管小健

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350025)

前 言

高速公路路面基層是位于路面面層下，路基土層上間接承受路面載荷并傳遞應(yīng)力的功能層?；鶎拥膹?qiáng)弱和好壞對(duì)整個(gè)路面的強(qiáng)度、使用質(zhì)量和使用壽命都有十分重要的影響[1]，目前我國(guó)用于路面基層建設(shè)的材料主要是二灰穩(wěn)定粒料和水泥穩(wěn)定粒料[2]，水泥穩(wěn)定粒料具有承載力高，水穩(wěn)性和冰凍穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的抗沖刷能力，與下封層有較好的粘結(jié)力，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在收縮性大，易產(chǎn)生裂縫等缺陷。而基層一旦開裂，不僅影響到基層的整體性和承載能力，而且反射到瀝青砼面層，出現(xiàn)反射裂縫并可導(dǎo)致瀝青面結(jié)構(gòu)破壞[3]，二灰穩(wěn)定粒料具有后期強(qiáng)度高，收縮系數(shù)小，板體性好，水穩(wěn)性、抗凍性較好，且能大量利用工業(yè)廢料(粉煤灰)，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)存在早期強(qiáng)度低，施工進(jìn)度受限制，表面松散起灰，不利于層間結(jié)合，耐沖刷性一般，影響耐久性等缺點(diǎn)[4][5][6]。目前，我省的通用結(jié)構(gòu)為水泥穩(wěn)定碎石。水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)質(zhì)量首先由水泥、碎石等原材料決定，其中水泥品質(zhì)是確保穩(wěn)定固化質(zhì)量的關(guān)鍵，同時(shí)水泥的品質(zhì)直接與施工工藝，尤其施工延遲時(shí)間息息相關(guān)，而目前市場(chǎng)上水泥在凝結(jié)時(shí)間上無(wú)法滿足要求，所以如何選用一種膠結(jié)材料既能滿足高速公路對(duì)水泥穩(wěn)定土的質(zhì)量要求，又能降低材料的造價(jià)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，故參照我省粉煤灰應(yīng)用的成熟技術(shù)及路面混凝土，大壩混凝土等摻用粉煤灰成功的經(jīng)驗(yàn)，我們提出了采用粉煤灰代替部分水泥(水泥穩(wěn)定碎石)，降低水泥穩(wěn)定碎石的造價(jià)，摻用緩凝型外加劑來(lái)改善穩(wěn)定層施工質(zhì)量的研究，在保證結(jié)構(gòu)層質(zhì)量的基礎(chǔ)上，使水泥穩(wěn)定碎石層的材料成本降低。同時(shí)利用粉煤灰可使火電廠少建或不建貯灰場(chǎng)，可節(jié)約大量的土地和能源，保護(hù)和治理環(huán)境，具有顯著的社會(huì)效益。

國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石已有了一些研究和應(yīng)用，21世紀(jì)初就有人提出了用水泥粉煤灰穩(wěn)定路面基層材料[7][8][9]，這樣不僅使材料具有較高的早期強(qiáng)度，同時(shí)由于粉煤灰的摻入，也大大提高了材料的后期強(qiáng)度、耐久性能以及抗裂性能，并能使施工工藝大大的簡(jiǎn)化。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和高速公路事業(yè)的發(fā)展，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石作為一種耐久、整體性好，經(jīng)濟(jì)上合理的混合料作高速公路的基層具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，本文在試驗(yàn)室條件下，進(jìn)行了水泥穩(wěn)定碎石基層中摻用粉煤灰和緩凝型外加劑的配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在滿足強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性兩指標(biāo)基礎(chǔ)上，確定了適合水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的配合比，并進(jìn)行了相關(guān)的性能試驗(yàn)。

