓強度雖有降低，但替代率不大時仍能滿足規范要求。

圖3 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料無側限抗壓強度隨齡期變化曲線

4.2 劈裂強度

不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料的劈裂強度隨齡期變化曲線見圖4。可知：①在同一齡期下混合料劈裂強度隨稻殼灰替代率增加而下降。這是由于抗劈裂破壞能力主要與集料之間的黏結力有關，稻殼灰的替代延緩了試件強度的形成時間。②不同替代率混合料劈裂強度均隨齡期增長而逐漸增大。規范中無機結合料穩定材料90 d劈裂強度參考值為0.4～0.6 MPa，替代率20%時混合料劈裂強度（0.56 MPa）滿足規范要求。③稻殼灰替代率為0、20%、40%、60%、80%時混合料90 d劈裂強度分別占最大劈裂強度的95.9%、88.9%、83.0%、83.3%、72.2%。

圖4 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料劈裂強度隨齡期變化曲線

4.3 彎拉強度

不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料90 d齡期彎拉強度見表4。可知：①混合料彎拉強度隨稻殼灰替代率增加而降低。替代率20%時混合料彎拉強度比不替代時僅下降6.5%。替代率40%時混合料彎拉強度比替代率20%時下降22.3%。這是由于與劈裂強度一樣，彎拉強度也取決于集料之間的黏結力。稻殼灰替代率增加，水泥含量降低，導致水泥水化產生的膠凝物質減少，進而減弱了混合料內部的黏結力。②稻殼灰替代率40%的混合料彎拉強度為1.22 MPa，滿足規范要求的0.9～1.5 MPa。

表4 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料90 d齡期彎拉強度

4.4 抗壓回彈模量

不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料90 d齡期抗壓回彈模量見表5。可知：①混合料抗壓回彈模量隨稻殼灰替代率增加而降低。這是由于混合料抗壓回彈模量除受集料顆粒間黏結力影響外，還受水泥用量影響。稻殼灰替代率增大使混合料水泥用量降低，導致抗壓回彈模量降低。②規范中無機結合料穩定材料抗壓回彈模量參考值為1 300～1 700 MPa。替代率不超過40%時，混合料抗壓回彈模量滿足規范要求。

表5 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料90 d齡期抗壓回彈模量

5 水泥稻殼灰穩定碎石混合料耐久性能試驗

混合料耐久性能試驗試件尺寸與強度試件尺寸一致。按照JTG E51—2009進行抗凍性能、抗干縮性能和抗溫縮性能試驗，并按照JTG D50—2017對試驗結果進行定量分析。

5.1 抗凍性能

無機結合料穩定材料的抗凍性能用凍融殘留抗壓強度比（試件N次凍融循環后試件的抗壓強度和未凍融試件的抗壓強度之比）來表征。其值越大，混合料的抗凍融破壞能力越強。

不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料經5次凍融循環后殘留抗壓強度比見表6。可知：①混合料殘留抗壓強度比隨稻殼灰替代率增加而降低。這是由于稻殼灰的摻入使得水泥水化產物減少，膠結作用減弱，水泥漿體在凍融循環作用下更易損傷，與骨料剝離。②替代率60%時混合料殘留抗壓強度比68.5%，滿足大于等于65%（中凍區）的規范要求。說明稻殼灰替代率較高時混合料抗凍性能依然較好，稻殼灰在寒區路基材料中使用價值較高。

表6 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料殘留抗壓強度比

5.2 抗干縮性能

抗干縮性能表征無機結合料穩定材料抵抗失水后尺寸收縮的性能，以干縮量、干縮系數兩個指標衡量。干縮量為試件在一定時間內單向尺寸的變化量。干縮系數為干縮應變與失水量的比值，干縮系數越大混合料失水收縮程度越高。

不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料的累計失水率和累計干縮量見圖5，各試件的平均干縮系數見表7。

表7 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料平均干縮系數

圖5 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料累計失水率、累計干縮量隨齡期變化曲線

由圖5和表7可知：①混合料累計失水率和累計干縮量隨試件齡期增長而逐漸增大，20 d時累計失水率已基本穩定，190 h時累計干縮量才趨于穩定。②混合料平均干縮系數與稻殼灰替代率成正相關，替代率20%時混合料平均干縮系數比不替代時小，說明抗干縮性能有所改善，而替代率超過20%后干縮系數會逐漸增大。可能是由于替代率20%時，稻殼灰與水泥反應生成致密且收縮應變較小的漿體。

5.3 抗溫縮性能

抗溫縮性能通過溫縮試驗測定，溫縮性能為環境溫度降低時無機結合料穩定材料尺寸收縮性能，用溫縮系數衡量。溫縮系數越大，混合料降溫后收縮程度越高。溫縮試驗溫度從50℃逐級降至-20℃，分7個區間，每個區間溫差10℃。

不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料平均溫縮系數見表8。可知：①平均溫縮系數隨替代率增加而增大，但增幅不大，說明稻殼灰對于寒區路基材料抗溫縮性能影響較小。②替代率由20%增至80%時混合料平均溫縮系數增長了29.2%。這是由于稻殼灰密度遠小于水泥，水泥與稻殼灰結合后水化時總體積增大，水化物的溫縮導致了混合料整體的溫縮。

表8 不同替代率下水泥稻殼灰穩定碎石混合料平均溫縮系數

6 結論

1）稻殼灰替代率的增加在一定程度上削弱了水泥稻殼灰穩定碎石混合料的強度。替代率20%時混合料7 d無側限抗壓強度、90 d劈裂強度均滿足規范要求；替代率40%時90 d彎拉強度、抗壓回彈模量均滿足規范要求。

2）稻殼灰替代率60%時水泥稻殼灰穩定碎石混合料的抗凍性能滿足規范要求。替代率20%時有利于抗干縮，但替代率繼續增加對抗干縮性能、抗溫縮性能均不利，應用時需特別注意。

3）稻殼灰替代率為20%時，水泥稻殼灰穩定碎石混合料各項性能除彎拉強度比規范參考值稍高外，其他指標均滿足相關規范要求。建議通過調整混合料配合比、提高養生溫度、增加養生時間等方式改善其彎拉強度。