1 水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的強(qiáng)度形成機(jī)理

粉煤灰是從燃煤鍋爐煙氣中收集到的細(xì)顆粒粉末。它是一種火山灰質(zhì)材料，按排放的方式可分為干排灰和濕排灰，隨著煤的品種、鍋爐類型、燃燒方式、收塵方式等不同，粉煤灰的質(zhì)量隨之變動(dòng)。粉煤灰具有優(yōu)良的火山灰活性主要由于其中含有大量的硅鋁組成的玻璃體，它們?cè)趬A性激發(fā)劑的作用下，能生成水化硅酸鈣等具有水硬性的水化產(chǎn)物。同時(shí)又由于粉煤灰中含有大量圓球顆粒，在集料攪拌壓實(shí)過程中發(fā)揮著潤(rùn)滑作用，所以在水泥穩(wěn)定碎石機(jī)構(gòu)中摻入粉煤灰不僅能減少水泥用量，而且還能使其改良施工和易性與提高施工質(zhì)量等許多優(yōu)良性能。

水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的強(qiáng)度形成機(jī)理主要在于粉煤灰玻璃體與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2作用，發(fā)生“火山灰”反應(yīng)，產(chǎn)生C－S－H和C－A－H等凝膠物質(zhì)。由于水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2晶體較純且易溶于水，離解出大量 Ca2+和OH－，使粉煤灰水化速度加快，隨著混合料在一定溫度和濕度條件下養(yǎng)生時(shí)間增長(zhǎng)，水分通過各種毛細(xì)孔供給，在養(yǎng)生過程中含有Ca2+和OH－的溶液通過粉煤灰表面水化凝膠物間縫隙向里滲透，使火山灰反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，增加了混合料中凝膠物數(shù)量，填充了粉煤灰顆粒間的孔隙，使結(jié)構(gòu)整體變得緊密;同時(shí)，水化粉煤灰顆粒間凝膠物相互交叉嵌鎖，增加了界面間的摩擦力，使混合料后期強(qiáng)度得到發(fā)展。

2 原材料的選擇

2.1 水泥

試驗(yàn)用的水泥采用海螺牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見(表1)，化學(xué)成分見(表2)。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

2.2 粉煤灰

使用福州華能電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，比表面積3950cm2/g，需水量比92%，其化學(xué)成分見(表2)。

表2 水泥、粉煤灰的化學(xué)成分(%)

2.3 粗集料

采用福州謝坑處洋坑山的凝灰熔巖碎石，表觀密度為2.69 g/cm3，含泥量為0.28%。

2.4 細(xì)集料

采用閩江中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量0.35%。

2.5 外加劑

采用選擇具有緩凝作用的高效減水劑。

3 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

3.1 集料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

按照(JTJ034－2000)要求的基層顆粒級(jí)配，最大粒徑不超過30mm，顆粒組成符合II級(jí)級(jí)配，根據(jù)要求，我們進(jìn)行了基層的顆粒級(jí)配試驗(yàn)，按不同的比例進(jìn)行試配，選定了基層為碎石:砂=60:40的級(jí)配，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粗細(xì)集料的比例為60%:40%時(shí)基層集料級(jí)配符合JTJ034－93，基層的級(jí)配計(jì)算見(表3)。

表3 基層的級(jí)配計(jì)算表

3.2 膠結(jié)料的選擇

根據(jù)我國(guó)技術(shù)規(guī)范要求，高速公路路面基層7d抗壓強(qiáng)度為3～4MPa，壓實(shí)度為98%，要達(dá)到上述質(zhì)量要求，除級(jí)配符合要求外，還必須有優(yōu)良的膠結(jié)料，以確?；鶎佑凶銐虻膹?qiáng)度和良好的穩(wěn)定性。目前膠結(jié)料有石灰、水泥等各種材料組成，但性能與經(jīng)濟(jì)性各異，在研究中針對(duì)我省情況，選擇了水泥和粉煤灰并通過試驗(yàn)找出二者最佳配比。

水泥是粉煤灰最常用的激發(fā)材料，一方面提供一定的水化膠凝物質(zhì)以保證粉煤灰早期強(qiáng)度的需要，另一方面又要求水泥水化所生成的Ca(OH)2數(shù)量與質(zhì)量足以激發(fā)粉煤灰的活性物質(zhì)發(fā)生水化反應(yīng)，并因此生成數(shù)量足夠及質(zhì)量高的水化膠凝產(chǎn)物以保證基層后續(xù)強(qiáng)度的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。從經(jīng)濟(jì)原因及強(qiáng)度要求考慮，為了達(dá)到結(jié)構(gòu)層使用要求，我們選擇了水泥和粉煤灰基層適宜的比例，其結(jié)果見(表4)。

表4 水泥和粉煤灰基層適宜的比例

3.3 混合料重型擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)表4所確定的水泥和粉煤灰適宜比例，依據(jù)(JTJ057－94)試驗(yàn)方法，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的最大干容重和最佳含水率見(表5)。

表5 最大干容重和最佳含水率選擇

3.3 混合料的配合比設(shè)計(jì)及抗壓強(qiáng)度

根據(jù)(表5)所確定的不同水泥和粉煤灰比例所得出的最佳含水率和計(jì)算的干密度制備試件，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石混合料的配合比及抗壓強(qiáng)度見(表6)。

表6 混合料的配合比及抗壓強(qiáng)度

從(表4－6)可以看出根據(jù)滿足強(qiáng)度要求的情況下:選擇最小水泥和粉煤灰比例的原則，確定理論水泥和粉煤灰基層比例為65:65。

3.4 水泥粉煤灰和水泥穩(wěn)定碎石的性能

水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的性能研究中，對(duì)比做了水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定碎石基層的CBR、回彈模量、劈拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(表7)。

表7 水泥粉煤灰和水泥穩(wěn)定碎石性能試驗(yàn)

從所做的試驗(yàn)可以看出，基層水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石CBR比水泥穩(wěn)定碎石的值略高;水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的回彈模量比水泥穩(wěn)定碎石的值略高，能滿足基層回彈模量400～500MPa;從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以看出，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展，特別是后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率比水泥穩(wěn)定碎石大，為此保證了水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的后期強(qiáng)度;從劈拉試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)結(jié)果可以看出，基層水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的7天強(qiáng)度比水泥穩(wěn)定碎石的值略低，而28天的值高于水泥穩(wěn)定碎石。說(shuō)明其抗裂性比水泥穩(wěn)定碎石好，但均能滿足基層達(dá)到0.6MPa的要求。

3.5 Ⅲ級(jí)粉煤灰替代Ⅱ級(jí)粉煤灰應(yīng)用的可行性

在保證質(zhì)量的前提下，為拓寬灰源，降低造價(jià)，我們依據(jù)(JTJ057－94)試驗(yàn)的方法，用Ⅲ級(jí)粉煤灰做水泥穩(wěn)定碎石基層的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(表8)。

表8 Ⅱ、Ⅲ級(jí)粉煤灰基層抗壓強(qiáng)度

從所做的試驗(yàn)可以看出，采用Ⅲ級(jí)灰所做基層的強(qiáng)度和Ⅱ級(jí)灰相近。說(shuō)明用Ⅲ級(jí)粉煤灰替代Ⅱ級(jí)粉煤灰是可行的。

4 結(jié)論

(1)水泥穩(wěn)定碎石基層中用粉煤灰代替部分水泥，即水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層代替水泥穩(wěn)定碎石層研究，經(jīng)試驗(yàn)所選定基層的水泥:粉煤灰為65:65的比例是可行的，其7天、28天、60天的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到規(guī)范的要求。

(2)摻用粉煤灰與外加劑后，水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的凝結(jié)時(shí)間明顯延長(zhǎng)，能夠滿足材料對(duì)水泥終凝時(shí)間的要求，有利于施工單位對(duì)材料的選擇，且能改善施工條件，保證施工質(zhì)量。

(3)水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石的承載比、劈拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、回彈模量等性能和水泥穩(wěn)定碎石層相近。其后期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均比水泥穩(wěn)定碎石層高，這有利于承擔(dān)后期大交通量的增長(zhǎng)，延長(zhǎng)路面的疲勞壽命。

(4)采用華能電廠的Ⅲ灰代替Ⅱ灰作為水泥粉煤灰穩(wěn)定碎石層的摻合料，經(jīng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度與Ⅱ級(jí)灰基本相近，說(shuō)明采用Ⅲ灰是可行的。

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